镧系和锕系元素的价电子构型特点2
天津大学无机化学课件第十四章镧系与锕系元素
课件
8
1750
Lu
1550
熔点/℃
1350
1150
950
750
Eu
Yb
57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71
原子序数
双峰效应——熔点在Eu、Yb处出现
骤降的现象
2019/11/5
课件
9
∑(I1+I2+I3)/(kJ·mol-1)
4200
Yb
Eu
4000
Image Nd3+(4f3) 3
淡红
3 Er3+(4f11)
Pm3+(4f4) 4 粉红淡黄 4 Ho3+(4f10)
Sm3+(4f5) 5
黄
5 Dy3+(4f9)
Eu3+(4f6) 6
淡红
6 Tb3+(4f8)
Gd3+(4f7) 7
无
7 Gd3+(4f7)
2019/11/5
课件
14
无机化学多媒体电子教案
Lu
3800
3600
3400
57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71
原子序数
双峰效应——第一、二、三电离能在
2019/11/5
Eu、Yb处出现骤升的现象
课件
10
Ln3+半径/pm
105
离子半径100Fra bibliotek9590
85
80
75
57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71
稀土元素化学习题答案
稀土元素化学习题答案1．简要回答下列问题：(1)什么叫稀土元素？什么叫镧系元素？答：稀土元素：镧系元素以及与镧系密切相关的钪(Sc)、钇(Y)共17种元素，称为稀土元素。
镧系元素：镧(La）、铈(Ce）、镨(Pr）、钕(Nd）、钷(Pm）、钐(Sm）、铕(Eu）、钆(Gd）、铽(Tb）、镝(Dy）、钬(Ho）、铒(Er）、铥(Tm）、镱(Yb）、镥(Lu）等15种元素。
(2) 何谓“镧系收缩”，说明其产生的原因。
答：镧系收缩是指从镧到镥随着原子序数的增加，它们的原子半径、离子半径均逐渐减小的现象。
原因：镧系元素中每增加一个质子，相应的一个电子进入4f轨道，而4f电子对原子核的屏蔽作用与内层电子相比较小，有效核电荷数增加较大，核对最外层电子的吸引力增加。
(3) 为什么镧系元素的电子结构在固态和气态不同？这对元素的特性会造成什么影响？答：金属由气态变为固态，原子间通过金属键的形式结合为金属晶体，该过程价层轨道重叠，由于镧系原子外层轨道的伸展程度是按4f-5d-6s的顺序增大的，即4f轨道的相互重叠比5d、6s轨道困难得多，当镧系元素的原子间形成金属键时，主要是通过6s及5d 轨道的重叠，而4f轨道并不参与。
由于，电子迁跃需要吸收能量（激发能），但迁跃的结果，增加了一个成键电子，可以释放出一份成键能。
对于大多数镧系元素的原子，成键能大于激发能，从而导致4f电子向5d的跃迁。
影响：使镧系金属键的成键电子数除Eu、Yb外其余都为3。
为什么镧系元素彼此间化学性质的差别比锕系元素彼此间的差别要小得多？答：锕系的收缩一般比镧系的收缩要小一些。
(5) 镧系离子的电子光谱同d区过渡金属离子相比有什么不同？为什么？答：镧系离子可以观察到的光谱线大约有30000 条，而具有未充满d电子壳层的过渡金属元素的谱线约有7000条。
镧系离子的电子光谱呈窄的线状，光谱的位移和劈裂受环境的影响较小，而d区过渡金属离子吸收光谱为带状光谱。
镧系和锕系元素的价电子构型特点
第二十一章 镧系和锕系元素
[Fe(H2O)6]2+ 淡绿 [Fe(H2O)6]3+ 淡紫
[Fe(OH)(H2O)5]++H+
K =10-9.5
[Fe(OH)(H2O)5]2++H+
K =10-3.05
水解
Fe3+进一步水解：
[Fe(OH)(H2O)5]2+
2[Fe(H2O)6]3+
异硫氰合铁(Ⅲ)配离子 鉴定Fe3+
Fe3 6F- FeF63- (无色)
Co 2 4SCN - 丙酮 Co(NCS) 2- (天蓝 ) 4
四异硫氰合钴(Ⅱ)配离子 鉴定Co2+ 实验中用固体KSCN或NH4SCN
CN-
•氰配合物
Fe
2
CN- Fe(CN)4 2CN Fe(CN)2 (s) 6
4Fe(OH) O2 2H2O 4Fe(OH) 2 3
Fe 3OH Fe(OH)3 (s,红棕）
-
3
Fe(OH)3 3HCl FeCl3 3H2O
Co
Co(OH)Cl(s蓝) 氯化羟钴(碱式氯化钴) ,
Co 2OH Co(OH)2 (s, 粉红)
存在
1. 存在
•赤铁矿：Fe2O3；磁铁矿：Fe3O4； •黄铁矿：FeS2； •辉钴矿：CoAsS； •镍黄铁矿：NiS· FeS；
2.单质的物理性质
•白色金属，磁性材料；
•Fe，Co和Ni熔点接近。
化性
3.单质的化学性质
•与稀酸反应(Co，Ni反应缓慢)
M 2H (稀) M 2 H 2
第14章 镧系与锕系元素
2019/11/8
1
§14-1 引言 §14-2 镧系元素的电子层结构和通性 §14-3 镧系元素的离子和化合物 §14-4 镧系元素重要化合物和镧系金属 §14-5 锕系元素的电子层结构和通性
§14-6 钍和铀的化合物
2019/11/8
2
§14-1 引言
2019/11/8
3
2019/11/8
4
2019/11/8
5
镧系Ln(15种） 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb
Lu 轻稀土（铈组） 重稀土(包括Sc、Y)(钇组)
Ln、Sc、Y—稀土元素（17种）用RE表示 锕系元素（An)
89--------------------103 (15种） Ac---------------------Lr
2019/11/8
6
§14-2 镧系元素的电子层结构和通性
一、电子层结构 La:5d16s2;余皆有4f电子。
2019/11/8
7
二、镧系收缩
1.定义：镧系元素的原子半径和离子半径，其总的 趋势是随原子序数的增大而减小。
2.特点：⑴ 镧系内原子半径呈缓慢减小趋势；
⑵ 结果造成Hf和Ta的原子半径与同族的Zr 和Nb的原子半径极为相近。
2019/11/8
8
⑶ 离子半径收缩效果比原子半径明显 ⑷ Eu(63) 、Yb(70)原子半径反常 ⑸ 收缩后果…………
如何从理论上解释?
2019/11/8
9
2019/11/8
10Biblioteka 三、氧化态+3为镧系元素常见和特征氧化态，少量 +2，+4不稳定。
第章f区金属镧系与锕系金属
第25章f区金属镧系与锕系金属[教学要求]1．掌握镧系和锕系元素的电子构型与性质的关系。
2．掌握镧系收缩的实质及其对镧系化合物性质的影响。
3．了解镧系和锕系以及与d过渡元素在性质上的异同。
4．一般了解它们的一些重要化合物的性质。
[教学重点]1．镧系和锕系元素的电子构型。
2. 镧系收缩的实质及其对镧系化合物性质的影响[教学难点]镧系收缩的实质及其对镧系化合物性质的影响[教学时数]2学时[主要内容]1．镧系元素的通性，镧系金属及其重要化合物的性质。
2．稀土元素的分布、分离及稀土金属的配合物的性质。
3．锕系元素的通性，锕系金属及其重要化合物的性质。
[教学内容]周期表中，IIIB族有32个元素，包括钪、钇、镧和锕，其中镧这一格代表15种镧系元素（Z=51-71），锕这一格代表着15个锕系元素(Z＝89-l03)。
下面分别讨论镧系元素和锕系元素。
25-1 镧系元素一、 镧系元素的通性镧系元素：镧在基态时不存在f电子，但镧与它后面的14种元素性质很相似，所以把从57号La到71号Lu的15种元素作为镧系元素.价电子构型通式：4f0-145d0-16s21、电子构型原子序数元素符号价电子层结构4f05d16s257 镧 La4f1 5d16s258 铈 Ce4f36s259 镨 Pr4f46s260 钕 Nd4f56s261 钷 Pm62 钐 Sm 4f 6 6s 2 63 铕 Eu 4f 7 6s 2 64 钆 Gd 4f 7 5d 6s 2 65 铽 Tb 4f 9 6s 2 66 镝 Dy 4f 10 6s 2 67 钬 Ho 4f 11 6s 2 68 铒 Er 4f 12 6s 2 69 铥 Tm 4f 13 6s 270 镱 Yb 4f 14 6s 2 71镥 Lu 4f 14 5d 1 6s 22. 氧化态+III 氧化态是所有镧系元素的特征氧化态。
它们失去三个电子所需的电离势较低，即能形成稳定的+III 氧化态。
第24章 镧系和锕系元素
4044
4193 3886
4f 145d16s2
6
第24章
镧系元素和锕系元素
24.1 镧系元素
镧系元素一般都能形成稳定的+3氧化 态，+3是镧系元素的常见氧化态，特征氧 化态。
7
第24章
镧系元素和锕系元素
价电子层结 构 4f 05d16s2 4f 15d16s2 4f 3 6s2 4f 4 6s2 4f 5 6s2 4f 6 6s2 4f 7 6s2 4f 75d16s2 4f 9 6s2 4f 10 6s2 4f 11 4f 12 4f 13 4f 14 6s2 6s2 6s2 6s2 +3 Ln3+ 4f 0 4f 1 4f 2 4f 3 4f 4 4f 5 4f 6 4f 7 4f 8 4f 9 4f 10 4f 11 4f 12 4f 13 4f 14
f区元素
§18. 2 锕系元素
3. 离子半径
由于5f电子对原子核的屏蔽作用比 较弱，随着原子序数的递增，有效核电 荷增加，锕系元素的离子半径也有与镧
系元素收缩类似的“锕系收缩”现象。
29
第十八章
f区元素
§18. 2 锕系元素
4. 离子的颜色
锕系 Ac3+ Th4+ PaO2+ Pa4+ Cm3+ 5f 0 5f 0 5f 0 5f 1 5f 7 颜色 无色 无色 无色 浅红色 绿色 镧系 La3+ Ce3+ Gd3+ Nd3+ Pr3+ 4f 0 4f 1 4f 7 4f 3 4f 2
ⅢB Y3+ 89.3 La3+ 106 ⅣB Zr4+ 80 Hf4+ 79 ⅤB Nb5+ 70 Ta5+ 69 ⅥB Mo6+ 62 W6+ 62
镧系和锕系——精选推荐
第二十三章镧系元素和锕系元素周期表中，ⅢB 族有32 种元素，包括钪、钇、镧、锕，其中镧这一格代表15 种镧系元素（ 71 ~ 57 = Z ），锕这一格代表15 种锕系元素（ 103 ~ 89 = Z ），下面分别讨论镧系和锕系元素。
23-1 镧系元素1、通性：（1）概念：镧系包括从Lu La ~ 的15 种元素，用Ln 表示，又由于Y 在矿物中的与镧系共生，其原子半径和离子半径与镧系元素接近，所以又把Y 和镧系元素合称希土元素，用RE 表示。
（2）电子层结构镧系内，自La 以后，增加的电子填充在f 4 亚层上， f 有t 个轨道，共可容纳14个电子，所以La 后出现14 种元素，称为第一内过渡系。
锕系后14 种元素称第二内过渡元素，92 号U 以后的元素又叫超铀元素。
镧系元素原子的最外面两层的电子结构相似，不同在于f 4 内层，因此化学性质非常相似，在周期表中占一格。
（3）氧化态：主要价态为+Ⅲ，+Ⅳ，但不及+Ⅱ稳定，+Ⅱ价态为很强的还原剂+ 2 Sm （钐），+Ⅳ为很强的氧化剂如： + 4 Ce （铈）（能存在于溶液中）， + 2 Eu （铕）， + 2 Yb （镱）能存在于溶液中。
它们的氧化态与电子层的构型有关，如14 7 0 , , f f f 特别稳定，另外还与其热力学和动力学因素有关。
（4）原子半径和离子半径：镧系元素的原子半径和离子半径随着原子序数的增加而逐渐减小的现象称为镧系收缩。
随着原子序数的增加，电子填入f 4 层，而f 4 电子对核的屏蔽不如内层电子，因而随着原子序数的增加，对外层电子吸引力增加，原子半径、离子半径逐渐减小。
其中铕（Eu ）和镱（Yb ）的原子半径变化趋势反常，是因为它们分别具有7 4 f 和14 4 f 的稳定结构，对原子核有较大的屏蔽作用。
另外，在它们的金属晶体中它们仅能给出2 个s 电子形成金属键，原子之间的结合力不像其他镧系元素那样强，所以金属铕和镱的密度较低，熔点也较低，升华能也比相邻的元素低。
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IIA Li 4 Be
7 钫 镭
Fr
Ra
-
Ac-Lr
杜 钅 喜 钅 钅 卢钅 麦 Uun Uuu Uub 波 钅 黑 钅
La
Rf
Db
Sg
Bh
Mt
114
116
镧系 镨 镨 铕 铕钆 钆铽 铽镝镝 钬钬 铒铒 铥铥 镱 镧 镧 铈 铈 钕钕 钷钷 钐钐 镥 镧系 镥 镱 91 Pa 92 U 93Np 94 Pu 95Am 96Cm 97 Bk 98 Cf 99 Es 100Fm 101 89Ac 90 Th90 102 103 Lr Md No 91 Pa 92 U 93 Np 94 Pu 95Am 96 Cm 97 Bk 98 Cf 99 Es 100Fm 101 89 Ac Md 102No 103 L Th 锕系 锕 锕 钍 钍 镤 镤 铀铀 钚钚 镅镅 镎镎 锔 锔锫 锫锎锎 锿锿镄镄 钔钔 锘 锕系 铹 锘铹
57La 57 58 Ce58 59
64 64 65 Tb 66 Dy 67Ho 68 Er 69Tm 71 Lu 63 Eu 70Yb Pm6162 Pr Nd6061 5960 62 Sm 63 EuGd 70 Yb 71 PmSm Ce Pr Nd Gd 65 Tb 66 Dy 67Ho 68 Er 69Tm L
中国稀土储量曾占全球储量的约90%。中国稀土资源出 口量已占世界稀土资源出口总量的90%以上。中国稀土资源 储量占全球已探明稀土资源总储量的比重已从43%降至30%， 按照现在的开采速度，中国稀土资源仅能维持未来15至20年 的需求。 无 机 化 学 电 子 教 案 日本没有稀土资源，却是储备稀土资源最多的国家。日 本90%的稀土供应依赖中国。1993年起开始建立稀有金属储 备制度和基地。据估计，目前日本的稀土存量已经足够该 国使用至少20年。
1、镧系和锕系元素的价电子构型特点 2、镧系收缩的实质及其对镧系化合物性质的影响。
22.1 引言
1 氢 2
3
IA 1 H
元素周期表
IIIA IVA VA VIA VIIA 5 B 6 C 7 N 8 O 9 F
锂 铍 硼 碳 氮 氧 氟 无 13 Al 14 Si 15 P 16 S 17 Cl 11 Na 12 Mg 机 3 钠 镁 IIIB IVB VB VIB VIIB VIII IB IIB 铝 硅 磷 硫 氯 化 19 K 20 Ca 21 Sc 22 Ti 23 V 24 Cr 25 Mn 26 Fe 27 Co 28 Ni 29 Cu 30 Zn 31 Ga 32 Ge 33 As 34 Se 35 Br 学 4 钾 钙 钪 钛 钒 铬 锰 铁 钴 镍 铜 锌 镓 锗 砷 硒 溴 37 Rb 38 Sr 39 Y 40 Zr 41 Nb 42 Mo 43 Tc 44 Ru 45 Rh 46 Pd 47 Ag 48 Cd 49 In 50 Sn 51 Sb 52 Te 53 I 电 子 5 铷 锶 钇 锆 铌 钼 锝 钌 铑 钯 银 镉 铟 锡 锑 碲 碘 55 Cs 56 Ba 57-71 72 Hf 73 Ta 74 W 75Re 76 Os 77 Ir 78 Pt 79 Au 80 Hg 81 Tl 82 Pb 83 Bi 84 Po 85 At 教 6 铯 钡 LaLu - 铪 钽 钨 铼 锇 铱 铂 金 汞 铊 铅 铋 钋 砹 案 88 89 103 104 105 106 112 87 107 108 Hs 109 110 111
从 1794 年芬兰化学家加多林 (Gadolin) 发现第一种稀土元
素（钇）到1972年在天然铀矿中发现了钷 (14361Pm，半衰期
2.7年)，才确认17种稀土元素在自然界中均存在。锕系元素 都具有放射性。 稀土元素在地壳中的丰度大，但比较分散，且性质相近 ，分离提纯困难。镧系元素的化学性质相似，组成第一内 过渡系，它们不是同位素。镧系元素的电子排布复杂，光 谱复杂，价电子层是否有5d电子尚未解决。
美国的稀土储量居世界第三位，为保护稀土资源，美国在 1997年就封存了国内最大的已探明稀土储量达430万吨的芒 廷帕斯矿。
无 机 化 学 电 子 教 案
无 机 化 学 电 子 教 案
22.2 镧系元素的电子结构和通性
22.2.1 镧系元素的价电子层结构
原子序数 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 元素 镧 铈 镨 钕 钷 钐 铕 钆 铽 镝 钬 铒 铥 镱 镥 符号 La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu 4f0 4f1 4f3 4f4 4f5 4f6 4f7 4f7 4f9 4f10 4f11 4f12 4f13 4f14 4f14 价电子层结构 5d1 6s2 5d1 6s2 6s2 6s2 6s2 6s2 6s2 5d1 6s2 6s2 6s2 6s2 6s2 6s2 6s2 5d1 6s2
无 机 化 学 电 子 教 案
无 机 化 学 电 子 教 案 Nhomakorabea镧系元素气态原子的 4f 轨道的充填呈现两种构 型 , 即 4 fn－15d16s2 和 4 fn6s2 ，这两种电子构型的相对 能量如图1所示: 其中 La、Ce、Gd的基 态处于4fn－15d16s2 时能量较 低，而其余元素皆为4fn6s2。 La、Gd、Lu的构型可以用f0、f7、f14(全空、半满和全满) 的洪特规则来解释，但Ce的结构尚不能得到满意的解释，
无 机 化 学 电 子 教 案
镧系元素（Ln）、钪（Sc）、钇(Y)，共17种元素总称为 稀土元素（RE）。La(镧)，Ce(铈)，Pr(镨)，Nd(钕) ，Pm( 钷) ，Sm(钐) ，Eu(铕)称为铈组稀土（轻稀土）；Gd (钆) ，Tb (铽) ，Dy (镝) ，Ho (钬) ，Er (铒) ，Tm (铥) ，Yb (镱 ) ，Lu(镥)，Sc，Y称为钇组稀土（重稀土）。
第二十二章 镧系和锕系元素
教学要求:
无 机 化 学 电 子 教 案 （3 课时） 1、掌握镧系和锕系元素的价电子构型特点与元 素性质的关系。 2、掌握镧系收缩的实质及其对镧系化合物性质 的影响。 3、了解镧系和锕系以及d过渡元素在性质上的 异同。 4、一般了解它们的一些重要化合物的性质。
重点与难点: