稀土元素的电子结构和镧系收缩详解
稀土元素 镧系
稀土元素镧系镧系元素是指周期表中镧（La）到镱（Yb）这15个元素，它们统称为镧系元素。
镧系元素是稀土元素中的一类，具有独特的化学和物理性质，广泛应用于各个领域。
下面将对镧系元素进行详细介绍。
一、镧系元素的概述镧系元素是指原子核中电子的填充顺序为4f的元素，它们的外层电子结构为5d1 6s2。
镧系元素的原子序数从57到71，依次为镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱。
这些元素的原子半径逐渐缩小，原子质量逐渐增加。
二、镧系元素的性质1. 化学性质镧系元素具有较强的还原性和氧化性，可以与大多数非金属和金属反应。
其中镧、铈和钇是相对稳定的，而镝、钬和铒则比较活泼。
镧系元素的化合价一般为+3，但也可表现出+2和+4的化合价。
2. 物理性质镧系元素是金属，具有良好的导电性和热导性。
它们的熔点和沸点较高，且在常温下呈固态。
镧系元素的磁性多样，有的呈铁磁性，有的呈反铁磁性，还有的呈顺磁性。
三、镧系元素的应用1. 钢铁冶炼镧系元素可用作钢铁冶炼中的合金元素，能够提高钢的强度、塑性和耐腐蚀性。
其中钕铁硼磁体是应用最广泛的稀土磁体，被广泛应用于电机、传感器、声学设备等领域。
2. 光学材料镧系元素的化合物具有良好的光学性能，可用于制备激光材料、光纤通信材料和荧光材料。
镧系元素的荧光粉被广泛应用于LED照明、荧光屏幕和激光显示器等领域。
3. 催化剂镧系元素的化合物具有良好的催化性能，可用作汽车尾气净化催化剂、石油加工催化剂和化学合成催化剂。
镧系催化剂能够提高反应速率、改善反应选择性和延长催化剂寿命。
4. 核能材料镧系元素的同位素镧-138是一种重要的核能材料，可用于核反应堆的燃料制备。
镧系元素还可用于制备核探测仪器、核医学放射性示踪剂和放射治疗药物。
5. 稀土磷光粉镧系元素的磷光粉广泛应用于荧光显示器、荧光屏幕、LED照明等领域。
镧系元素的磷光粉具有高亮度、长寿命和良好的发光特性。
6. 其他应用镧系元素还可用于制备陶瓷材料、玻璃材料、高温超导材料和磁性材料等。
稀土元素的结构特征
稀土元素的结构特征稀土元素是指周期表中的镧系元素，包括镧（La）、铈（Ce）、镨（Pr）、钕（Nd）、钐（Sm）、铕（Eu）、钆（Gd）、铽（Tb）、镝（Dy）、钬（Ho）、铒（Er）、铥（Tm）、镱（Yb）和镥（Lu）。
它们的原子数从57到71不断增加，且具有相似的化学性质。
这些元素被广泛用于电子、光学、材料科学和医学等领域，并且是许多技术和设备的基本材料。
1.电子结构：稀土元素的电子结构具有特殊的特征。
它们的电子排布在4f轨道中，这些电子具有特殊的自旋和轨道角动量，称为“内层电子自旋-轨道相互作用”（LS耦合）。
这种相互作用使得稀土元素表现出许多独特的物理和化学性质，例如磁性、发光和超导等。
2.离子半径：稀土元素的离子半径相对较小，尤其是3价稀土离子（+3）的离子半径。
它们的离子半径逐渐缩小，从镧系到镥系，这与它们在周期表中的位置有关。
3.磁性：稀土元素具有丰富的磁性。
其中，镨、钕、钆和铕是具有自发磁性的常温磁体材料，它们在室温下具有较高的磁矩。
镐、铽、钬等元素则具有温度敏感的磁性，称为“磁相变”。
这些稀土磁体在电子设备、计算机和电动汽车等领域有广泛的应用。
4.化合价：稀土元素形成的化合物的化合价多种多样。
由于它们的电子结构特殊，稀土元素可以同时显示不同化合价的特性。
例如，镧的最低化合价为+3，但它也能形成+2和+4的化合价。
5.光学特性：稀土元素在光学方面具有重要的应用价值。
它们的原子核和电子结构使得它们能够吸收和辐射可见光、紫外光和红外光等不同波长的电磁波。
稀土元素可以被用于制备发光材料，例如激光晶体和荧光粉。
总而言之，稀土元素具有独特的电子结构、离子半径、磁性、化合价和光学特性等结构特征。
这些特点使得稀土元素在各种领域有广泛的应用，对于推动科技进步和发展具有重要作用。
稀土元素的结构与材料学性能
1、Ln3+的基态，4f轨道与正常的价电子轨道5d6S6P相比属内层，因此4f电子被有效地屏蔽起来，成为一种希气型结构的离子，所以f电子在通常情况下，不参加成键，难以杂化，只有更高能量的5d6S6P可以形成共价键，但CFSE相当小,约1000cm-1。 2、Ln3+离子半径比较大,是希气结构的离子与Ca2+、Sr2+、Ba2+相似。 Ca2+ 3S23P6 99pm Ba2+ 5S25P6 134pm Ln3+ 4f n5S25P6 106.1～85pm Al3+ 2S22P6 51pm
稀土镁合金比强度较高，对减轻飞机重量，提高战术性能具有广泛用前景。
1
2
在冶金工业中的应用：稀土钛合金 70年代初，北京航空材料研究院（简称：航材院）在Ti－A1－Mo系钛合金中用稀土金属铈（Ce）取代部分铝、硅，限制了脆性相的析出，使合金在提高耐热强度的同时，也改善热稳定性能。
2、在石油化工
早在50年代我国仿制的飞机和导弹的蒙皮、框架及发动机机匣已采用稀土镁合金，70年代后，随着我国稀土工业的迅速发展，航空稀土开发应用跨入了自行研制的新阶段。新型稀土镁合金、铝合金、钛合金、高温合金、非金属材料、功能材料及稀土电机产品也在歼击机、强击机、直升机、无人驾驶机、民航机以及导弹卫星等产品上逐步得到推广和应用。
1、在冶金工业中的应用：稀土镁合金
稀土镁合金强度高，对减轻飞机重量，提高战术性能具有广泛的应用前景。中国航空工业总公司研制的稀土镁合金包括铸造镁合金及变形镁合金约有10个牌号，很多牌号已用于生产，质量稳定。稀土元素在镁合金中溶解度大，因而有明显的热处理强化作用。在铸造和变型镁合金中加入金属钕、钇显著地提高强度和工艺性能。
稀土元素地球化学[精]
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稀土元素分组
• 根据稀土元素的分离工艺，又可将它们 分为三组，
• 即铈组稀土、铽组稀土和钇组稀土，分 别称为轻、中、重稀土。
• 铈组有La，Ce，Pr，Nd，Pm，Sm， • 铽组有En，Gd，Tb，Dy， • 钇组有Y，Ho，Er，Tm，Yb，Lu。
稀土元素概述
• 三价稀土元素的离子半径和Ca2+很接近， 很容易以各种类质同象形式进入岩浆作 用变质作用和沉积作用中广泛出现的含 钙矿物中。
• 在吸附能力强的粘土、铁-铝-锰沉积物，有机质和铁有机质等沉积物中富铈组稀土等等。
• 正是由于稀土元素作为既很相似、又有所不同的一组 元素，在自然界的地质作用和各种物理化学环境中的 特殊行为，使得有可能根据稀土元素的分离、变化作 为地球化学指示剂，去解释各种成岩成矿过程。
稀土元素丰度表示法
• 在稀土元素地球化学研究工作中，除了用稀土总量和 各单个稀土含量直接列表来表示所研究对象的稀土元 素含量丰度外，常用作图方法形象地表示，这就是所 谓“增田—科里尔（Masuda-Coryell）图解，是由他们 二人分别提出的。
• 由于电离势低，稀土元素呈明显碱性。 其碱度处于Mg（OH）2和Al（OH）3之间， 这是稀土元素广泛进入到钙的铝硅酸盐 矿物中的原因。
稀土元素地球化学
• 稀土元素倾向于形成极性键和共价键， 因而具有形成络合物的性质。
•这
存在时，容易形成络合物而迁移。
•尽管稀土元素具有很相近的物理化学性质，由于 电子构型的规则变化、镧系收缩等，各稀土元素 之间仍存在一些性质上的微小不同，造成稀土元 素在自然界中发生某些分离。
稀土元素配分模式
• 3.平坦型（或球粒陨石型） • 丰度曲线呈现近乎水平，既不显示重稀土富集、
解释镧系收缩效应
解释镧系收缩效应介绍镧系元素是指周期表中镧系的14个元素，从镧(La)到镥(Lu)。
镧系元素的原子半径随着原子序数的增加而逐渐减小，这就是所谓的镧系收缩效应。
本文将详细探讨镧系收缩效应的原因和其在化学和材料科学中的意义。
原因镧系收缩效应的原因主要有以下几点：非相对论效应原子的半径与其电子云的平均距离有关，非相对论效应指的是电子运动速度远小于光速时的效应。
镧系元素由于电子数量较多，电子云的层次较多，电子之间的屏蔽效应较弱，因此电子云较为紧密，导致原子半径变小。
相对论效应相对论效应指的是当电子运动速度接近光速时，由于质量增加和长度收缩等效应导致的影响。
镧系元素的内层电子速度较快，相对论效应增强，使得电子更加接近原子核，从而缩小了原子半径。
电子填充顺序镧系元素外层电子填充方式的特殊性也造成了镧系收缩效应。
镧系元素的4f轨道外层电子较为稳定，不容易参与反应。
因此，化学反应主要发生在外层的5s和5p 轨道上。
而5s轨道和4f轨道的效应相互抵消，导致在周期表上5s轨道和4f轨道相邻元素的原子半径差异较小。
影响镧系收缩效应在化学和材料科学中具有重要的影响，涉及到原子结构、化学性质和材料特性等多个方面。
镧系收缩效应导致镧系元素的原子半径减小，同时原子质量增加。
这对于理解元素周期表的结构和变化规律具有重要意义。
化学性质镧系收缩效应对镧系元素的化学性质有一定影响。
例如，镧系元素的化合价倾向于为+3，这是因为3价的电子云较为稳定。
此外，镧系元素的反应活性较低，不容易与其他元素发生反应。
这些特性使得镧系元素在稀土化学、催化剂设计和材料合成等领域具有重要应用价值。
材料特性镧系收缩效应对材料的特性也产生一定影响。
例如，镧系元素在磁性材料、储氢材料和功能性材料等方面具有重要应用。
镧系元素的电子结构和原子大小变化可调控材料的导电性、磁性和光学性能，对材料的稳定性和性能有重要影响。
实际应用举例镧系收缩效应在很多领域都有实际应用。
稀土元素介绍
稀土元素介绍在周期系中，你知道什么是镧系元素？什么是稀土元素吗？它们的电子层结构和性质有什么特点？它们在科学技术和生产中扮演了什么样的角色？ “镧系元素”在周期表中从原子序数为57号的镧到原子序数为71号的镥共15种元素，它们的化学性质十分相似，都位于周期表中第ⅢB 族，第6周期镧的同一格内，但它们不是同位素。
同位素的原子序数是相同的，只是质量数不同。
而这15种元素，不仅质量数不同，原子序数也不同。
称这15种元素为镧系元素，用Ln 表示。
它们组成了第一内过渡系元素。
“稀土元素”镧系元素以及与镧系元素在化学性质上相近的、在镧系元素格子上方的钇和钪，共17种元素总称为稀土元素，用RE 表示。
按照稀土元素的电子层结构及物理和化学性质，把钆以前的7个元素：La 、Ce 、Pr 、Nd 、Pm 、Sm 和Eu 称为轻稀土元素或铈组稀土元素；钆和钆以后的7个元素：Gd 、Tb 、Dy 、Ho 、Er 、Tm 、Yb 、Lu ，再加上Sc 和Y 共10个元素，称为重稀土元素或钇组稀土元素。
“稀土”的名称是18世纪遗留下来的。
由于当时这类矿物相当稀少，提取它们又困难，它们的氧化物又和组成土壤的金属氧化物Al2O3很相似，因此取名“稀土”。
实际上稀土元素既不“稀少”，也不像“土”。
它们在地壳中的含量为0.01534，其中丰度最大的是铈，在地壳中的含量占0.0046，其次是钇、钕、镧等。
铈在地壳中的含量比锡还高，钇比铅高，就是比较少见的铥，其总含量也比人们熟悉的银或汞多，所以稀土元素并不稀少。
这些元素全部是金属，人们有时也叫它们稀土金属。
我国稀土矿藏遍及18个省（区），是世界上储量最多的国家。
内蒙包头的白云鄂博矿是世界上最大的稀土矿。
在我国，具有重要工业意义的稀土矿物有氟碳铈矿Ce(CO 3)F ，独居石矿RE(PO 4)，它们是轻稀土的主要来源。
磷钇矿YPO 4和褐钇铌矿YNbO 4是重稀土的主要来源。
我们从以下几个方面来讨论镧系元素的通性：1、价电子层结构2、氧化态3、原子半径和离子半径4、离子的颜色5、离子的磁性6、标准电极7、金属单质电子层结构这是目前根据原子光谱和电子束共振实验得到的镧系元素原子的电子层结构：根据电子填充的一般规律，由于4f能级的能量介于6s和5d之间，由表Ln-1中可见，从第57号元素镧开始，新增加的电子填充在4f能级上，应该4f 能级充满后再填充到5d能级上去。
元素周期表与稀土元素稀土元素的特殊性质与应用
元素周期表与稀土元素稀土元素的特殊性质与应用元素周期表与稀土元素：稀土元素的特殊性质与应用元素周期表是描述和分类化学元素的一种工具。
通过元素周期表，我们可以了解元素的原子结构、化学性质以及元素之间的关系。
其中，稀土元素作为元素周期表中的一部分，具有独特的特性和广泛的应用。
1. 稀土元素的概述稀土元素是指周期表中镧系元素（Z=57-71）及钇（Y，Z=39）和铯（Sc，Z=21），共17个元素。
尽管它们在地壳中的相对丰度较低，但由于其独特的理化性质，稀土元素在多个领域中得到广泛应用。
2. 稀土元素的特殊性质（1）电子结构：稀土元素的电子结构具有特殊的外层电子配分，其f电子在化学反应中表现出不同的态。
这使得稀土元素具有多样的化学反应性能和物理性质。
（2）反磁性：稀土元素中的部分元素表现出反磁性，即在一定条件下对磁场产生负磁化效应。
这种特性使得稀土元素在磁学领域中有重要应用。
（3）荧光性质：稀土元素在受到激发后，可以发出不同波长的荧光，这使得稀土元素广泛应用于荧光材料和荧光显示技术。
（4）配位数和化合价：由于稀土元素的f电子的特殊分布，它们的化合价和配位数常常不同于一般的元素。
这种独特性质使得稀土元素在催化剂和材料科学领域中具有广泛应用。
3. 稀土元素的应用稀土元素广泛应用于多个领域，以下是其中几个重要的应用领域的简要介绍：（1）磁性材料：稀土元素可以增强磁性材料的磁性，提高磁饱和度和矫顽力，被广泛应用于磁体、电机、传感器和存储器件等领域。
（2）催化剂：稀土元素具有良好的催化活性，广泛应用于催化剂的制备中，例如汽车尾气净化催化剂和石油加工催化剂等。
（3）荧光材料和光学器件：稀土元素的荧光性质使得其在荧光材料和光学器件中得到广泛应用，如荧光显示屏、荧光灯、激光器等。
（4）磁记录材料：稀土元素被应用于磁记录材料，提高了数据存储密度和性能。
（5）核能和放射性医学：稀土元素在核能领域和放射性医学中有重要应用，例如核能反应堆和核医学诊断等。
第2章稀土元素的电子结构和镧系收缩 PPT
遵循洪特规则，即等价轨道全充满、半充满或全空的状
态比较稳定。
稀土元素原子核外电子的分布（电子构型）
稀土元素的价电子层结构和氧化态
原子 序数
符号
原子价电子 层结构
RE2+
氧化态 RE3+
RE4+
21
Sc
3d14s2
—
39
Y
4d15s2
—
57
La
5d16s2
—
58
Ce
4f15d16s2
[Xe]4fn6s2和[Xe]4fn-15d16s2 其中[Xe]＝1s22s22p63s23p63d104s24p64d105s25p6。
La后其它的元素，电子填充4f轨道，两种情 况4fn-15d16s2 ；4fn6s2 ШB族基态价电子层结构
21 Sc 3d14s2 1s22s22p63s23p63d14s2 39 Y 4d15s2 1s22s22p63s23p63d104s24p64d15s2 57 La 5d16s2 1s22s22p63s23p63d104s24p64d105s25p65d16s2
例如镧的一种电子组态 1s22s22p63s23p63d104s24p64d105s25p65d16s2，表示占 据能量为ε1s的单电子状态的电子数为2，占据能量 为ε2s的单电子状态的电子数为2，占据能量为ε2p的 单电子状态的电子数为6等。
电子组态
构造原理:多电子原子中电子在轨道上的排布规律称为 “构造原理”。 基态原子的电子在原子轨道中填充 排布的顺序通常为： ls， 2s，2p， 3s，3p， 4s，3d，4p， 5s，4d， 5p， 6s，4f，5d，6p， 7s，5f，6d … … 据此可写出大多数原子基态的电子组态。在某些 特殊情况下，上述填充排布的顺序稍有变化。 构造原理图示如下, 这也是元素周期律的基础。
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氧化态
通常是+3，也有+2，+4。 17个稀土元素原子最外两层电子结构相似，
与其它元素化合时，先失去最外层S2d1的电子， 无d电子时失去一个f电子，所以通常为“+3价”。
镧系元素全部都能形成稳定的+3氧化态。 某些RE有+2价（S m 、E u 、Y b），+4价 （Ce 、Pr 、Tb），也遵循洪特规则。 变价也有动力学、热力学的因素。
Nb3+、Er3+ 2PDFGHIKL 4SDFGI 2 2 22
Pm3+、 Ho3+
Sm3+、 Dy3+
Eu3+、Tb3+
Gd3+
1SDFGHIKLN 3PDFGHIKLM 5SGFGI 2 4 4 2 3 2 3 243 4 22
2PDFGHIKLMNI 4SPDF G HIKLM
6PFH
4 57 6 7 55 3 2
➢ La3+(4f0), Gd3+(4f7) 和 Lu3+(4f14) 处于稳定结 构，获得 +2 和 +4 氧化态是相当困难的；
➢ Ce3+(4f1) 和 Tb3+(4f8) 失去一个电子即达稳定 结构，因而出现 +4 氧化态；
➢ Eu3+(4f6) 和 Yb3+(4f13) 接受一个电子即达稳定 结构，因而易出现 +2 氧化态 。
IA-IIA IIIA-VIIIA IIIB-VIIIB La系
IB-IIB
Ac系
周期
核
7s
7p
7
外
6s
6p
6d
6
电
子
5s
5p
5d
5f
5
填
充
4s
4p
4d
4f
4
顺
序
3s
3p
3d
3
图
2s2p2源自1s12.1.1.2 镧系元素自由原子的基态电子组态
根据能量最低原理，镧系元素自由原子的基态 电子组态有两种类型：
89 Ac 6d17s2
遵循洪特规则，即等价轨道全充满、半充满或全空的状
态比较稳定。
稀土元素原子核外电子的分布（电子构型）
稀土元素的价电子层结构和氧化态
原子 序数
符号
原子价电子 层结构
RE2+
氧化态 RE3+
RE4+
21
Sc
3d14s2
—
39
Y
4d15s2
—
57
La
5d16s2
—
58
Ce
4f15d16s2
稀土元素的电子结构和镧系收 缩ppt课件
2.1 稀土元素的自由原子和离子体系的能量
2.1.1稀土元素自由原子和离子的基态电子组态
2.1.1.1电子组态
由n和l(n为主量子数，l为角量子数)所决定的一 种原子(或离子)中的电子排布方式，称为电子组态。 电子组态用符号nlan′l′b…来表示，a和b分别代表占 据能量εnl和εn′l′的单电子状态的电子数。
4f14
71
Lu
4f145d16s2
—
[Ar]
[Kr]
[Xe] 4f1 4f2 4f3 4f4 4f5 4f6 4f7 4f8 4f9 4f10 4f11 4f12 4f13 4f14
— — — [Xe] 4f1 4f2 — — — — 4f7 4f8 — — — — —
排布原理： 1.能量最低原理 2.保里原理 3.洪特规则
[Xe]4fn6s2和[Xe]4fn-15d16s2 其中[Xe]＝1s22s22p63s23p63d104s24p64d105s25p6。
La后其它的元素，电子填充4f轨道，两种情 况4fn-15d16s2 ；4fn6s2 ШB族基态价电子层结构
21 Sc 3d14s2 1s22s22p63s23p63d14s2 39 Y 4d15s2 1s22s22p63s23p63d104s24p64d15s2 57 La 5d16s2 1s22s22p63s23p63d104s24p64d105s25p65d16s2
4f2
59
Pr
4f36s2
—
60
Nd
4f46s2
4f4
61
Pm
4f56s2
—
62
Sm
4f66s2
4f6
63
Eu
4f76s2
4f7
64
Gd
4f15d16s2
—
65
Tb
4f96s2
—
66
Dy
4f106s2
—
67
Ho
4f116s2
—
68
Er
4f126s2
—
69
Tm
4f136s2
4f13
70
Yb
4f146s2
2 3 4 43 3 2
1SPDFGHIKLMNQ 3PDFGHIKLMNO 5SPDFGHIKL 7F
4 648473422 6 5 9 79 6633 32322
2SPDFGHIKLMNOQ4SPDFGHIKLMN6 PDFGHI8S
2571010997542 2 26575533
7 13 17 41 47 107 73 198 119 295
例如镧的一种电子组态 1s22s22p63s23p63d104s24p64d105s25p65d16s2，表示占 据能量为ε1s的单电子状态的电子数为2，占据能量 为ε2s的单电子状态的电子数为2，占据能量为ε2p的 单电子状态的电子数为6等。
电子组态
构造原理:多电子原子中电子在轨道上的排布规律称为 “构造原理”。 基态原子的电子在原子轨道中填充 排布的顺序通常为： ls， 2s，2p， 3s，3p， 4s，3d，4p， 5s，4d， 5p， 6s，4f，5d，6p， 7s，5f，6d … … 据此可写出大多数原子基态的电子组态。在某些 特殊情况下，上述填充排布的顺序稍有变化。 构造原理图示如下, 这也是元素周期律的基础。
119 327
91 364 1001 2002 3003
3432
2.1.2.2 影响镧系原子和离子能级的因素
➢ 对于电荷为+Ze的原子核和n个电子(质量为m，电 荷为-e)组成的体系，在核静止条件下，体系的 Schrodinger方程式中的Hamilton算符的形式为:
➢ 其中第一项求和为n个电子动能算符，Δi是作用于第i 个电子的空间坐标(ri，θi，φi)上的Lap1ace算符，h 为planck常数；第二项求和为电子与电荷为z的核作 用的势能算符；第三项求和为电子间相互作用能算 符；第四项求和为电子内旋-轨道相互作用能算符，ζ 是自旋-轨道偶合常数。
2.1.2 镧系原子和离子在基组态时能级的分裂
2.1.2.1镧系原子和离子在基组态时体系的状态
组态
Ln3+
谱项
谱 项
J级能
状态 数
数数
f1、f13 Ce3+、Yb3+ 2F
1 2 14
f2、f12 f3、f11 f4、f10 f5、f9 f6、f8
f7
Pr3+、Tm3+ 1SDGI 3PFH