镧系和锕系元素的价电子构型特点
无机化学 第二十二章：镧锕系元素
7
双峰效应
8
离子半径: Ln3+半径单调下降，其它价态的离子半径变化也和
Ln3+相似。在Gd3+处，出现离子半径减小幅度变小 的现象, 叫钆断效应。 ( Gd3+: 4f 7 )
Gd3+
9
6. 离子颜色
8
f-f 跃迁：由于f轨道深埋在原子内部，受到屏蔽而同环 境相隔绝，即外场对光谱分裂作用的影响很小，因而吸 收光谱带特别窄。对过渡元素来说，环境对d轨道影响 很大，因而d-d光谱吸收带很宽。
13
8. 化学性质
（1）单质 镧系金属在酸、碱性介质中，都是较强的还 原剂，其还原能力仅次于碱金属和碱土金属，
Ln3+/Ln < -2.2V, Ln(OH)3 /Ln < -2.7V, 金属活泼性：Sc<Y<La, LaLu 依次递减， La最活泼
a. 在空气中很容易失去光泽，在氧气中加热时，它们都生
b. +Ⅲ氧化态最常见，同时也是最稳定的氧化态。它
反映了ⅢB族元素的氧化态特点，但也有+Ⅱ,+Ⅳ氧 化态 (f 0, f 7, f 14)， 如：Sm2+, Eu2+, Tm2+，Yb2+，Ce4+, Pr4+, Tb4+
c. 对于Ce2+, Dy4+，不能完全从全空、全满、 半空等情况来考虑，还有其它热力学因素和动力 学因素，如离子水合热
d. 溶液中稳定氧化态有：Ln3+、Eu2+(4f 7)、
Yb2+(4f 14)、Ce(IV)(4f 0)
5
5. 原子半径和离子半径
6
镧系收缩 镧系元素的原子半径和离子半径在总的趋势上都
镧系和锕系元素
镧系元素的原子半径、离子半径
原子 元素 金属原子 离子半径/ pm 序数 符号 半径/pm RE2＋ RE3＋ RE4＋
57 La 187.7
106.1
58 Ce 182.4
103.4 92
59 Pr 182.8 60 Nd 182.1 61 Pm 181.0
101 96.4 63 Eu 204.2 109 95.0
25.2.2 镧系收缩 镧系元素的原子半径和离子半径，随着原子序数的增大而缩小。①相邻
元素原子半径只差1pm左右，即在镧系内原子半径呈缓慢减少的趋势。②但 14种元素的原子半径递减累积减少14pm，使镧系后边Hf和Ta的原子半径和 同族的Zr和Nb的原子半径极为相近。
原子半径的收缩比离子半径的收缩小得多。由于镧系收缩，Y3+半径（ 88pm）落在Er3+(88.1pm)附近，Sc3+的半径接近Lu3+，在自然界中Y，Sc常 同镧系元素共生，成为稀土元素成员。
Lu 4f145d1.
另3 镧一系方元面素，的另激氧发一化的态结方果面增加，了一激个发成键的电子结，果成键增时可加以多了释一放出个一份成成键键能电。子，成键时可以多释放出一份成
蓝镧Ce：系，键跃铕 元Pr激素，能 迁活（Tb。 ,的L，n但硅）D对y酸、常少盐钪大呈基数（现多质S出c原、）+数4铕、氧子激钇镧化活(，态Y系的)，，如磷而共的酸SE1m7盐原种u，基元和E子质u素，Y总,T其bm称，，为成Y稀b由则键土显元于能示素4+（大2fR氧E于化轨）态。激道。 发处能于，半从满而和导全致满4的f 电稳子定向状态5d，电要子
f 区元素在周期表中的位置如图所示：
25.2 镧系元素的电子结构和通性
25.2.1 镧系元素的价电子层结构
黄冈师范学院-无机化学课外作业(第25章)
无机化学课外作业（第25章）黄冈师范学院出题人：夏海建一.选择题（选出一个最合适的答案，并将其代号写在答题纸上。
）1.下列元素分别属于镧系元素和锕系元素的是（D）A. La、Ce、Pr和Os、Ir、PtB. La、Ce、Pr和Ru、Rh、PdC. Cu、Ag、Hg和Ac、Th、PaD. La、Ce、Pr和Ac、Th、Pa2.下列镧系和锕系元素的电子构型有误的是（A）A.镧 La 4f16s2B.锕 Ac 6d17s2C.铈 Ce 4f15d16s2D.铀 U 5f36d17s23.玻璃中因含有三价铁的化合物而使玻璃呈现黄绿色对玻璃的透明度有很大影响为了改善玻璃的透明度工业上常用的脱色剂是（B）A. ThO2B.CeO2C. Ce2O3D.Ce4.下列说法不正确的是（C）A.金属铕和镱的密度较低、熔点也比较低、升华能也比相邻的元素低.B.镧系金属离子一般具有很漂亮的颜色.C.镧系金属元素一般能形成稳定的+Ⅱ、+Ⅲ氧化态.D.镧系元素的原子半径和离子半径随着原子序数的增加而保持较小的趋势变化。
5.下列稀土元素中能形成氧化数为 +2 的是（D）A.CeB.PrC.TbD.Yb二、填空题（在空白处填上你认为合理的答案。
）1.镧系和锕系分属第六周期和第七周期同属于ⅢB 族元素统称 f区或内过渡元素。
2.稀土元素是指周期表中镧系元素镧在内的 15 种元素和ⅢB 族中的钪（Sc）、钇（Y）共 17 种元素。
3.稀土元素的分离、提取的方法很多，其中有化学分离法、离子分离法、溶剂萃取法。
4.d 区金属元素中密度最大的是锇（Os），熔点最高的是钨（W），硬度最大的是铬（Cr），原子化热最大的是钨（W），展性较好的是金（Au），延性较好的是铂（Pt）。
5.铂系金属一般是优良的催化剂（易于变价）、生成配位化合物（d轨道未充满电子）、磁性（d轨道有未成对电子）。
三、问答题（按要求作答，合理就可。
）1. 为什么La3+的化学类似于轻镧系元素而Y3+的化学却反而类似于重镧系元素？答：ⅢB 族元素从上到下离子半径增大而因镧系收缩重镧系元素的离子半径都小于轻镧系元素的离子半径这样Y3+的离子半径与重镧系元素相似故其化学元素类似于重镧系元素La3+在镧系最前列半径与轻镧系离子相近故其化学类似于轻镧系元素。
元素周期表中的内过渡金属元素特性
元素周期表中的内过渡金属元素特性元素周期表是化学家们用来分类和组织化学元素的一张表格。
通过对元素周期表的研究，科学家们逐渐了解了不同元素的特性和行为。
在元素周期表中，内过渡金属元素是一类重要的元素，具有独特的特点和性质。
本文将介绍内过渡金属元素的特性，包括电子结构、化学反应和应用领域。
一、电子结构内过渡金属元素是指周期表中d区的元素，包括镧系和锕系元素。
它们的电子结构具有一定的特点，主要体现在d轨道的使用上。
内过渡金属元素的轨道层级为(n-2)f^(1-14)(n-1)d^0-10ns^0-2，其中n表示元素所在的主能级。
由于f轨道占据在d轨道之前，内过渡金属元素的电子结构复杂多样，使其具有丰富的化学行为和多种配位方式。
二、化学反应内过渡金属元素在化学反应中表现出独特的特性。
首先，内过渡金属元素的化合价较高，常见的化合价为+2和+3。
内过渡金属元素可以通过氧化还原反应改变氧化态，以适应不同环境的要求。
此外，内过渡金属元素还可以形成不同的配合物，与其他原子或离子形成稳定的配位化合物。
内过渡金属元素也具有良好的催化性能。
许多内过渡金属元素在化学反应中作为催化剂发挥重要作用。
例如，铁、铂和铑等元素被广泛应用于氢气的加氢反应和有机物的氧化反应。
内过渡金属元素的催化性能主要与其电子结构和配位方式有关。
三、应用领域内过渡金属元素具有广泛的应用领域，主要体现在以下几个方面。
1. 金属合金：内过渡金属元素具有良好的强度和耐腐蚀性，在金属合金中起到增加硬度和耐久性的作用。
例如，钛合金中的钛是一种重要的内过渡金属元素，具有轻质、高强度和耐热性的特点，被广泛应用于航空航天工业和生物医学领域。
2. 催化剂：如前所述，内过渡金属元素在化学反应中具有良好的催化性能。
它们可以提高反应速率、降低反应温度，并在合成化学、能源转化和环境保护等领域起到重要作用。
3. 发光材料：内过渡金属元素可以作为荧光粉等发光材料的组成部分。
例如，铑和镧被广泛用于制备LED、荧光灯等发光材料，具有高亮度和长寿命的特点。
课件无机化学25 f区金属 镧系与锕系金属
71
镥
Lu
4f14
5d1
6s2
第25章 f区金属—镧系与锕系金属
+III氧化值是所有Ln元素的特征氧化值。
+4
Hf4+ Pr La Tb
+3
Ce
Nd Pm
Gd
Dy Ho Er Tm
Lu
+2
Ba2+
Sm Eu Yb
第25章 f区金属—镧系与锕系金属
2. 轻希土和重希土元素分别指哪些元素？ 稀土的英文是 Rare Earths，18 世纪得名， “稀”原指稀贵，“土” 是指其氧化物难溶 于水的 “土” 性. 其实稀土元素在地壳中的 含量并不稀少，性质也不象土，而是一组活泼 金属， “稀土” 之称只是一种历史的习惯 。 根据 IUPAC 推荐，把 57 至 71 的 15 个元 素称为镧系元素，用Ln 表示 ，它们再加上 39 号的 Y 称为稀土元素，用 RE 表示 。
第25章 f区金属—镧系与锕系金属
210 205 200 195 190
La Yb
Ln原子半径
Eu
Ln
185
Ce Pr Nd
180 175 170 La Ce Pr Nd
Pm
Sm
Gd Tb Dy Ho Er Tm
Lu
Pm
Sm
Eu
Gd
Tb
Dy
Ho
Er
Tm
Yb
Lu
第25章 f区金属—镧系与锕系金属
115 Ln离子半径 110 105 100 95
第25章 f区金属—镧系与锕系金属
磁光材料：指在紫外到红外波段，具有磁光 效应的光信息功能。如磁光光盘等。
镧系-锕系元素-2011.4
rM 3+
K稳
r/pm 97.9 △/pm 1.5
96.4 1.4
95.0
93.8 1.2
92.3 1.5
90.8 1.5
类似的现象还出现在镧系元素的配位
64Gd
化合物的稳定常数中。 这种现象被称之为Gd断效应。
原子序数
64Gd位于15个镧系元素所构成的序列的正中央，其＋3价离 子有半充满的 f7 稳定结构，这种结构的电子屏蔽效应大，有效
镧系元素除以上原子半径的“双峰”变化外，还有一些规律 性
1、镧系元素存在的奇偶变化
镧系元素在地壳中的丰度随原子 序数的增加而出现奇偶变化的规律： 原子序数为偶数的元素，其丰度总 是比紧靠它的原子序数为奇数的大。
除丰度之外, 镧系元素的热中子
吸收截面也呈现类似的奇偶变化规 律性。
2、Gd断效应
在镧系元素的离子半径的变化中，在具有f7的中点64Gd3+处 微有不连续性, 由其相邻离子半径的差值的大小可以看出：
第二十二章
Chapter 22
镧系-锕系元素
The Lanthanide Series and
Actinide Elements (2010级使用)
本章教学要求
1. 掌握镧系元素的电子层结构及其与性质的关系； 2. 通过与镧系元素对比了解锕系元素的特性；
3. 掌握镧系收缩的实质及其影响；
4. 熟悉镧系元素的主要化合物； 5. 了解稀土元素的分布及其应用。
特点
原子半径缩小缓慢，相邻元素 递减1pm，总的缩小 约14pm。
57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71
第21章镧系元素和锕系元素
注：Tb3+略带淡粉红色。
① La3+，Lu3+和 Y3+离子是无色的
(可见光波长范围 400~760nm)
在可见光区没有吸收带，La3+(4f0)和 Lu3+(4f14)没有未成对电子之故。 ② Ce3+,Eu3+,Gd3+和 Tb3+的吸收带的波长全部或大部分在紫外区，无色； ③ Yb3+离子吸收带的波长在近红外区域，无色； ④ 其余 Ln3+离子在可见光区有明显吸收，离子有颜色，有些颜色非常漂亮（如 Pr3+，Nd3+，Er3+等） 。 5．标准电极电势 镧系金属是较强的还原剂，其还原能力仅次于碱金属 Li，Na，K 和碱土金属 Mg，Ca，Sr，Ba，且随着原子序数增加，其还原能力逐渐减弱。 Ln2+离子也是强还原剂。Ce4+是强氧化剂，能被水缓慢地还原。Pr4+是也很强 的氧化剂，Pr4+/Pr3+电对的标准电极电势值为+2.28V，这表明，Pr4+不能在水溶液 中存在。 21.1.2 镧系金属
6 7 13 14
+IV (Ce，Pr，Tb，Dy) Ce(4f0)，Pr(4f1)，Tb(4f7)，Dy(4f8)；
减小的现象称为镧系收缩。 原子半径：除 Eu 和 Yb 反常外，从 La---Lu 略有缩小。
Eu 和 Yb 反常
铕和镱的金属晶体 电子构型是半充满 4f7 和全充满 4f14。
中，它们仅仅给出 2 个电子形成金属键，原子之间结合力不像其它镧系元素那样 强。所以金属铕和镱的密度较低，熔点也较低。 离子半径：缩小快。 镧系收缩是无机化学的重要现象之一 ① 镧系收缩，使钇成为稀土元素的成员，Y 常与重稀土元素共生 ② 镧系收缩，使 IVB 族中的 Zr 和 Hf，VB 族中的 Nb 和 Ta，VIB 族中的 Mo 和 W，三对元素的半径接近，化学性质相似，分离困难。 4．离子的颜色 一些氧化数为+Ⅲ的镧系离子有很漂亮的颜色。如果负离子无色，在盐的晶 体和水溶液中都保持 Ln3+的特征颜色。 以 Gd3+离子为中心， 从 Gd3+到 La3+的颜色变化规律又在从 Gd3+到 Lu3+的顺序 中重现。这就是 Ln3+离子颜色的周期性变化。
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
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
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。
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。
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
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:
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
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
无 机 化 学 电 子 教 案
无 机 化 学 电 子 教 案
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，
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 69Ln）、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）。