第十四章 镧系和锕系元素

概述稀土元素

核反应和超铀元素的合成本章要求

元素周期表

镧系

锕系镧 铈 镨 钕 钷 钐 铕 钆 铽 镝 钬 铒 铥 镱 镥

锕 钍 镤 铀 镎 钚 镅 锔 锫 锎 锿 镄 锘 铹钔Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr

La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71

89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103

114 116 118

1

2

3

4

5

6

7 钅钅 钅 钅喜 波 黑 麦卢 钅杜钅钫 镭

铌

钽

银

金

镉

汞

铟

铊

锡

铅

锑

铋

碲

钋 砹 氡

氙碘铷

铯

锶

钡

钇 锆

铪

钼

钨

锝

铼

钌 铑 钯

锇 铱 铂

氢

锂

氦

铍 硼 碳 氮 氧 氟 氖

钠 镁 铝 硅 磷 硫 氯 氩

钾 钙 钪 钛 钒 铬 锰 铁 钴 镍 铜 锌 镓 锗 砷 硒 溴 氪Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe

Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn

IB

IA

IIA IIIA IVA VA VIA VIIA

VIII IIBIIIB IVB VB VIB VIIB

Rf Db Sg Bh Hs MtUun Uuu UubAc-Lr

H He

Li Be B C N O F Ne

Na Mg Al Si P ClS Ar

K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr

Rb

Cs

Fr

Sr

Ba

Ra

Y

LaLu-

1 2

3 4 5 6 7 8 9 10

11 12 13 14 15 16 17 18

19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36

37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54

55 56 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86

87 88 104 105 106 107 108 109 110 111 112

57

89103-

-71

镧系

锕系镧 铈 镨 钕 钷 钐 铕 钆 铽 镝 钬 铒 铥 镱 镥

锕 钍 镤 铀 镎 钚 镅 锔 锫 锎 锿 镄 锘 铹钔Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr

La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71

89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103

一、概述 ： f 区元素包括周期系中的 La 系元素（ 57La～ 70Yb ） 和 Ac 系 元 素 （ 89Ac ～ 102No ） 共 28 种 元素， La 系元素中只有 61Pm 是人工合成的，具有放射性， Ac 系元素均有放射性。超铀元素—— Ac 系元素中 92U 以后的元素多数为人工合成，称超铀元素，镎（ Np ）、钚（ Pu ））自然界中有微量存在。 稀土元素——Ⅲ B 中的钇（ Y ）、镥（ Lu ）和La 系元素，共 16 种元素性质相似。在矿物中常共生在一起。故总称为稀土元素，常用 RE（ Rare Earth ）表示。 内过渡元素—— f 区元素在价层电子填充上的特征是基本上新增电子填在 (n-2)f 亚层（即倒数第三层的 f亚层上），所以称内过渡元素。

概述

概述（一）价层电子构型和氧化数： La 系元素价层电子构型一般为 4f1-145d0 ～ 16S2

， 其 中 La （ 4f05d16S2 ， 4f 为 全空 ） ， Gd （ 4f75d16S2 ， 4f 半 充 满 ） 及Ce(4f15d16S2) ， 5d 轨道上有 1 个电子，其余 La系元素新增电子均在 4f 轨道上。 在氧化数上，表现属Ⅲ B 的特征 +3 氧化数，此外还有 +4及 +2 氧化数的表现，即部分 4f 电子也参与成键。不同 La 系元素它们在氧化数的稳定性上不同，从 La～ Gd 和从 Gd～ Lu 氧化数变化出现两个周期。La 系元素中还有其他的一些氧化数（ +4、 +2 ）表现。

概述

Ac 系元素由于 5f、6d、7s 轨道能级更加接近，电子跃迁更复杂，所以原子光谱复杂，故 Ac 系元素原子基态的电子层结构的确定也较困难，氧化数：由此可知，氧化数有 +3 ，更有 +2、+4、+5、+6、+7 等其他的氧化数化合物。

（二）原子半径、离子半径和镧系收缩1 、原子半径： 在 La 系元素中，由于 4f 电子对原子核的屏蔽效应

较大，所以随着原子序数的增加，有效核电荷缓慢增大，结果使原子半径缓慢缩小，这种现象称为 La 系收缩。使 Eu（ 4f7 ）和 Yb（ 4f14 ）两个地方出现原子半径骤然增大的现象。

概述Ln原子半径

La

Pr NdPm Sm

Eu

GdTb Dy Ho Er

Tm

Yb

Lu

Ce

170

175

180

185

190

195

200

205

210

La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu

Ln

概述

La 系元素原子半径在 Eu、 Yb 两处出现骤升的峰值现象与它们的第一、二、三电离能总和随着原子序数增加而增加，但在 Eu、 Yb 出现骤升的峰值和 La 系元素的熔点随着原子序数的增加在逐渐升高过程中 Eu、 Yb 处出现陡降的谷值的现象合在一起，称 La 系元素性质递变的“双峰效应”。

2 、离子半径特点：① La3+ 离子半径在 86.8 ～ 103.2Pm

间，比相同氧化数的其它金属离子较大（ r =53.5Pm ， r =61.5Pm ， r =64.5Pm， r =63Pm ）。

3Al

3Cr

Al

3Fe 3Co

概述 ②La3+ 半径变化十分规律，如图所示，逐渐减小，不同于原子半径有峰值出现，这是因为 La3+ 已无 6s和5d 电子最外层皆为 5s25p6 结构，随 La→Yb 有效核电荷增加，离子半径逐渐减小。同时，有效核电荷的增加比原子中显著，（因无 6s5d 电子核受屏蔽减弱，使有效核电荷增加）。总共收缩了 16.4Pm ，（原子半径只收缩 10.3Pm ）。 影响：由于 Ln3+ 所带电荷相同，且 Ln3+ 的构型及半径相差不大，所以 Ln3+ 性质极为相似：离子化合物的溶解度、氢氧化物的酸碱性、配合物的稳定常数、离子晶体的晶格能等彼此都很接近，从而造成 Ln3+ 间分离困难。

概述Ln离子半径

Sm

Eu

TmYb

La

Ce

Pr

Nd

PmSm

EuGd

TbDy

HoEr

TmYb

Lu

Ce

Pr

Gd Tb

80

85

90

95

100

105

110

115

La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu

Ln(+I I )Ln(+I I I )Ln(+IV)

概述3 、 La 系收缩的后果：① 受其影响，铕（ Eu ）以后的 La 系元素的离子半

径接近于钇（ Y ），构成性质极为相似的一组元素，称为钇组元素，它们在自然界共生，性质十分相似，难于分离。

② 受其影响，第三过渡系与第二过渡系的同族元素在原子半径和离子半径上相近，其中尤以Ⅳ B 的 Zr和Hf，Ⅴ B 的Nb和 Ta，Ⅵ B 的Mo和W 更为相近，以致 Zr和 Hf、 Nb与 Ta、Mo和W 性质非常相似，分离十分困难。

Ac 系元素也有 Ac 系收缩现象。

概述（三）金属活泼性： La 系单质均为活泼金属，活泼性仅次于碱金属而与

Mg 接近，所以都是强还原剂。例：①不太高的温度下，可与 O2、 S 、Cl2、N2 等反应，

所以冶金工业中常用作脱硫剂，脱氧剂，在无线电真空技术中用吸气剂。

② 与水作用，其置换出氢气。③与酸反应更激烈。 Ac 系金属也是活泼金属和强还原剂，易与 O2 、卤素、

酸等反应。因此，制取方法：只能用电解其熔融盐，或高温下用活泼金属（如 Ca ）还原其卤化物的方法。

概述（四）离子的颜色 许多 Ln3+ 在晶体和水溶液中均有颜色， Ac

系元素在离子的颜色上表现得相似，因均为 f电子对光的吸收造成的。

稀土元素二、稀土元素（一）稀土元素的资源 我国稀土资源有五大特点：储量大、分布广、类型多、

矿种多、品位高。根据硫酸复盐溶解度不同，可将稀土元素分为铈组和钇组： 铈组（ La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm 、）硫酸

复盐较难溶 钇组（ Eu、Gd、Tb、Dy、 Y 、Ho、Er、Tm、

Yb、 Ln ）硫酸复盐较易溶

稀土元素（二）稀土元素的提取： 由于稀土元素及其 +3 价态的化合物性质很相似，它们在

自 然 界 共 生 ， 且 在 矿 物 中 又 常 与 杂 质 元 素（U、 Th、Nb、 Ta、 Ti、Zr、Si、 F 等）伴生，分离难度大。

1 、溶剂萃取法： 萃取分离法是利用被分离的元素在互不相溶的液相中分

配的分配系数不同来进行分离的。 工业上已采用 RECl3-HCl-P507煤油体系和 RE(NO3)3-HNO3-P507煤油

体系萃取分离 15 种稀土元素。 2 、离子交换法（离子交换色层分离法）：

稀土元素（三）稀土元素的应用： 据统计，目前世界稀土有 70%左右消耗于材料方面。稀土材料应用之广遍及国民经济各个领域和行业：冶金、石油化工、轻工、光学、磁学、电子、生物医疗和原子能工业等。稀土金属在电子材料、原子能材料、药物合成及超导技术等高新技术领域的应用也日益广泛，稀土储氢材料（如 LaNi5， La2Mg17 等）用于 H2

的储运、能源的检验、制冷及提纯氢等方面。

核反应和超铀元素的合成三、核反应和超铀元素的合成 核反应分为四种类型：放射性衰变、粒子轰出原

子核、核裂变及核聚变。1 、放射性衰变 天然 放 射 性 是指不 稳 定 原 子 核 自发放 出α、 β、 γ 射线的现象。大量的同种原子核因放射性而陆续发生转变，使处于原状态的核数目不断以下三种： （ 1 ） α衰变 （ 2 ） β 衰变 （ 3 ） γ 衰变 。

人工放射性核素还有其它衰变方式，如正电子 β 衰变、电子俘获等。

核反应和超铀元素的合成2 、放射性的应用 放射性核素的射线具有高能量，当射线与物

质相互作用时，物质受到激发，可以引发本来不发生的化学或生物过程，促进或抑制化学或生物过程的变化。在工农业、医学卫生、科学技术以及人类日常生活中利用放射性的实例很多。

近年来出现一门新学科——辐射化学，专门研究物质因受高能电离射线的影响而产生的化学效应，如辐射聚合、辐射接枝、辐射催化、辐射合成等。

核反应和超铀元素的合成（二）粒子轰击原子核和新元素的合成1 、新元素的合成 粒子轰击是指某原子核受高速粒子如氦核（ α）、

质子（ P ）、中子（ n ）、氘核（ D ）、氚核（ T）等的轰击，变成另一种原子核，同时放出另一种粒子的核反应。利用这类核反应可人工获得超铀元素。目前已合成了从 104号到 112号超铀元素， 1999年有关于合成 114、 116和 118号元素的报道，但获得的原子数极少，寿命短，难以进行化学研究。

2 、新元素的命名

核反应和超铀元素的合成（三）核裂变和原子弹 原子核被轰击后，分裂为较轻的裂块和较重的裂块，同时放出中子的过程，称为核裂变。急剧裂变反应会引起爆炸，从而可制原子弹。

（四）核聚变和氢弹 一些质量很轻的化学元素（主要是氢的核素氘

和氚）的原子核，在高温（亿度以上）下可以聚合为较重的元素，同时放出大量的能量，这个过程称核聚变。

基本要求 了解 La 系和 Ac 系元素的通性，我国

稀土元素概况及核反应的类型