第7章--锕系元素知识讲解
锕系元素简介
1940 年，美国科学 E·M·McMillan （麦克米伦）等制得 93 号元素镎 Np
表明人类终于具备了制造出自然界不 存在的超铀元素的能力。
从此以后, 92 号铀之后的人造 元素一个接一个地被造出来，直到 1961 年制得锕系最后一个元素 103 号铹 Lr。
核化学的重要研究内容 一是核裂变和核聚变的研究， 直接涉及新能源的开发。
6 21H
2 42He + 2 1H1 + 2 10n
放出 43.15 MeV能量
平均每个 1H2 放出约 7.2 MeV 的能量。
核聚变反应的燃料 1H2（氘）， 在地球上真可谓无穷无尽，而且反应
产物对环境污染很小。
但是自然界中，只有在太阳等恒星 内部，才能达到 108 ℃ 的温度使氢核具 备的动能足以克服相互之间的斥力，发 生持续的聚变——热核反应。
从而门捷列夫元素周期表的 前 118 个位置，7 个周期已完全 填充。
不容乐观的事实是随着原子 序数的增大，原子核的半衰期迅 速缩短 。
104 号元素的核素中半衰期最长的 为 65 秒，107 号只有 2 10-3 秒。
新核素的寿命太短，如何通过元素 的鉴定以明确其性质、印证其结构，是 合成新元素所面临的极为严重的挑战。
二氧化钍为白色粉末，熔点 3390 ℃ ，是 熔 点最 高 的 氧 化 物，只能溶于硝酸和氢氟酸所组 成的混合酸中。
钍最重要的工业用途与铀相 似，是开发原子能的原料。
自然丰度为 100% 的2329T0h 受中 子照射后转化成2339T0h ，后者经两次 衰变可得重要的核裂变材料2339U2。
22. 6 超铀元素与核化学
锕系元素全部为放射性元素。
92 号元素是 U，92 号以后的 超铀元素均为人工元素，即人工核 反应产物。
镧系元素和锕系元素[知识研究]
![镧系元素和锕系元素[知识研究]](https://img.taocdn.com/s3/m/9dfa421d852458fb770b5687.png)
颜色浅，有金属光泽，软，延展性好 。
化学性质活泼，次于 IA 和 IIA 族元素，比金属铝活 泼。
2 La + 6 HCl
2 LaCl3 + 3 H2
2 La + 6 H2O
2 La (OH)3 + 3 H2
专业知识
5
2Ce + 3Cl2 Ce + O2
△
2CeCl3 CeO2 (IV)
Sc Y La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er ••• 活泼
13
纯无水盐可采用氧化物 Ln2O3 氯化的方法，并加入 些碳粉制备。
△
Ln2O3 + 3C + 3Cl2
2 LnCl3 + 3CO
(2) 草酸盐
难溶于水、稀酸，可将镧系金属离子与其它金属分 离。
向硝酸盐或氯化物的溶液中加 6 mol ·dm3 硝酸和草
酸，可得到草酸盐沉淀。
专业知识
14
3 配位化合物
“磷光”：若激发停止发光继续存留。
专业知识
8
含稀土元素的发光材料已得到应用。
如荧光灯：基质是磷灰石，掺Sb3＋发蓝光，掺Eu2＋ 发桔黄色光，两者均掺得近似于日光的白光。
如彩电：高级三基色灯中的三基色荧光粉是含有稀土 金属离子的物质。
上转换材料：稀土磷光材料中 ，发射光频率高于激
发光的频率。如：YF3NaLa(WO4)2 和 -NaYF4 做基质， 掺 Eu3＋ 和 Yb3＋ 分别做激活剂和敏化剂。
稀土元素中，金属活性最强的是 La。
专业知识
6
2 镧系化合物的颜色
f－f 跃迁引起。
f x 和 f 14-x 电子构型的离子具有相同或相近的颜色。
镧系和锕系元素
镧系元素第一个f电子在铈原子出现，随着原子序数增 加，4f轨道中电子的填充出现两种类型：[Xe]4f n6s2和 [Xe]4fn-15d16s2 。 La 的 价 电 子 构 型 为 4f05d16s2 ， Ce为 4f15d16s2，Gd为4f75d16s2，Lu为4f145d16s2，其余镧系 元素原子为4fn 6s2 。镧系元素原子的电子构型按照哪 一类型排列，符合洪特规则的特例。一般情况下，等 价轨道全充满、半满或全空的状态是比较稳定的。
镧系金属
镧系金属为银白色金属，比较软，有延展性，但抗拉 强度低。镧系金属的活泼顺序，从La到Lu递减，它们 的活泼性仅次于碱金属和碱土金属。当它们与潮湿空 气接触时易被氧化而变色。因此，镧系金属应在隔绝 空气条件下保存，可保存在煤油里。
镧系金属的密度基本上是随着原子序数的增大而 递增，从La(6.17g·cm-3)到 Lu(9.84 g·cm-3)逐渐 增加。但Eu(5.26 g·cm-3)和Yb(6.98 g·cm-3)的密 度比它们各自左右相邻的两种金属都小。这是由于Eu 和Yb的4f轨道分别处于半充满和全充满状态，对原子 核的屏蔽效应增大，有效核电荷降低，导致核对外层 电子的引力减小，使得它们的半径突然增大。
原子序数
铕和镱出现反常现象， 这是因为它们的电子 构型分别是半充满 4f7 和全充满4f14 ，这 两种结构比4f电子层 未充满的其他状态对 核电荷有更大的屏蔽 作用。
原子半径 /pm
镧系元素的原子半径除Eu和Yb反常外，从La到Lu略有 缩小的趋势，但缩小程度不如离子半径。这是由于镧系 元素原子的电子层比相应的离子多一层，它们的最外层 是6s2，4f居于倒数第三层，它对原子核的屏蔽作用很强 ，接近100 %，因而镧系元素原子半径收缩的效果就不 明显了。
镧系元素和锕系元素
经过高温灼烧的 Ln2O3 在强酸
中的溶解性较差，灼烧温度较低的溶
解性较好。 镧系的氧化物与酸反应形成镧系
的盐类 。
例如
La2O3 + 6 HNO3 —— 2 La （NO3） 3 + 3 H2O Dy2O3 + 6 HCl —— 2 DyCl3 + 3 H2O 将溶液浓缩后，均可得到结晶水合物
具有 f3，f4，f5 和 f10，f11 结构的
+3 价离子呈现浅红色和黄色； 具有 f6，f7，f8 结构的 +3 价离子， 吸收峰全部或大部分在紫外区，所以 无色或略带粉红色。
镧系元素的一些简单化合物，如
Ln2O3 和 Ln （OH） 3 等的颜色基本与对
应的 Ln3+ 相同，这是因为它们的显色
HCl —— △
LnCl3 + 6 H2O
采用氧化物氯化的方法制备纯无 水盐，需要在反应体系中加入碳粉， 通过热力学耦合，使反应进行完全。
HCl Ln2O3 + 3 C + 3 Cl2 —— △
2 LnCl3 + 3 CO
制备无水氯化物的最佳方法 应是金属的直接氯化 。
（2） 含氧酸盐
硫酸与镧系金属，镧系氧化物、 氢氧化物反应，均可得到镧系的硫 酸盐。硫酸与镧系碳酸盐等弱酸盐 反应，亦可得镧系的硫酸盐。
化学反应的实质总是与酸或碱有关 。
氢氧化钠分解法和硫酸分解法
的反应实质分别为
△
LnPO4 + 3 NaOH ——
Ln （OH） 3↓ + Na3PO4
△ 2 LnPO4 + 3 H2SO4 ——
（ ）3 + 2 H3PO4 Ln 2 SO4
镧系及锕系元素
类似的现象还出现在镧系元素的配位化
合物的稳定常数中。
64Gd
原子序数
这种现象被称之为Gd断效应。
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，有效核电荷相
对较小，从而使半径收缩幅度减小，碱度增加，导致配合物稳定常
数等性质有所降低，从而出现Gd断的现象。
180.2 204.2 180.2 178.2 177.3 176.6 175.7 174.6 194.0 173.4
111 96.4 109 95.0
93.8 92.3 90.8 89.4 88.1 94 86.9 93 85.8 84.8
告 为 0.98) ， 对 核 电 荷 的 屏 蔽 不 够 完 全 , 使 有 效 核 电 荷 Z* 递 增 ， 核 对 电子的引力增大使其更靠近核； 84 而10%来源于相对论性效应 ，重 元素的相对论性收缩较为显著。
由于镧系收缩的影响，使第
二、三过渡系的Zr和Hf、Nb与Ta 、Mo与W三对元素的半径相近， 化学性质相似，分离困难。
第四页，共19页
原子半径 将镧系元素的原子半径随原子序数的变
化作图，如左图所示。 一方面, 镧系元素原子半径从La的187.7 pm
到Lu的173.4 pm，共缩小了14.3 pm，平均每两 个相邻元素之间缩小14.3/14≈1 pm。尽管平均 相差只有1个pm，但其累积效应(共14 pm)是很 显著的。另一方面，原子半径不是单调地减小 ，而是在Eu和Yb处出现峰和在Ce处出现谷的 现象。这被称为“峰谷效应”或“双峰效应” 。
（2）配位数
Ln3+离子的配位数一般比较大，最高可达12
（3）配合物的类型 （a）离子缔合物 （b）不溶的加合物 （c）螯合物
锕系元素
后，电子才进入能量较高的亚层。
2、泡利不相容原子：在同一原子中，不可能有两
个电子具有完全相同的四个量子数。如果原子中电子
的n、L、m三个量子数都相同，则第四个量子数ms一 定不同，即同一轨道上最多能容纳2个自旋方向相反的 电子。
3、洪特规则：在同一亚层的各个轨道(即等价轨 道)上，电子的排布将尽可能分占不同的轨道，并且自 旋方向相同。
氧化物。 表 锕系元素的氧化物
元素 Ac Ac2O3 氧 化 物 ThO2 PaO2 Pa2O5 UO3 U3O8 UO2 NpO2 Np 2O5 NpO3 Np 3O8 PuO2 Th Pa U Np Pu Am Am2O3 AmO2 Cm Cm2O3 CmO2 Bk Bk2O3 BkO2 Cf Cf2O3 Cf O2
在水溶液中可被空气中的氧氧化为Np4+和 ，在酸性介质中Np3+
被氧化为Np4+时释放出H2。
1） 水解反应 各种价态的镎都容易发生水解，其水解能力 按下列顺序变化： Np4+>NpO22+>Np3+>
NpO2
2）歧化反应 当不存在络合剂时，各种价态的镎都不发生
表 锕系元素的价态 原子 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100101102103 序数
元素 Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr (2) (2) 3 2 3 3 2(2) (2) 3 3 3 2 3 2 3 2 3 2 3 2 3 3
Cm
247
Bk
251
Cf
252
Es
257
Fm
258
Md
镧系元素和锕系元素
镧系配合物的特点
特征配位原子：O 成键能力：O>N>S
Ln3+硬酸
例：水合硝酸镧
La(NO3)3·6H2O 配位数：11
[La(H2O)5(NO3)3]H2O
(3个NO3-双齿配位，5个H2O单齿配位)
水分子配位的水合焓较大： -3278～-3722 kJ·mol-1（计算值）
→非水溶剂或无溶剂条件下 才能得只含N、S配位原子配体的配合物
“中东有石油，中国有稀土”——稀土是公认的战略元素
§ 9-1 镧系元素
二. 稀土金属
1. 稀土金属元素的性质
物理性质：
银白色、柔软金属，具延展性，导电性好 m.p. ：La→Lu↑（Eu、Yb除外）
化学性质：Eo(Ln3+/Ln) 约–2.4 V
活泼性仅次于碱金属、碱土金属
室温在空气中：4Ln + 3O2 → 2Ln2O3 重稀土生成致密氧化膜
§ 9-1 镧系元素 三. 镧系元素的重要化合物
Ln2O3
Ln、Ln(OH)3、Ln2(CO3)3、Ln2(C2O4)3 + O2 灼烧
氢气氛中加热得Ce2O3、Pr2O3、Tb2O3 Ln2O3：高m.p.，不溶于水，溶于无机酸
Ln2O3
Ln(OH)3
不溶于水 （Ln3+易水解）
盐 LnX3
大多数溶于水，硫酸盐、草酸盐难溶
……
重要的β–二酮： 二苯甲酰甲烷DBM 噻吩甲酰三氟丙酮TTA
O SC
R = R ́ = C6H5 R = 2-噻吩基 R ́ = CF3
§ 9-1 镧系元素
四. 镧系元素的光谱性质
2. 镧系元素的电子结构
镧系收缩——镧系元素随f电子数增加，原子半径和 离子半径总体上逐渐减小的现象
化学元素周期表知识点整理
化学元素周期表知识点整理化学元素周期表是化学学科中最重要的工具之一，它以一种有序的方式呈现了各种化学元素的信息。
对于学习化学的人来说，深入理解元素周期表是掌握化学知识的关键。
首先，我们来了解一下元素周期表的结构。
元素周期表是一个长方形的表格，横行称为周期，纵列称为族。
周期表共有 7 个周期，18 个族。
其中，1、2、3 周期称为短周期，4、5、6 周期称为长周期，第 7周期由于尚未填满元素，称为不完全周期。
在元素周期表中，同一周期的元素从左到右，原子序数逐渐增大，电子层数相同，最外层电子数逐渐增多。
而同一族的元素，从上到下，电子层数逐渐增多，化学性质具有相似性。
元素周期表中的元素按照原子序数递增的顺序排列。
原子序数等于质子数，质子数决定了元素的种类。
接下来，我们看看元素周期表中的元素性质呈现出的周期性规律。
原子半径是一个重要的性质。
同一周期，从左到右，原子半径逐渐减小（稀有气体除外）。
这是因为随着核电荷数的增加，对核外电子的吸引力增强，使得原子半径减小。
同一主族，从上到下，原子半径逐渐增大，这是由于电子层数增多，原子核对最外层电子的吸引力减弱。
元素的化合价也呈现出周期性变化。
主族元素的最高正化合价等于它所在的族序数（氧、氟除外），最低负化合价等于最高正化合价减去 8。
金属性和非金属性是元素的重要性质。
同一周期，从左到右，元素的金属性逐渐减弱，非金属性逐渐增强；同一主族，从上到下，元素的金属性逐渐增强，非金属性逐渐减弱。
元素的金属性强弱可以通过单质与水或酸置换出氢的难易程度、最高价氧化物对应水化物的碱性强弱等来判断。
金属性越强，单质与水或酸反应越剧烈，最高价氧化物对应水化物的碱性越强。
元素的非金属性强弱可以通过单质与氢气化合的难易程度、气态氢化物的稳定性、最高价氧化物对应水化物的酸性强弱等来判断。
非金属性越强，单质与氢气化合越容易，气态氢化物越稳定，最高价氧化物对应水化物的酸性越强。
再说说元素周期表中的分区。
锕系元素
高等无机化学专题报告1.锕系元素概论2.锕系元素的制取和分离3.锕系元素金属的制备4.锕系元素重要化合物的制备5.锕系元素的应用组员：周冬彭淳容张美红锕系元素1．锕系元素概论人们把原子序数自89号锕起至103号铹等的15个元素统称为“锕系元素”（Actinide elements），它们都具有放射性。
其中位于铀后面的元素，即93号镎及其后的共11个元素，可另称为“超铀元素”（Transuranium elements），或“铀后元素”。
1871年俄国科学家门捷列夫（Д．Менделеев）发表的元素周期表中，他把92号元素铀作为最重要的元素排在最后一位，在它前后均留有若干空格，留待新元素来填补。
到1940年，通过人工核反应合成了93号元素镎，尔后陆续发现了后面的几种元素。
直到1961年103号元素铹的发现，锕系所有元素被最终确定。
应该指出，对锕系元素的研究，需要有现代化的巨型设备（高中子通量反应堆、大型重离子加速器等）以及先进的科学技术（微量快速的分离分析技术）作为基础。
如果没有综合物理、化学、电子学等知识及电子计算机的应用，显然是无法进行研究的。
锕系元素的研究与原子能工业的发展有着密切的关系，当今除了人们所熟悉的铀、钍和钚已大量用作核反应堆的燃料外，诸如238Pu，244Cm和252Cf这些核素，从空间技术、气象学、生物学直至医学方面，都有着实际的和潜在的应用价值。
1．1 锕系理论的提出早在1926年就有人预测，在周期表的第七周期中，存在着一个类似于镧系元素的系列，但这个假设在发现超铀元素之前没有得到广泛的承认。
到了1945年，G．T．Seaborg提出，锕及其后的元素组成一个各原子内的5f电子层被依次填满的系列，第一个5f电子从镤开始填入；正好和镧系元素中各原子的4f电子层被逐渐填满的情形相似。
图1 元素周期表图1示出了锕系在元素周期表中的位置。
如果不是这样排的话，那么镎（Np）和钚（Pu）就要分别排在ⅦB族的铼（Re）和第Ⅷ族的锇（Os）的下面，但是镎与铼或钚与锇之间在化学性质方面没有多少相似之处，如此排法不能反映客观实际。
镧系元素和锕系元素
镧系元素和锕系元素在工业、科研、医疗等领域有着广泛的应用，如用于制造催化剂、荧光材料、核反应堆等。
在自然界中的分布与稳定性
分布
镧系元素和锕系元素主要分布在地球的岩石圈中，其中一些元素也可以在海洋、大气中检测到。
稳定性
在自然界中，镧系元素和锕系元素通常以稳定或较稳定的同位素形式存在，但也有一些放射性同位素 。
REPORT
CATALOG
DATE
ANALYSIS
SUMMARY
镧系元素和锕系元素
目录
CONTENTS
• 镧系元素的概述 • 锕系元素的概述 • 镧系元素与锕系元素的相似性 • 镧系元素与锕系元素的区别 • 镧系元素与锕系元素的未来发展
REPORT
CATALOG
DATE
ANALYSIS
SUMMAR Y
电子排布与性质
电子排布
镧系元素和锕系元素的电子排布具有 相似性，它们的最外层电子数均为8 个，次外层电子数均为18个。
性质
由于电子排布相似，镧系元素和锕系 元素在化学性质上也有很多相似之处， 如氧化态、配位数等。
化学性质与用途
化学性质
镧系元素和锕系元素具有多种氧化态，可以形成多种化合物，如氧化物、硫化物、卤化物等。
非金属元素反应。
在工业与科学研究中的应用差异
镧系元素在工业 中的应用
镧系元素在工业中广泛应用 于制造合金、催化剂、荧光 粉等。例如，镧可以用于制 造高温超导材料，铈可以用 于制造汽车尾气净化催化剂 等。
锕系元素在工业 中的应用
锕系元素在工业中主要用于 核能领域，如制造核燃料和 核反应堆等。例如，铀和钚 是核反应堆中的重要燃料， 镅和锔可用于制造放射性示 踪剂等。
镧系锕系元素-内容要点
内容提要、重点难点、本章要求1.内容提要(1)镧系、锕系元素的名称、符号、电子层构型、氧化态及变化规律；(2)镧系收缩及后果；(3)镧系元素化合物；(4)稀土元素；(5)习题与测试；2.重点难点(1)镧系元素原子半径及离子半径变化规律；(2)镧系收缩及后果；3.本章要求(1)掌握镧系元素名称、符号、价电子构型及半径变化规律；(2)掌握镧系收缩及后果；(3)了解镧系元素性质；(4)了解稀土元素的用途；4.建议学时－－－－2学时15.1 镧系、锕系元素的名称、符号、电子层构型、氧化态及变化规律1.名称和符号周期表中有两个系列的内过渡元素，即第六周期的镧系和第七周期的锕系。
镧系包括从镧（原子序数57）到镥（原子序数为71）的15种元素；锕系包括从锕（原子序数89）到铹（原子序数103）的15种元素。
2.电子层构型镧系、锕系电子层构型比较复杂，第三层4f、5f轨道上。
表15-1 镧系元素原子的电子层结构57镧La58铈Ce59镨Pr60钕Nb61钷Pm62钐Sm63铕Eu64钆Gd65铽Tb66镝Dy67钬Ho68铒Er69铥Tm70镱Yb71镥Lu从表15－1可知，除镧原子外，其余镧系元素原子的基态电子层结构中都有f电子。
镧虽然没有f电子，但它与其余镧系元素在化学性质上十分相似。
镧系元素最外两个电子层对4f轨道有较强的屏蔽作用，尽管4f能级中电子数不同，它们的化学性质受4f电子数的影响很小，所以它们的化学性质很相似。
【问题】为什么La最外层电子构型不是4f16s2，而是4f05d16s2; Gd最外层电子构型不是4f86s2，而是4f75d16s2？根据洪特规则，电子处于半满、全空时较为稳定。
表15-2 锕系元素原子的电子层结构原子序数元素名称元素电子层结构89锕Ac90钍Th91镤Pa92铀U93镎Np94钚Pu95镅Am96锯Cm97锫Bk98锎Cf99锿Es100镄Fm101钔Md102锘No103铹Lr3.氧化态镧系元素前三级电离势之和是比较低的，比某些过渡元素要低。
镧系锕系课件
•配位化合物 •镧系元素生成配合物的能力比较：
镧系元素半径>过渡元素
镧系元素形成配合物能力<过渡元素形成配合物能力 Ln3+电荷>碱土金属
镧系元素形成配合物能力>碱土金属
•Ln3+电荷数高，属于硬酸，易与硬碱中的氟、氧等 配位原子成键，与氮、硫、卤素（氟除外）的配位 能力较差，只有在适当极性的非水溶剂中，可合成 含氮配位化合物。
•镧系金属的草酸盐的重要意义：难溶于水、稀酸，可将 镧系金属离子以草酸盐的形式与其它金属分离。
•制备：向硝酸盐或氯化物的溶液中加 6 mol ·dm−3 硝酸和 草酸，可得到草酸盐沉淀。
•草酸盐经灼烧得到的是相应的氧化物，但是无水草酸盐 首先要经过碳酸盐 如：
Ln2(C2O4)3 =加==热== Ln2(CO3)3 + 3 CO↑
Pr3+
2
黄绿 淡绿
12 Tm3+
Nd3+
3
红紫 淡红
11
Er3+
Pm3+ 4
粉红 淡黄
10 Ho3+
Sm3+
5
淡黄 浅黄绿 9
Dy3+
Eu3+
6 浅粉红 浅粉红 8
Tb3+
Gd3+
7
无
原子序 数
71 70 69 68 67 66 65
应用实例色散度；
“稀土”元素并不稀少
15种镧系元素(Ln),再加上第五周期的钪 (Sc)和钇(Y),共17种元素,称为稀土元素,用 RE表示。
其中，根据原子的电子层构型以及它们原子量的大 小把稀土元素分为铈组稀土和钇组稀土：
• 铈组稀土（轻稀土）：镧（La）、铈（Ce）、 镨（Pr）、钕（Nd）、钷（Pm）、钐（Sm）、 铕（Eu）
[理学]镧系和锕系元素
![[理学]镧系和锕系元素](https://img.taocdn.com/s3/m/f307108e5a8102d277a22f1a.png)
原子序数
铕和镱出现反常现象，这是因 为它们的电子构型分别是半充 满4f7和全充满4f14，这两种结 构比4f电子层未充满的其他状 态对核电荷有更大的屏蔽作用 。
镧系元素的原子半径除Eu和Yb反常外，从La到Lu略有缩小的趋势，但缩小 程度不如离子半径。这是由于镧系元素原子的电子层比相应的离子多一层， 它们的最外层是6s2，4f居于倒数第三层，它对原子核的屏蔽作用很强，接近 100 %，因而镧系元素原子半径收缩的效果就不明显了。
镧系元素第一个f电子在铈原子出现，随着原子序数增加，4f轨道中电子的 填 充 出 现 两 种 类 型 ： [Xe]4f n6s2和 [Xe]4fn-15d16s2。 La 的 价 电 子 构 型 为 4f05d16s2，Ce为4f15d16s2，Gd为4f75d16s2，Lu为4f145d16s2，其余镧系元 素原子为4fn 6s2。镧系元素原子的电子构型按照哪一类型排列，符合洪特 规则的特例。一般情况下，等价轨道全充满、半满或全空的状态是比较稳 定的。
镧系元素和阿系元素
(f-Block Elements)
重点掌握
1. 镧系元素无论是在水溶液或固体化合物中正常 氧化态都是+3
2. 镧系收缩及其产生的影响 3. 镧系元素离子的颜色通常与未成对电子数有关。
4f亚层未充满的镧系元素离子，颜色主要是由 于4f亚层中的电子跃迁所引起的
周期表中第57号元素镧（La）到第71号元素镥（Lu）共15种元素统称为 镧系元素（lanthanide elements，缩写为Ln）；
电极电势数据可以看出，镧系金属是较强的还原剂，其还原能力仅次 于碱金属和碱土金属，而且随着原子序数的增加，其还原能力逐渐减弱。
22镧系和锕系元素
22镧系和锕系元素镧系和锕系元素是位于周期表的f块的元素，它们包括锗、铥、镧、铂、钚、镅、钔、镭等15种元素。
它们是两个相邻的元素系列，都属于内过渡元素，具有类似的化学性质。
1.镧系元素：镧系元素是指周期表中第57-71号元素，包括镧、铈、镨、钕、钷、镝、钐、铕、钆、铽、镏、钬、铒和铒。
镧系元素的化学性质随着原子序数的增加而逐渐增加。
这些元素的共同特点是具有相似的外层电子排布，全部都有4f轨道上的电子填充。
镧系元素是金属元素，具有良好的导电性、热传导性和延展性。
它们在自然界中广泛存在于矿物和矿石中。
最常见的镧系元素是镧、铈和钕，它们以氧化物的形式存在于矿石中。
镧系元素具有良好的催化性能，可以用于合成、石油加工等领域的催化反应。
镧系元素还用于制备特种钢材、稀土磁体材料和光学玻璃等。
镧系元素的化合物还具有较强的荧光性能，广泛应用于荧光显示器、LED等光电子器件。
2.锕系元素：锕系元素是指周期表中第89-103号元素，包括锕、钍、镭、铀、镤、钚、镅、锔和锫。
锕系元素的化学性质也随着原子序数的增加而逐渐增加。
锕系元素的电子结构具有一定的特殊性，它们的外层电子结构为s2d1f1、锕系元素是金属元素，具有较高的密度和熔点。
铀是最常见的锕系元素，广泛应用于核能领域。
锕系元素的核凝聚反应具有很高的释能，可以用于核燃料和核武器的制备。
锕系元素的同位素也常常用于放射性示踪、放射性医学、放射性测量等领域。
然而，由于锕系元素的放射性和毒性较强，对人体和环境产生较大的危害，因此在应用中需要严格控制和管理。
总之，镧系和锕系元素是具有相似化学性质的一组元素，具有重要的应用价值。
镧系元素广泛应用于催化、钢铁、光电子等领域，而锕系元素主要应用于核能和放射性技术。
这些元素在科技发展和工业生产中都发挥着重要的作用，但也需要注意其放射性和毒性所带来的风险。
锕系元素
应用
在人工合成的锕系元素中，只有钚、镎、镅、锔的年产量达千克级以上，锎仅为克量级，锿以后的元素量极 少，半衰期很短，仅用于研究。用途比较多的只限于铀和钍，钚在某些情况下用作核燃料。
电子构型
镧系和锕系元素锕系元素原子基态的电子构型是5f0~146d0~17s2，这些元素的核外电子分为7层，最外层都 是2个电子，次外层多数为8个电子(个别为9或10个电子)，从镤到锘电子填入第5层，使第5层电子数从18个增加 到32个。按照原子核外的电子能级，元素周期表第七周期内锕以后的元素逐次充填5f内层电子，直到充满14个5f 内层电子为止。由于原子的最外层电子构型基本相同,只在5f内层更迭电子,所以这些元素组成了自成系列的锕系 元素。基于此种设想的锕系理论是由美国核化学家G.T.西博格于1944年提出的。根据这个理论，锕系最后一个元 素为第103号元素，而第104号元素预计不属于锕系而属于第Ⅳ副族。超铀元素的成功合成及对其化学性质的研究， 尤其是第104号元素的发现,都证实了锕系理论的正确。锕系元素原子结构的特点是：锕以后的元素电子依次填充 5f内电子层，它们的最外层的电子构型基本相同，使锕系元素之间的性质非常相似，与镧系元素一样，锕系元素 中也存在着离子半径收缩现象。
简介
锕系元素包括锕(Ac)、钍(Th)、镤(Pa)、铀(U)、镎(Np)、钚(Pu)、镅(Am)、锔(Cm)、锫(Bk)、锎(Cf)、 锿(Es)、镄(Fm)、钔(Md)、锘(No)、铹(Lr)，它们都是放射性元素。元素周期表中铀以后的原子序数大于92的 元素称为超铀元素。锕系元素中前6种元素锕、钍、镤、铀、镎、钚存在于自然界中，其余9种全部用人工核反应 合成。人工合成的锕系元素中，只有钚、镎、镅、锔等年产量达到公斤级以上，锎仅为克级。锿以后的重锕系元 素由于量极微，半衰期很短，仅应用于实验室条件下研究和鉴定核素性质。1789年德国克拉普罗特（oth,17431817)从沥青铀矿中发现了铀，它是被人们认识的第一个锕系元素。其后陆续发现了锕、钍和镤。铀以后的元素 都是在1940年后用人工核反应合成的，称为人工合成元素。由于锕系元素都是金属，所以又可以和镧系元素统称 为f区金属。
第二节锕系元素
⑶二氧化铀
二氧化铀[UO2]为红棕色晶体，立方F结 构，工业产品呈红棕色粉末。
二氧化铀在室温下可与盐酸、硫酸、硝 酸缓慢反应，易溶于硝酸，生成亮黄色的硝 酸铀酰[UO2(NO3)2]溶液；不溶于水和碱，但 溶于含过氧化氢的碱或碳酸盐溶液，生成过铀酸盐；空气中室温下 较稳定，加热至200℃以上500℃以下时被氧化为UO3，500℃以上被 氧化成U3O8。
+ 3.28
- 2.29
Cm4+
Cm3+
Cm
锕系元素的标准电极电势较小，金属性较强，具有较强的还原
性。
7
4.电负性 Ac Th Pa U
Np Pu Am —— Md No Lr
1.00 1.11 1.14 1.22 1.22 1.22 ← ≈1.2 → — —
由电负性可看出，锕系元素与镧系元素相似，属于金属性较强 的元素。
氧化钍可由钍粉末在氧气中燃烧制得，也可由氢氧化钍、硝酸 钍或草酸钍加热分解制得。
Tu + O2 Δ ThO2
氧化钍是制备金属钍的材料，可用作由水煤气 合成汽油时的催化剂；在钨丝中制造中添加约1%的 TuO2 ，可增强其抗震强度。
12
⑵氢氧化钍
氢氧化钍[Th(OH)4]白色固体粉末，不溶于水、碱和氢氟酸，溶 于无机酸。
二氧化铀是提取金属铀的中间产物，常用于轻水堆、重水堆和 快中子增殖堆的铀燃料形式，是一种稳定的陶瓷燃料。
20
⑷四氟化铀
四氟化铀[UF4 ]为绿色晶体或翠绿色粉 末，单斜晶系。
四氟化铀在空气中稳定，在氧气氛中加 热至800℃时转变为六氟化铀[UF6]和[UO2F2]；不溶于水，溶于酸和 碱。
四氟化铀是提取金属铀的中间产物，可由 二氧化铀与氟化氢作用制得。
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核素
233U 235U 237Np 238Pu 239Pu 240Pu 241Am 242Am 244Cm
无反射层 7.5 22.8 52.51 7.2 5.6 158.4 113.5 8.4 23.2 临界
质量 （kg）
有反射层
148.3 105.2 3.8 22
核素
242mAm 243Cm 245Cm 247Cm 249Cf 251Cf
24Cr不是3d44s2,而是3d54s1 29Cu不是3d94s2,而是3d104s1
s
p
d
f
7.1 锕系通论
原子序从89到103，即锕Ac、钍Th、镤Pa、铀U、镎Np、 钚Pu、镅Am、锔Cm、锫Bk、锎Cf、锿Es、镄Fm、钔Md、锘 No、铹Lr等十五个元素称为锕系元素，它们都是放射性元素。 在铀以后的十一种元素（93-103）在1940-1962年之间用人工 核反应合成，称为超铀元素；而Ac、Th、Pu叫铀前元素，钚后 的元素（从95号开始）叫超钚元素；锔后的元素叫超锔元素， 镄后的元素叫超镄元素。还有Np、Pu和Am称铀系元素；从Cm 到Lr的元素称锔系元素。
第7章--锕系元素
核外电子排布规律
1、能量最低原理：在原子中，电子总是尽可能先 进入能量最低的亚层，而只有当能量最低的亚层填满 后，电子才进入能量较高的亚层。
2、泡利不相容原子：在同一原子中，不可能有两 个电子具有完全相同的四个量子数。如果原子中电子 的n、L、m三个量子数都相同，则第四个量子数ms一 定不同，即同一轨道上最多能容纳2个自旋方向相反的 电子。
3、洪特规则：在同一亚层的各个轨道(即等价轨 道)上，电子的排布将尽可能分占不同的轨道，并且自 旋方向相同。
4、洪特规则特例：等价轨道在全充满、半充满或 全空的状态是比较稳定的，也就是说下列电子层结构 是比较稳定的。
半充满：p3、d5、f7 全充满： p6、d10、f14 全空：p0、d0、f0
能大规模生产的有：钚、镎、镅； 小规模生产的有：锔、锫、锎等。 235U、239Pu等锕系元素都是裂变物质，当它们堆聚到一定 量时，在一定的反射条件和分布形状下，就要发生链式反应， 引起爆炸。例如，235U金属球状金属有水全反射时，临界质量为 23kg，235U水溶液的最小临界质量只有800g。
表 可裂变的锕系核素的最小临界质量
表 锕系部分离子状态
元素
Ac
Th
Pa
U
Np
Pu
Am
Cm
Bk
Cf
M 3
无
M4
MO
2
MO 22
MO53
红
兰→紫
兰→紫 淡红 无
绿
绿
无
无
绿
黄
褐→橙棕 (未知) (未知) 黄
无 (未知)
绿
淡红→紫 黄
黄 淡红→红 黄→淡橙
暗绿
暗绿
3 锕系元素金属
锕系元素从锕到锫的金属态均己制得。其中Th、U和Pu己经 大规模生产而用作核燃料，超锫金属还未得到。
Th4H15
NpH3 PuH3 AmH3
锕系元素金属与氢加热至200-300℃，固体金属即变成粉末状氢 化物。氢化物遇热不稳定，在减压下或真空中加热至300℃则分解 成粉末状金属。氢化物的化学性质很活泼，在空气中能自燃，它能 与许多物质起反应，可以作为合成某些化合物的起始物质。
2）氧化物 锕系元素的氧化物是一类重要而又复杂的化合物， 除符合化学计量的氧化物外，还能形成许多不符合化学计量的 氧化物。
类似于镧系收缩现象，锕系元素的离子半径也有锕系收缩现 象。锕系元素的离子半径随原子序数的增加而减少，这种收缩 是连续的但不均匀，前面几个元素的离子半径随5f电子的充填 收缩较大，后面元素的半径收缩趋势就愈来愈小，其结果就使 锕系元素的化学行为的差别随原子序数的增加而逐渐变小，以 致分离超铀元素变得越来越困难。
1 锕系元素的价态
锕系元素的化学性质与镧系元素相似，但比镧系复杂。由 于锕系元素5f层电子的结合能，比镧系元素4f电子的结合能小， 而且锕系元素的前几个元素有6d电子，故锕系元素有一系列氧 化态（化合价）。
表 锕系元素的价态
原子 序数
89
90
91
92
93
94
95
96
97
98
99 100101102103
元素 Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr
(2) (2) 2
2(2) (2) 2 2 2 2 2
3 3 (3) 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3
价
444444444
态
55555
(5)
6666
7 7 (7)
2 锕系元素的离子状态
锕系元素的离子在酸性水溶液中，有四种阳离子形式，在碱 性水溶液中，有一种阴离子形式。
临界质量(g) 水溶液中：
（g/L）
23 213 42 159 32 10 (5) (40) (15) (60) (20) (6)
4 锕系元素的重要化合物
1）氢化物 锕系元素能形成MH2和MH3两种氢化物 表 锕系元素的氢化物
元 素 Th
Pa
U
Np
Pu
Am Cm
氢化物 ThH2 PaH3 , UH3 PuH2 PuH2 AmH2 CmH2
锕系元素中的Ac、Pa、Np、Pu也存在于自然界中，但含量 极微，而Th和U则是锕系元素中发现最早和地壳中含量较多的 放射性元素。
锕系元素的电子层结构与镧系元素相似，锕系元素依次增加 的电子充填在5f轨道内，构成一个5f内过渡系。锕系元素形成的 5f内过渡系从Th开始到Lr结束，它们的气体原子的基态电子结 构与镧系元素的类似，不同的是Th没有5f电子，Pa、U、Np除 5f电子外，还有一个6d电子。
表 锕系元素的氧化物
元素 Ac
Th
Pa
U
Np
Pu Am Cm Bk
Cf
Ac2O3
Am2O3 Cm2O3 Bk2O3 Cf2O3
氧
ThO2 PaO2 UO2 NpO2 PuO2 AmO2 CmO2 BkO2 Cf O2
化
Pa2O5
Np 2O5
物
UO3 NpO3
U3O8 Np3O8
3）卤化物 锕系元素与卤素形成的卤化物类型有：MX3、MX4、 MX5和MX6等。
表 锕系元素的化物
Ac
Th
Pa
U
Np
Pu
Am
Cm
Bk
Cf
Es
AcF3 (ThF3)
UF3
Np F3
PuF3 AmF3 CmF3 BkF3
氟
ThF4
PaF4
UF4
Np F4
PuF4 AmF4 CmF4 BkF4
化
PaF9
U2F9
物
UF5