第25章 f区金属 镧系与锕系金属
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无机
化 学
第25章 f区金属
镧系与锕系金属 25-1镧系元素
25-2稀土元素
25-3锕系元素
无机
化 学
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：4f0-145d0-16s2
Ln共生，并把钇归为稀土元素。 (2) 镧系收缩使IVB族中的锆与铪、VB族中的铌 与钽、VIB族的钼与钨在原子半径和离子半径较接近， 化学性质相似，造成分离上的困难。
无机
化 学
4、离子的颜色
Ln3+离子的颜色
离子 La3+ Ce3+ Pr3+ Nd3+ 未成对电子数 0(4f0) 1(4f1) 2(4f2) 3(4f3) 颜色 无色 无色 绿 淡紫 未成对电子数 0(4f14) 1(4f13) 2(4f12) 3(4f11) 离子 Lu3+ Yb3+ Tm3+ Er3+
100 80
Pm
Sm
Eu
Gd Gd
Tb Tb
Dy
Tm Ho Er Tm
Yb Yb Lu
La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu
无机
化 镧系元素的原子半径、离子半径 学
原子 元素 金属原子 离子半径/ pm 序数 符号 半径/pm ＋II ＋III ＋IV
无机
化 学
3、原子半径和离子半径
Ln原子半径和离子半径
200
Eu Yb La
镧系收缩：镧系 元素的原子半径 和离子半径随着 原子序数的增加 而逐渐减小的现 象。
180 160 140 120
Ce
Pr
Nd
Pm
Sm
Gd
Tb
Dy
Ho
Er
Tm
Lu
Ln Ln(+II) Ln(+III) Ln(+IV)
Sm La Eu Ce Ce Pr Pr Nd
无机
化 学
1、电子构型
原子序数 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 元素 镧 铈 镨 钕 钷 钐 铕 钆 铽 镝 钬 铒 铥 镱 符号 La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb 4f0 4f1 4f3 4f4 4f5 4f6 4f7 4f7 4f9 4f10 4f11 4f12 4f13 4f14 价电子层结构 5d1 5d1 6s2 6s2 6s2 6s2 6s2 6s2 6s2 6s2 6s2 6s2 6s2 6s2 6s2 6s2
无机
化 学
(3) 卤化物
LnF3不溶于水，即使在含3mol·L-1硝酸的Ln3＋溶液中加入氢氟
酸或F－，也能得到LnF3沉淀。是镧系元素离子的特性检验方法。
氯化物LnCl3、LnBr3、LnI3为离子型化合物，易溶于水，在水
溶液中结晶出水合物。 (4) 硫酸盐
常见的是水合硫酸盐，除硫酸铈外，其余的由水溶液中结晶出
磁效应来自电子的轨道运动和自旋运动，其磁性是轨道
磁性和自旋磁性的组合，轨道磁性由轨道角动量L决定，自
旋磁性由自旋角动量S产生。
镧系元素及化合物中未成对电子数多，加上电子轨道
运动对磁矩所作的贡献，使得它们具有很好的磁性，可做 良好的磁性材料，稀土合金还可做永磁材料。
无机
化 学
二、镧系金属
镧系金属为银白色，较软，有延展性。
92 90
84
镧系收缩的原因： f 电子的 屏蔽常数小于 1，对核电荷 的屏蔽不够完全 , 使有效核 电荷增加，核对电子的引 力增大，使原子半径、离 子半径逐渐减少。 原子半径减少的趋势不 如离子半径，原因为：原 子的电子层比离子多一层 6s2 。
无机
化 学
镧系收缩产生的结果：
(1) 使得钇的原子半径接近Tb和Dy，因而钇与
Pm3+
Sm3+ Eu3+ Gd3+
4(4f4)
5(4f5) 6(4f6) 7(4f7)
粉红、黄
黄 无色 无色
4(4f10)
5(4f9) 6(4f8) 7(4f7)
Ho3+
Dy3+ Tb3+ Gd3+
产生颜色的原因：与未成对电子数有关。是4f亚层中的电子 跃迁引起的。
无机
化 学
5、镧系元素离子和化合物的磁性
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
187.7 106.1 182.4 103.4 182.8 101.3 182.1 99.5 181.0 97.9 180.2 111 96.4 204.2 109 95.0 180.2 93.8 178.2 92.3 177.3 90.8 176.6 89.4 175.7 88.1 174.6 94 86.9 194.0 93 85.8 173.4 84.8
无机
化 学
三、镧系元素的重要化合物
1、氧化态为+III的化合物
(1)氧化物 除Ce、Pr和Tb外，其它元素可形成稳定的 Ln2O3 Ln2O3：熔点高，难溶于水和碱性介质，但易溶于强酸中。 与碱土金属氧化物相似，可以吸收空气中的CO2形成碳酸盐
，易溶于水生成Ln(OH)3。 (2) 氢氧化物 在Ln(III)盐溶液中加入NaOH得到Ln(OH)3。碱强度近似于碱土金 属氢氧化物，但溶解度比碱土金属氢氧化物小得多。 Ln(OH)3在水中微溶，碱性随原子序数增加 (半径减小)而减弱。
的都是八水合物Ln2(SO4)3· 8H2O 。无水硫酸盐可从水合物加热脱水 制得。 无水硫酸盐加热分解为碱式硫酸盐Ln2O2SO4 碱式盐的稳定性随离子半径减小 (原子序数增加)降低。 无水硫酸盐和水合硫酸盐都溶于水，它们的溶解度随着温度的 升高而减小。 硫酸复盐 xLn2(SO4)3· yM2SO4 ：与碱金属的硫酸盐反应得到。
活泼性：仅次于பைடு நூலகம்金属和碱土金属，应隔绝空气保存
。金属活泼性顺序由Sc、Y、La递增；由La到Lu递减 ，La最活泼。 金属密度：随原子序数增加，从La到Lu逐渐增加。但 Eu和Yb的密度较小。 反应：能与大部分非金属作用。镧系金属反应得到的 产物为特征的＋ III 氧化态的化合物，化合物所生成的 键主要是离子型的。
5d1
71
镥
Lu
4f14
5d1
6s2
无机
化 学
2、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。
但也存在一些不常见的氧化态。
有些虽然也有+II或+IV氧化态，但都不稳定。 Ce、Pr、Nd、Tb、Dy存在+IV氧化态，Sm、Eu、 Tm、Yb呈现+II氧化态。因为4f电子层接近或保持 全空、半满及全满时的状态较稳定。
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第25章 f区金属
镧系与锕系金属 25-1镧系元素
25-2稀土元素
25-3锕系元素
无机
化 学
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：4f0-145d0-16s2
Ln共生，并把钇归为稀土元素。 (2) 镧系收缩使IVB族中的锆与铪、VB族中的铌 与钽、VIB族的钼与钨在原子半径和离子半径较接近， 化学性质相似，造成分离上的困难。
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4、离子的颜色
Ln3+离子的颜色
离子 La3+ Ce3+ Pr3+ Nd3+ 未成对电子数 0(4f0) 1(4f1) 2(4f2) 3(4f3) 颜色 无色 无色 绿 淡紫 未成对电子数 0(4f14) 1(4f13) 2(4f12) 3(4f11) 离子 Lu3+ Yb3+ Tm3+ Er3+
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Pm
Sm
Eu
Gd Gd
Tb Tb
Dy
Tm Ho Er Tm
Yb Yb Lu
La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu
无机
化 镧系元素的原子半径、离子半径 学
原子 元素 金属原子 离子半径/ pm 序数 符号 半径/pm ＋II ＋III ＋IV
无机
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3、原子半径和离子半径
Ln原子半径和离子半径
200
Eu Yb La
镧系收缩：镧系 元素的原子半径 和离子半径随着 原子序数的增加 而逐渐减小的现 象。
180 160 140 120
Ce
Pr
Nd
Pm
Sm
Gd
Tb
Dy
Ho
Er
Tm
Lu
Ln Ln(+II) Ln(+III) Ln(+IV)
Sm La Eu Ce Ce Pr Pr Nd
无机
化 学
1、电子构型
原子序数 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 元素 镧 铈 镨 钕 钷 钐 铕 钆 铽 镝 钬 铒 铥 镱 符号 La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb 4f0 4f1 4f3 4f4 4f5 4f6 4f7 4f7 4f9 4f10 4f11 4f12 4f13 4f14 价电子层结构 5d1 5d1 6s2 6s2 6s2 6s2 6s2 6s2 6s2 6s2 6s2 6s2 6s2 6s2 6s2 6s2
无机
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(3) 卤化物
LnF3不溶于水，即使在含3mol·L-1硝酸的Ln3＋溶液中加入氢氟
酸或F－，也能得到LnF3沉淀。是镧系元素离子的特性检验方法。
氯化物LnCl3、LnBr3、LnI3为离子型化合物，易溶于水，在水
溶液中结晶出水合物。 (4) 硫酸盐
常见的是水合硫酸盐，除硫酸铈外，其余的由水溶液中结晶出
磁效应来自电子的轨道运动和自旋运动，其磁性是轨道
磁性和自旋磁性的组合，轨道磁性由轨道角动量L决定，自
旋磁性由自旋角动量S产生。
镧系元素及化合物中未成对电子数多，加上电子轨道
运动对磁矩所作的贡献，使得它们具有很好的磁性，可做 良好的磁性材料，稀土合金还可做永磁材料。
无机
化 学
二、镧系金属
镧系金属为银白色，较软，有延展性。
92 90
84
镧系收缩的原因： f 电子的 屏蔽常数小于 1，对核电荷 的屏蔽不够完全 , 使有效核 电荷增加，核对电子的引 力增大，使原子半径、离 子半径逐渐减少。 原子半径减少的趋势不 如离子半径，原因为：原 子的电子层比离子多一层 6s2 。
无机
化 学
镧系收缩产生的结果：
(1) 使得钇的原子半径接近Tb和Dy，因而钇与
Pm3+
Sm3+ Eu3+ Gd3+
4(4f4)
5(4f5) 6(4f6) 7(4f7)
粉红、黄
黄 无色 无色
4(4f10)
5(4f9) 6(4f8) 7(4f7)
Ho3+
Dy3+ Tb3+ Gd3+
产生颜色的原因：与未成对电子数有关。是4f亚层中的电子 跃迁引起的。
无机
化 学
5、镧系元素离子和化合物的磁性
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
187.7 106.1 182.4 103.4 182.8 101.3 182.1 99.5 181.0 97.9 180.2 111 96.4 204.2 109 95.0 180.2 93.8 178.2 92.3 177.3 90.8 176.6 89.4 175.7 88.1 174.6 94 86.9 194.0 93 85.8 173.4 84.8
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三、镧系元素的重要化合物
1、氧化态为+III的化合物
(1)氧化物 除Ce、Pr和Tb外，其它元素可形成稳定的 Ln2O3 Ln2O3：熔点高，难溶于水和碱性介质，但易溶于强酸中。 与碱土金属氧化物相似，可以吸收空气中的CO2形成碳酸盐
，易溶于水生成Ln(OH)3。 (2) 氢氧化物 在Ln(III)盐溶液中加入NaOH得到Ln(OH)3。碱强度近似于碱土金 属氢氧化物，但溶解度比碱土金属氢氧化物小得多。 Ln(OH)3在水中微溶，碱性随原子序数增加 (半径减小)而减弱。
的都是八水合物Ln2(SO4)3· 8H2O 。无水硫酸盐可从水合物加热脱水 制得。 无水硫酸盐加热分解为碱式硫酸盐Ln2O2SO4 碱式盐的稳定性随离子半径减小 (原子序数增加)降低。 无水硫酸盐和水合硫酸盐都溶于水，它们的溶解度随着温度的 升高而减小。 硫酸复盐 xLn2(SO4)3· yM2SO4 ：与碱金属的硫酸盐反应得到。
活泼性：仅次于பைடு நூலகம்金属和碱土金属，应隔绝空气保存
。金属活泼性顺序由Sc、Y、La递增；由La到Lu递减 ，La最活泼。 金属密度：随原子序数增加，从La到Lu逐渐增加。但 Eu和Yb的密度较小。 反应：能与大部分非金属作用。镧系金属反应得到的 产物为特征的＋ III 氧化态的化合物，化合物所生成的 键主要是离子型的。
5d1
71
镥
Lu
4f14
5d1
6s2
无机
化 学
2、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。
但也存在一些不常见的氧化态。
有些虽然也有+II或+IV氧化态，但都不稳定。 Ce、Pr、Nd、Tb、Dy存在+IV氧化态，Sm、Eu、 Tm、Yb呈现+II氧化态。因为4f电子层接近或保持 全空、半满及全满时的状态较稳定。