第二章 稀土元素的结构特征
元素周期表中稀土元素的特点与应用
元素周期表中稀土元素的特点与应用稀土元素是指原子序数为57至71之间的15种化学元素，它们在元素周期表中位于镧系元素下方的区域。
由于稀土元素具有一系列独特的物理和化学特性，它们在许多领域中具有重要的应用价值。
本文将探讨稀土元素的特点以及它们在不同领域中的应用。
一、稀土元素的特点1. 原子结构：稀土元素的原子结构比较复杂，外层电子结构的变化较小。
随着原子序数的增加，原子半径逐渐减小，原子核电荷增加，电子外层吸引力增强。
2. 磁性：稀土元素中的某些元素，如钕、钆等，表现出较强的磁性。
稀土元素的磁性主要来源于其内部配置的f电子。
这使得稀土元素在制备永磁材料等方面具有重要应用。
3. 化学反应性：稀土元素的化学反应性中等偏弱，容易与非金属元素发生反应，形成稀土化合物。
此外，稀土元素也能形成多种氧化态，具有较强的氧化性。
4. 光谱特性：稀土元素具有丰富的光谱特性，包括可见光和红外线范围。
这些特性使得稀土元素在激光器、荧光材料以及光纤通信等方面有广泛应用。
二、稀土元素的应用1. 电子技术领域：稀土元素在电子技术领域的应用非常广泛。
例如，镧系元素在显示器件中可用作磷光体，发出不同颜色的光，并形成彩色图像。
此外，稀土元素也可用于制备磁记录材料、半导体材料等。
2. 磁性材料：稀土元素在磁性材料中发挥着重要作用。
例如，钕铁硼永磁材料具有较高的磁性能，广泛应用于电机、声音设备、信息存储等领域。
其他稀土元素如铽、铒等也有磁性材料的应用。
3. 催化剂：稀土元素催化剂在化学工业中扮演重要角色。
稀土元素的催化剂可用于石油加工、化学合成、环境保护等各种反应中。
催化剂的加入能够提高反应速率和选择性，降低能量消耗。
4. 光电材料：稀土元素在光电材料方面有广泛应用。
稀土元素的光谱特性可用于制备激光器、荧光粉、发光二极管等器件。
稀土元素的发光稳定性高，具有较长的寿命。
5. 生物医学领域：稀土元素在生物医学领域的应用日益增多。
它们被用作示踪剂、荧光探针、抗肿瘤药物等。
稀土元素的特点
稀土元素的特点稀土元素是指周期表中的镧系元素和钇系元素，共计17种元素。
它们被称为稀土元素是因为它们在地壳中的含量非常稀少。
稀土元素具有许多独特的特点，下面将对其进行详细解释。
1. 化学性质多样性：稀土元素具有丰富的化学性质，可以形成多种化合物。
它们的原子结构中的电子分布不同，因此具有不同的价态和电子构型，使得它们在化学反应中表现出多样性。
2. 磁性：稀土元素中的某些元素如钕、铽等具有较强的磁性。
这些磁性稀土元素被广泛应用于制造永磁材料，用于制造电机、发电机、磁记录材料等。
3. 光学性质：稀土元素在可见光和紫外光区域有较强的吸收和发射能力，因此被广泛应用于荧光体、荧光粉、光纤通信等领域。
4. 半导体性质：稀土元素中的一些元素如铈、铽、钕等具有半导体性质。
它们可以用于制造光电器件、太阳能电池等。
5. 化学稳定性：稀土元素具有较好的化学稳定性，能够耐受高温和腐蚀。
因此，它们被广泛应用于高温合金、催化剂、陶瓷材料等领域。
6. 放射性：稀土元素中的一些元素如镧、铀等具有放射性。
这些放射性稀土元素在核能、核医学和射线治疗等领域有重要应用。
7. 稀土磁石效应：稀土元素中的某些元素如镧、铈等具有稀土磁石效应。
这种效应使得稀土磁石具有较高的磁能积和矫顽力，被广泛应用于电机、传感器、磁记录材料等领域。
8. 催化性能：稀土元素具有良好的催化性能，能够在化学反应中起到催化剂的作用。
它们被广泛应用于石油加工、环境保护、化学合成等领域。
9. 生物学功能：稀土元素在生物体内具有重要的生物学功能，如对植物生长的促进作用、对动物体内酶活性的调节作用等。
10. 稀有性：稀土元素在地壳中的含量非常稀少，因此被称为稀土元素。
它们的分布不均匀，主要分布在中国、澳大利亚、美国等地。
总结起来，稀土元素具有多样性的化学性质、磁性、光学性质、半导体性质、化学稳定性、放射性、稀土磁石效应、催化性能、生物学功能等特点。
这些特点使得稀土元素在许多领域具有重要的应用价值，如电子、光电、材料、能源、环境等领域。
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。
稀土元素特性综述
稀⼟元素特性综述稀⼟特性综述根据稀⼟元素原⼦电⼦层结构和物理化学性质，以及它们在矿物中共⽣情况和不同的离⼦半径可产⽣不同性质的特征，⼗七种稀⼟元素通常分为⼆组：轻稀⼟包括：镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、。
重稀⼟包括：钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥、钪、钇⼤多数稀⼟元素呈现顺磁性（顺磁性（paramagnetism）是指材料对磁场响应很弱的磁性）。
钆在0℃时⽐铁具更强的铁磁性。
铽、镝、钬、铒等在低温下也呈现铁磁性，镧、铈的低熔点和钐、铕、镱的⾼蒸⽓压表现出稀⼟⾦属的物理性质有极⼤差异。
钐、铕、钇的热中⼦吸收截⾯⽐⼴泛⽤于核反应堆控制材料的镉、硼还⼤。
稀⼟⾦属具有可塑性，以钐和镱为最好。
除镱外，钇组稀⼟较铈组稀⼟具有更⾼的硬度。
常⽤的氯化物体系为KCl-RECl3他们在⼯农业⽣产和科研中有⼴泛的⽤途，在钢铁、铸铁和合⾦中加⼊少量稀⼟能⼤⼤改善性能。
⽤稀⼟制得的磁性材料其磁性极强，⽤途⼴泛。
在化学⼯业中⼴泛⽤作催化剂。
稀⼟氧化物是重要的发光材料、激光材料。
理化性质⼀是缺少硫化物和硫酸盐（只有极个别的），这说明稀⼟元素具有亲氧性；⼆是稀⼟的硅酸盐主要是岛状，没有层状、架状和链状构造；三是部分稀⼟矿物（特别是复杂的氧化物及硅酸盐）呈现⾮晶质状态；四是稀⼟矿物的分布，在岩浆岩及伟晶岩中以硅酸盐及氧化物为主，在热液矿床及风化壳矿床中以氟碳酸盐、磷酸盐为主。
富钇的矿物⼤部分都赋存在花岗岩类岩⽯和与其有关的伟晶岩、⽓成热液矿床及热液矿床中；五是稀⼟元素由于其原⼦结构、化学和晶体化学性质相近⽽经常共⽣在同⼀个矿物中，即铈族稀⼟和钇族稀⼟元素常共存在⼀个矿物中，但这类元素并⾮等量共存，有些矿物以含铈族稀⼟为主，有些矿物则以钇族为主。
由于稀⼟元素可与银、锌、铜等过渡元素协同增效，开发的稀⼟复合磷酸盐抗菌可使陶瓷表⾯产⽣⼤量的羟基⾃由基，从⽽增强了陶瓷的抗菌性能。
稀⼟⾦属的化学活性很强。
当和氧作⽤时，⽣成稳定性很⾼的R2O3型氧化物（R表⽰稀⼟⾦属）。
稀土元素化学..
稀土元素的基本性质
元 素
Sc Y La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu
原子 序数
21 39 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71
相对原子 质量
44.956 83.905 138.91 140.12 140.907 144.24 [145] 150.35 151.96 157.25 158.924 162.50 164.930 167.26 168.934 173.04 174.97
含稀土的矿物
氟化物 钇萤石(Ca、Y)(F、O)2，氟铈矿CeF3
磷酸盐
碳酸盐及 氟碳酸盐
磷钇矿YPO4，独居石(Ce、Y)PO4 氟碳铈矿CeFCO3，水菱铈矿RE2O3•3CO2•4H2O 硅铍钇矿BeFeY2Si2O10、铈硅石(Ca,Mg)2RE[(SiO4)7－ x(FCO3)x][(OH)x(H2O)3-x]，淡红硅钇矿Y2Si2O7 钶钇矿(Fe,RE,U,Th)(Nb,Ta)2O6，褐钇钽矿(RE、Ca、 Fe、U)(Nb、Ta)O4，方铈石(Ce、Th)O2 砷钇矿YAsO4 水铈钙硼石 Ca3Al2RE(SO4)F13•10H2O
• 稀土元素位于周期表中的ШB族，特征氧化态为＋3。根据洪特 规则，当d或f轨道处于全空、全满或半满时，其原子或离子有特殊 的稳定性，Ce和Tb失去4个电子时，分别处于全空和半满，所以＋ 4氧化态也较稳定；Pr和Dy失去四个电子，4f轨道接近全空和半满， 所以也可存在＋4氧化态；Eu和Yb失去2个电子时，4f轨道分别处 于半满和全满，也可形成较稳定的＋2氧化态化合物，Sm和Tm的 ＋2氧化态化合物稳定性较差。
2第二章：稀土元素自由原子和离子
1s2 表示一种电子组态，表示在E1s能级上的两 个电子。
（２）镧系元素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： [Xe]4fn 6s２ 和 [Xe]4fn-1 5d16s2 (n=1-14) La,Ce,Gd: [Xe]4fn-1 5d16s2 ; Lu: [Xe]4f14 5d16s2 ; 其余为：[Xe]4fn 6s２
镧系元素的原子究竟采取那种基态组态呢？ （[Xe]4fn 6s２和 [Xe]4fn-1 5d16s2 (n=1-14)）
应该从该两种组态的能量ຫໍສະໝຸດ 低来看。实验结果表明： La,Ce,Gd的 [Xe]4fn-1 5d16s2的组态能量
低于相应的[Xe]4fn 6s２。 所以La,Ce,Gd基态组态为： [Xe]4fn-1 5d16s2 Tb的两种组态[Xe]4f96s2 ,[Xe]4f８5d16s2
能量相当，因此组态不确定，两种均可。 其余原子的基态电子组态均为： [Xe]4fn 6s２
（3）.镧系元素自由离子的基态电子组态： 镧系元素自由离子主要价态为＋３，个别有＋ ２和＋４。
RE3+电子组态： [Xe]4fn(n=0-14,La-Lu)
RE2+电子组态： [Xe]4fn+1 (n+1=6, 7, 13, 14 对应于 ＋２价的Sm,Eu,Tm,Yb) 。
原子结构理论指出:多电子原子和离子都有 一定的电子组态。一种电子组态不是指原子的一 种状态，而是一组状态。
因此镧系元素原子和离子在基组态时，有一 种或多种能量不同的状态。 例:
如Pr3+在基态时为:[Xe]4f2 ，它可以有91 种不同的能量状态（具体的能量状态数计算后面 介绍）。
稀土元素的特点
稀土元素的特点稀土元素是指化学元素周期表中镧系元素和钪、钇以及镉、锗的混合物。
稀土元素在自然界中分布较广，但含量较低，因此被称为稀土。
稀土元素具有许多独特的特点，主要包括以下几个方面。
稀土元素具有较高的密度和熔点。
稀土元素的密度一般在5-9克/立方厘米之间，属于较重的元素。
其中，钇、镧、铈、镨等元素的密度超过了铁，具有较高的密度。
稀土元素的熔点也较高，一般在1000-2000摄氏度之间，其中铗、铈、镨、钆、钇等元素的熔点超过了铁。
稀土元素具有良好的磁性和光学性质。
稀土元素中的一些元素，如钕、铽、钐等，具有较强的磁性，可以用来制造永磁材料。
稀土元素还具有丰富的光学性质，可以发射出特定的光谱，用于激光器、荧光材料等方面。
第三，稀土元素具有良好的化学活性。
稀土元素的电子排布特殊，容易发生氧化还原反应，可以与氧、硫、氮等元素形成化合物。
稀土元素的化合物常常呈现出特殊的颜色和磁性，具有广泛的应用价值。
第四，稀土元素具有较强的催化作用。
稀土元素的化合物常常是催化剂的重要组成部分，可以催化许多重要的化学反应，如裂解石油、合成有机化合物等。
稀土催化剂具有高催化活性、选择性和稳定性，成为化学工业中不可或缺的重要催化剂。
第五，稀土元素具有较强的放射性。
稀土元素中的一些元素，如镅、钚等，具有较强的放射性，具有一定的危害性。
因此，在稀土元素的开采和应用过程中，需要进行辐射防护和安全保护措施。
稀土元素具有较高的密度和熔点、良好的磁性和光学性质、较强的化学活性、催化作用和放射性等特点。
这些独特的特点使得稀土元素在许多领域中具有广泛的应用价值，如材料科学、化学工业、电子工业等。
稀土元素的研究和应用对推动科技进步和经济发展具有重要意义。
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。
第二章稀土元素的结构特征资料教程
稀土元素的几何性质
在常温、常压条件下，稀土金属有下列五种晶体结构： （1）密排六方结构—原子堆垛次序为ABABAB等，符合此
结构的有钪、钇和从钆到镥的所有重稀土金属（Yb除外）； （2）面心立方结构—原子堆垛为ABCABC等，铈和镱属此
结构； （3）双六方结构—原子堆垛为ABACABAC等，镧、镨、钕、
2．热学性质 稀土金属的熔点都较高，大体上随原子序数的增加而增高
（除Eu、Yb外）。 稀土金属的沸点和升华热与原子序数的关系无明显规律。 3．稀土元素的电学性质 稀土金属的导电性并不良好，常温时其电阻率都较高。除镱
外，其电阻率为50~130·cm，比铜、铝的电阻率高1— 2个数量级。另外，它们有正的温度系数，La在接近4.6K 时具有超导性能。
L=0、1、 2、3、 4、5、6……
符号S、P、D、F、G、H、I……
• 左上角的数字表示光谱项的多重性，它等 于2S+1，右下角的数字代表J的数值。例如 Nd3+的基态光谱项用“4I9/2”表示。
• （2）在三价稀土离子中，没有4f电子的Y3+和 La3+(4f0)及4f电子全充满的Lu3+(4f14)都具有封闭 的壳层，因此它们都是无色的离子，具有光学惰 性，很适合作发光和激光材料的基质。
• 稀土离子的基态：用大写字母S、P、D、F、G、 H、I等代表L=0、1、2、3、4、5、6……的离子 态；并在左上角写上（2S+1）表示多重结构；在 右下角标明J量子数。
• 弧立离子磁矩的理论值几乎与此完全一致。这是 由于4f壳层被外层5s和5p壳层所屏蔽，晶场对4f 电子轨道磁矩影响甚弱。但Sm3+、Eu3+、Yb3+则 理论与实验值差别很大。深入研究表明，在其基 态附近范围内还存有其它能级的影响，将此考虑 后，可获得与实验相符的结果。
第二章 稀土元素化学1讲解
根据洪特规则，在原子或离子的电子结构中，当同一 层处于全空、全满或半满的状态时比较稳定，所以在4f处 于4f0(La3+), 4f7(Gd3+)和4f14(Lu3+)时比较稳定。它们之后 的Ce3+,Pr3+,Tb3+分别比稳定的电子组态多1个或两个电子， 因此它们可进一步氧化成+4价，而它们之前的元素，如 Sm,Eu和Yb，分别比稳定的电子组态少1个或两个电子， 因此可以还原成+2价。
六方型 YH2.77~3.0
SmH1.92~2.55 SmH2.59~3.0
GdH1.8~2. 3
GdH2.85~3.0
TbH1.90~2.15 TbH2.81~3.0
DyH1.95~2.08 DyH2.86~3.0
HOH1.95~2.24 HOH2.95~3.0
ErH1.86~2.13
ErH2.95~3.0
1.制备方法 稀土氢化物可由金属与氢直接反应制得，产物通常为REH2,即
RE + H2 = REH2 但大多数还可继续反应，生成REH3及非整比氢化物
表2.2 稀土氢化物类型
第一组，CaF2型
LaH1.95~3.0 CeH1.85~3.0 PrH1.9~3.0 NdH1.9~3.0
第二组
CaF2型 YH1.90~2.23
第二章 稀土元素化学
§1.1 稀土元素的电子组态与价态 一、基态原子的电子组态 根据能量最低原理，镧系元素的原子电子组态有两种类型，即：
Xe4 f n 6S2和 Xe4 f n15d16S2 其中 n 1 ~ 14.
稀土元素-PPT课件
优点：
①电动机的效率增强；
磁性材料
②电动汽车起动机的起动力会大大 增加而体积却大大减小； ③家用电器能耗显著降低； ④有广泛的应用前景，如：磁悬浮 高速列车，自动化高速公路。
缺点：成本变高
结构材料：使钢铁得到良好特性 贮氢材料：高容量充电电池的电极。
超导材料：混合稀土-钡-铜-氧超导体
发光材料：节能光源
稀 土 元 素 的 发 现
稀土金属是芬兰学者加多林 (Johan Gado1in)在1794年发现的。 当时在瑞典的矿石中发现了矿物 组成类似“土”状物而存在的钇 土，且又认为稀少，便定名为 (Baxe Earth)。
①燃点低。 ②比其他金属元素都活泼。 ③ 氧化物稳定。
④氧化物熔点高，生成自由能负值大。
2REF3 + 3Ca --------→2RE + 3CaF2
金属热还原法
除用金属 Ca做还原剂外，也有用金属 Ba 或 Mg 做还原剂，稀土卤化物也有以溴化 物作原料的。用金属热还原法制得的稀 土金属，不同程度的含有各种杂质，还 需进一步提纯。此外，还有氧化物的镧、 铈还原法，其主要反应为：
RE2O3（s） + 2La（s）-----→2RE（g） + La2O3（s） （RE代表Sm、Eu、Yb）
稀土元素在基态时的电子排布特征是最后填充的电子大都进入4f亚层只有钇和镧例外下表列出稀土元素原子和离子re图1稀土元素的原子性从上表中可看到gd轨道为半充满lu轨道为全充满这些都是稳定的电子构从上表中可看到la4f空轨道gd的4f轨道为半充满lu的4f轨道为全充满这些都是稳定的电子构镧系元素的原子半径及ln离子半径在总的趋势上都随着原子核电荷数的增大而减小这一现象叫做系原子半径收缩的过程和镱的原子半径突然增大在图中出现了两个峰值
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
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镧系元素是指周期表中镧(La)到镥(Lu)之间的15个元素，它们是镉系的最后一个周期。
稀土元素是指周期表中镧系元素和钪(Sc)以及钇(Y)共计17个元素。
镧系元素的电子层结构特点是外层电子结构为5d和6s轨道，其中，4f和5d轨道的能级非常接近，导致4f电子对于元素的化学性质起到重要影响。
稀土元素的电子层结构中，4f电子的强电子屏蔽效应使其内外电子之间作用很小，因此稀土元素的化学性质主要由外层5d和6s电子决定。
稀土元素具有以下一些共同的特点：1.化学活性相对较低：稀土元素的外层电子几乎不参与化学反应，因此它们的化学活性较低。
这使得稀土元素在大部分自然环境中以稳定的形式存在。
2.常见存在于化合物中：稀土元素通常以化合物的形式存在，而非单质。
它们可以形成稳定的氧化物、硫化物、氯化物等化合物，这些化合物对于稀土元素在实际应用中的分离和提纯具有重要意义。
3.易于发生氧化还原反应：稀土元素中的电子结构可以轻松地在不同氧化态之间转移，因此稀土元素常常参与氧化还原反应。
它们可以形成多种价态的化合物，有着丰富的化学反应性。
4.磁性和光学性质：稀土元素由于4f电子的特殊性质，常常表现出磁性和光学性质。
许多稀土元素的化合物具有强烈的磁性，同时也表现出吸收和发射可见光的能力，因此在磁性材料和荧光材料的制备中得到广泛应用。
总的来说，镧系元素和稀土元素具有特殊的电子层结构和化学性质。
它们的独特性质给实际应用和科学研究带来了许多有益的效果，例如制备高性能材料、催化剂、医药等。
因此，镧系元素和稀土元素的研究对于深入了解元素周期表和发展科技具有重要的意义。
稀土族元素的结构特征及其在元素周期表中的位置
众所周知，现行元素周期表是由门捷列夫开创，并经过一百多年来全世界的自然科学家共同努力不断地在进行着验证和充实完善，才成为今天为世界所公认的这个样子，它反映了人类在一定历史阶段对大自然的认识水平。人类对元素周期规律至今仍在研究探索，不断的在填充着新元素，并在理论和实践两个方面寻找它的终点。
毫无疑问，现行元素周期表在很大程度上反映了物质元素的周期变化规律，是基本正确的，但仍然有待于继续充实和完善，除了上述的 100 号以上的元素填充和周期终点确定问题以外，还有多处局部的误差需要修正，尽管这些误差表现在局部位置上，但它们是整个宇宙元素所表现的周期变化规律中的重要环节，对全面准确地认识整个规律至关重要。
（1996年10月18日）
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※ 本文写成后，当即寄往中国科学院和中国物理学会的优秀期刊——《现代物理知识》杂志。当然，由于某种原因而得不到公开发表，这并不感到意外。现收入《宇宙物质成因学》一书以待证实。作者坚信：这些使用现有技术手段即可实施的物理实验和新理论的确证，大可不必等到22世纪。
这多处误差就包括本文的要谈及的稀土元素的结构及其在周期表中的位置问题。
宇宙是由物质构成的，物质是由构成物质的各种元素原子相互交变和化合而构成的。因此，宇宙各种元素原子相互交变转化的规律，就是宇宙发展演化的根本规律。这种规律性首先反映在元素周期表上。探求宇宙发展演化的根本规律，也就成了当代全世界理论物理学家的头等任务。而只有彻底弄清宇宙发展演化的根本规律，才能给出一个完整准确的元素周期表来。
55—56 号同 57—70 号稀土组的显著区别，在于第六层 P 层中的 d 亚层为“空道”，在第七层 Q 层中的 a 亚层分别为 1 和 2。其余完全相同。属ⅠA、ⅡA 族。
第2章稀土元素的电子结构和镧系收缩
第2章稀土元素的电子结构和镧系收缩稀土元素是指周期表中镧系元素，从镧（La）到镥（Lu）。
它们被称为稀有土壤元素，因为它们在地壳中的含量相对较低。
稀土元素具有独特的电子结构和镧系收缩现象，这些特征使得它们在化学和物理领域中具有广泛的应用。
稀土元素的电子结构是其独特性质的基础之一、稀土元素的原子核中有一种称为4f电子的内层电子，这些电子处于7s轨道之下，因此它们在化学反应中几乎没有参与。
然而，稀土元素的外层电子又和常规的d电子和f电子（把f电子放在外侧）在能量上非常接近。
这使得稀土元素具有很多特殊的化学性质，如高磁性、发光性等。
另一个重要的特征是稀土元素的镧系收缩。
镧系收缩是指在元素周期表中，随着电子逐渐填充4f轨道，原子半径逐渐减小的现象。
这是因为随着电子数目的增加，电子云的电子-电子排斥力增大，使得整个原子缩小。
镧系收缩的结果是稀土元素具有非常相似的化学性质，难以分离和区分。
这也是为什么稀土元素在过去很长一段时间内被认为是难以研究和利用的原因之一然而，稀土元素的电子结构和镧系收缩也为其在化学和物理领域中的应用提供了很多机会。
稀土元素在催化剂、磁性材料、发光材料等方面具有重要的应用价值。
由于其独特的电子结构和化学性质，稀土元素可以用来设计和制备具有特殊性质和功能的材料。
例如，稀土元素的电子结构使得它们在磁性材料中表现出色。
稀土元素的f电子对电子自旋和轨道运动具有很强的耦合作用，导致稀土离子具有强磁性。
稀土磁性材料具有广泛的应用，如磁存储器、电动机等。
此外，稀土元素还在发光材料中发挥重要作用。
稀土元素的f电子级间跃迁可以产生具有特定波长的光，使得稀土元素成为制备发光材料的理想选择。
例如，镧系元素中的铕和钆常用于制备红色和绿色荧光材料。
稀土元素的电子结构和镧系收缩也对稀土化学和化学分析提出了挑战。
由于稀土元素具有相似的化学性质，分离和鉴定稀土元素变得十分困难。
然而，随着分析技术的不断发展，如高效液相色谱、电感耦合等离子体质谱等，稀土元素的分析变得更加精确和高效。
第二讲 稀土元素的结构与材料学性能
•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。 •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、在冶金工业中的应用：稀土钛合金 、在冶金工业中的应用：
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 、
稀土钙钛矿催化材料由于其制备简单、耐 高温、抗中毒等性能优越，目前主要用作环保催 化剂，也广泛用于光催化分解水制氢、以及石油 化工行业的碳氢化合物重整反应等方面。目前已 开发并应用的主要有钙钛矿型稀土复合氧化物催 化剂、以及掺杂微量贵金属的稀土钙钛矿型催化 剂等。
3、玻璃陶瓷 、
稀土氧化物被用于玻璃的脱色和着色。 少量氧化铈可使玻璃无色，加到1％时， 玻璃呈黄色；量再多时则呈褐色。氧化钕 使玻璃呈鲜红色；氧化镨使玻璃染成绿色。 在陶瓷和瓷釉中添加稀土可以减少釉的破 裂性并使其具有光泽。
4、 农业中的应用
提高对太阳光的利用率， 提高对太阳光的利用率，是农产品提高质与量的好途 径。曾有过用铕的多核有机配合物加入农用塑料薄膜中作 为太阳光的转化剂， 为太阳光的转化剂，成功地将是光中对植物有害的紫外光 转化为植物光合作用所需红光，促进了植物的生长。 转化为植物光合作用所需红光，促进了植物的生长。 合理施用微量稀土（主要是La和Ce），可促进农作物生 合理施用微量稀土（主要是La和Ce），可促进农作物生 La ）， 根发芽，增加叶绿素 促进作物对氮、 增加叶绿素，促进作物对氮 钙的吸收， 根发芽 增加叶绿素 促进作物对氮、磷、钾、钙的吸收 增加干物质的积累，从而增加产量改善品质。 增加干物质的积累，从而增加产量改善品质。
稀土材料的结构与性质
稀土材料的结构与性质引言稀土材料是指由稀土元素构成的材料。
稀土元素是指镧系元素，包括镧（La）、铈（Ce）、钕（Nd）、钐（Sm）、铕（Eu）、钆（Gd）、铽（Tb）、镝（Dy）、钬（Ho）、铒（Er）、铥（Tm）、镱（Yb）和镥（Lu）等15个元素。
由于稀土元素在地壳中的分布非常稀少，因此得名为稀土。
稀土材料由于其特殊的电子结构和独特的化学性质，广泛应用于电子、光电子、磁性材料、催化剂等领域。
本文将介绍稀土材料的结构和性质，并分析其在不同应用领域中的具体应用。
稀土材料的结构稀土材料的结构与其原子排列有关。
稀土元素的原子结构为4f电子壳，其特点是外层电子稀疏，容易形成稳定的价态。
稀土元素的4f电子在原子中存在于能级较为复杂的电子壳中，其分布在7个不同能级上。
这种电子结构导致稀土材料在实验中表现出了许多非常特殊的性质，例如发光、磁性、光学非线性等。
稀土材料的立方晶系结构是常见的结构类型，其中最典型的是氧化物稀土材料，如氧化镧（La2O3）、氧化钕（Nd2O3）等。
这些材料的晶体结构由稀土离子和氧离子构成，稀土离子被八面体或六面体的氧离子包围。
除了立方晶系结构外，稀土材料还可以具有其他结构类型，如六方晶系、四方晶系等。
不同的结构类型决定了稀土材料的特定性质。
稀土材料的性质光学性质稀土材料在光学方面具有独特的性质。
由于稀土元素的4f电子结构，稀土材料可以显示特定的发光性质。
稀土离子的4f电子在能级结构中存在多个能级之间的跃迁，当稀土材料受到外界光源的激发时，会发生能级跃迁，从而产生特定的发光波长。
这种发光现象被广泛应用于发光二极管（LED）和激光器等光电子器件中。
例如，掺杂镧系离子的磷酸盐白光LED具有高效能的发光性能，被广泛应用于照明领域。
此外，稀土材料还具有特殊的光学非线性性质，可以用于光学器件中的光调制、频率转换等应用。
磁性性质稀土材料还具有显著的磁性性质。
稀土元素的4f电子在磁场下会发生磁矩的定向排列，从而表现出特定的磁性行为。
第2章 稀土元素的结构特征与材料性能
第02周：教学内容：稀土元素的结构特点：详述稀土元素在周期表中位置及电子层结构特点、价态；稀土元素的材料性能与物理化学性质1.简述稀土元素的材料性能；2.详述稀土元素的物理与化学性质；教学要求：熟悉并重点掌握稀土元素在周期表中位置及电子层结构特点、价态；稀土元素的物理与化学性质。
第2章稀土元素的结构特征与材料性能§1 稀土元素的结构特点一.稀土元素在元素周期表中的位置稀土元素在元素周期表中的第六周期的ⅢB族中。
镧和铈→镥(Lu)的15个镧系元素在同一格内。
显然,从镧—→镥这15个元素的性质极为相似。
由于第五周期ⅢB族中的钇原子半径接近于镧并且在镧系元素离子半径递减顺序中间，使得钇和镧系元素的化学性质相似。
由于稀土元素在周期表中的这种特殊位置，使得镧系元素的电子能级和离子半径呈现出微小连续变化而具有许多特性。
二.基态原子的电子排布当原子处在基态时,核外电子排布必须遵循下述三个原则：1.泡里(Pauli)不相容原理：即一个原子轨道最多只能排2个电子,而且这两个电子的自旋方向必须相反。
2.能量最低原理：在不违背泡里(Pauli)不相容原理的条件下,电子优先占据能态较低的原子轨道,使整个原子体系的能量处于最低。
3.洪特(Hund)规则：在能级高低相等的轨道上,电子尽可能分占不同的轨道。
作为洪特(Hund)规则的特例,能级高低相等的轨道上全空、半空半满和全满的状态是比较稳定的。
ⅠA~ⅡA ⅢA ~ⅦA ⅢB ~ⅦB 錒系Ac 周期ⅠB~ⅡB 镧系Ln↖↖7s 7p 7↖↖↖6s 6p 6d 6↖↖↖↖5s 5p 5d 5f 5↖↖↖↖↖4s 4p 4d 4f 4↖↖↖↖↖3s 3p 3d 3↖↖↖↖2s 2p 2↖↖↖1s 1↖图2~1原子核外电子填充次序图根据上述原则,基态原子的电子在原子轨道中填充排布的顺序是：1S2；2S2；2P6,3S2；3P6,4S2；3d10,4P6,5S2；4d10,5P6,6S2；4f14,5d10,6P6,7S2；5f14,6d10,7P6…。
第二章 稀土元素的结构特征
第一节 稀土元素的结构特点
•
17个稀土元素均位于元素周期表同一族一ⅢB族，造成物化性质有一定相似性。特别是 镧系的15个元素（La—Lu）均位于周期表的同一格内，它们的性质更为接近，分离成 单一元素时十分困难。但是，它们本身是17个不同的元素，尤其在电子结构，原子及 离子半径等方面又有显著的不同，所以各自有自己独特的性能。这正是我们要重点研 究的内容。
磁学性质
• 弧立稀土离子的基态磁矩是研究稀土磁性的基础， 故先讨论此问题。原子或离子的磁矩主要由其电 子结构所决定。由于满壳层电子的磁矩总和为零， 所以只需考虑4f层上电子对其磁矩的贡献即可。 • 若4f层上只有一个电子，则其电子轨道磁矩 其轨道角动量有 下列关系： 与
L—为离子轨道总角动量量 子数 S—为离子自旋总角动量量 子数 J—为离子总角动量量子数
二、稀土元素的电子层结构特点和 价态
15个La系原子的电子层结构可写为： [Xe]4fn5d0-16s2
其中[Xe]为氙原子的电子层结构，1s22s22p63s23p63d104s24p64d105s25p6。
• 而最外层电子都已填充到6s2，5d还空着或仅有一个电子，只有4f层 不同，当n=0–14时，元素由LaLu。 • Sc的最外层(4s)2，次外层(3s)23p63d1 • Y的最外层5s2，次外层4s24p64d1 17个稀土元素原子的最外电子层结构相同，均为2个s电子，它们与别的 元素化合时通常都失去这最外层的2个s电子，它们的次外层有的为一 个d电子，无d电子时则失去一个4f电子（这是借助4f n4f n–15d1过 渡），故正常的原子价是3价。这是稀土元素的共性，也是造成化学 性质相似的根本原因。
镧系收缩
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二、稀土元素的电子层结构特点和 价态
15个La系原子的电子层结构可写为： [Xe]4fn5d0-16s2
其中[Xe]为氙原子的电子层结构，1s22s22p63s23p63d104s24p64d105s25p6。
• 而最外层电子都已填充到6s2，5d还空着或仅有一个电子，只有4f层 不同，当n=0–14时，元素由LaLu。 • Sc的最外层(4s)2，次外层(3s)23p63d1 • Y的最外层5s2，次外层4s24p64d1 17个稀土元素原子的最外电子层结构相同，均为2个s电子，它们与别的 元素化合时通常都失去这最外层的2个s电子，它们的次外层有的为一 个d电子，无d电子时则失去一个4f电子（这是借助4f n4f n–15d1过 渡），故正常的原子价是3价。这是稀土元素的共性，也是造成化学 性质相似的根本原因。
磁学性质
• 弧立稀土离子的基态磁矩是研究稀土磁性的基础， 故先讨论此问题。原子或离子的磁矩主要由其电 子结构所决定。由于满壳层电子的磁矩总和为零， 所以只需考虑4f层上电子对其磁矩的贡献即可。 • 若4f层上只有一个电子，则其电子轨道磁矩 其轨道角动量有 下列关系： 与
L—为离子轨道总角动量量 子数 S—为离子自旋总角动量量 子数 J—为离子总角动量量子数
第二节 稀土元素的材料学性能和理 化性质
• 一、稀土元素的几何性质 • 二、稀土元素的物理性质
稀土元素的几何性质
在常温、常压条件下，稀土金属有下列五种晶体结构： （1）密排六方结构—原子堆垛次序为ABABAB等，符合此 结构的有钪、钇和从钆到镥的所有重稀土金属（Yb除外）； （2）面心立方结构—原子堆垛为ABCABC等，铈和镱属此 结构； （3）双六方结构—原子堆垛为ABACABAC等，镧、镨、钕、 钷等； （4）斜方结构—原子堆垛为ACACBCBABACA等，唯钐有 这一独特结构； （5）体心立方结构—原子堆垛为非密排结构，唯有铕属此 结构。 当温度、压力变化时，多数稀土金属要发生晶型转变，称为 固态相变。
镧系收缩
• 从表2–1中所列RE3+离子半径的数值可知， 从La3+Lu3+，其离子半径依次减少。这种 镧系元素离子半径随原子序数的增加而逐 渐减小的现象称为镧系收缩。 • 其原因是随原子序数的增加，核电荷也相 应增加，然而电子层数保持不变，所增加 的电子（为保持原子为电中性）均填入内 层4f层上，致使原子核对外层5s25p6电子的 引力增大，造成电子云向核靠近，出现了 离子半径减小的趋向。
• （3）根据选择定则，4f–4f能级之间的跃迁，因△L=0的电偶极跃迁 属禁戒的。然而事实上则可观察到这种跃迁。这主要是由于4f组态与 相反宇称的组态g或d发生混合，使对称性偏离反演中心，结果使原属 禁戒的f–f跃迁变为允许。这种强制性的跃迁几率很小，所以激发态的 寿命较长且呈狭窄线状。一般原子激发态寿命平均为10-8—10-10s，而 4f激发态寿命长达10-2—10-6s。这是它可作为激光和荧光材料的主要 依据。
1．力学性质 稀土金属多数为银白色、有光泽的金属。硬度不大，（除Eu、 Yb更小外），硬度随原子序数的增加而增加。稀土金属具 有延展性，可拉成丝也可压成薄板。 前面曾提到由于铕、镱的原了半径异常，不服从镧系收缩， 故原子体积增大，密度减少，硬度也减小。其熔点、沸点、 电阻率也都明显异常，这与其原子参与金属键的电子数目 与其它稀土元素不同有关。 2．热学性质 稀土金属的熔点都较高，大体上随原子序数的增加而增高 （除Eu、Yb外）。 稀土金属的沸点和升华热与原子序数的关系无明显规律。 3．稀土元素的电学性质 稀土金属的导电性并不良好，常温时其电阻率都较高。除镱 外，其电阻率为50~130· cm，比铜、铝的电阻率高1— 2个数量级。另外，它们有正的温度系数，La在接近4.6K 时具有超导性能。
• （6）稀土离子在晶体中或溶液中对白光的 某些波长各有不同的吸收，而对其它波长 有强烈的散射。从而呈现不同的颜色，三 价稀土离子的颜色如下：
稀土元素的化学性质
1．稀土元素的活泼性 稀土元素是典型的金属元素，其金属活泼性仅次于碱金属和碱土金属，并且由钪、钇、镧 递增，由镧→镥递减，即镧是最活泼的稀土金属。 • 稀土金属在室温下就能与空气中的氧作用，继续氧化的程度取决于所生成的氧化物的 结构和性质而有不同。La、Ce、Pr、Nd氧化得很快，而另一些如Y、Dy、Gd、Tb等 则氧化的慢一些。 • 稀土金属在室温下即可吸氢，在250—300℃其相互作用加剧，并生成ReH2.8（对La、 Ce、Pr）或ReH2型氢化物。氢化物在真空中加热到高于1000℃时分解放氢。 • 在硫蒸气中加热稀土金属会生成Re2S3、Re3S4、ReS型硫化物，具有很高的熔点 （1900—2500℃）和耐火性。 • 稀土金属在750—1000℃时能与N2反应，生成ReN型氮化物。稀土金属与碳、碳氢化 物、CO、CO2在加热时相互作用，形成多种碳化物（主要为ReC2）。 • 所有卤素X2（F2、Cl2、Br2、I2）在温度高于200℃时均与稀土金属发生强烈反应，生 成REX3型卤化物。除氟外，所有卤化物都有很强的吸水性，并易水解生成ReOX型卤 氧化物，只有Sm、Eu、Yb生成低价卤化物ReX2。 • 稀土金属易溶于稀的盐酸、硫酸和硝酸中，微溶于氢氟酸和磷酸，这是由于生成难溶 盐的保护膜。稀土金属与碱不发生反应。 • 稀土金属还是强还原剂，能将Fe、Ni、Co、Cr、V、Nb、Ta、Ti、Zr、Si等元素的氧 化物还原为金属。能与许多金属生成金属间化合物，为应用开辟了新天地。 • 稀土金属和其它非金属元素如Cl2、S、N、P、C、Si、B等在一定温度下反应直接生成 熔点高、密度小、化学性质稳定的二元化合物，这是它们可在钢、铁、有色冶炼中被 添加起变质净化作用的原因。
稀土离子的变价
• 稀土元素之间电子层结构上存在差异，4f电子的 数目对价态也有一定影响。 • 根据光谱学上的洪德（Hund）规则，在原子或离 子的电子层结构中，当同一层处于全空、全满或 半满的状态时比较稳定。用到4f层上，则有La3+、 Gd3+、Lu3+的基态电子各为[Xe]4f0、[Xe]4f7 和 [Xe]4f14[见表2–1]。因此它们是比较稳定的3价态。 • 它们下方的元素（Ce3+、Pr3+、Tb3+）离子比稳 定态的离子多一个或两个电子，所以易被氧化为4 价态； • 它们上方的元素（Sm3+、Eu3+、Yb3+）离子则比 稳定态少1或2个电子，所以易被还原成2价态。 这就造成了稀土元素“不正常价态”的存在。
• RE—Fe相图中富铁端形成的RE2Fe17和REFe2化合物 （SmFe2、TbFe2） • RE—Co、RE—Ni相图中生成的RECo5、RENi5(SmCo5、 LaNi5) 都是极为重要的稀土功能材料。如SmCo5永磁材料， LaNi5贮氢材料， SmFe2、TbDyFe2磁致伸缩材料， Nd2Fe14B永磁材料等。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
• （5）f–d组态之间的跃迁，根据选择定则，这种△L=1的跃迁是允许 跃迁。但光谱表现为宽谱带，短寿命，强度较大并受晶体场影响较大 的特点。在稀土离子的激光光谱中，其f–f跃迁谱带窄，强度弱。为了 克服这一弊端，人们利用f–d跃迁来提高对激发光能的吸收，然后将 这部分能量传递给稀土激活离子，这是提高稀土发光率的主要途径。
稀土元素的光谱特性
• 未充满的4f壳层及由此而产生的多种多样的电子能级，所 以稀土元素能够发光。可作为优良的荧光、激光和电光源 材料以及彩色玻璃和陶瓷釉料。
• 稀土元素的电子能级有如下特征：
（1）角量子数L=3的4f壳层共有7个轨道，它们的磁量子数分别为–3， –2，–1，0，1，2，3。15个镧系元素3价离子当处于基态时，4f 电子在各轨道上的分布情况见表2–4。 ：总磁量子数，它的最大值即离子的轨道总角动量量子数L
• （4）在稀土离子的4f壳层外面，还有5s25p6电子层，由于后者的屏蔽 作用，故受外界的电场、磁场和配位场（化合物中其它元素的势场） 影响较小。因此，稀土元素化合物的吸收光谱和自由离子的吸收光谱 基本一样，都是线状光谱。这明显不同于d过渡元素的离子。由于d层 外无其它电子层屏蔽，故受配位场影响很大，所以同一元素在不同化 合物中的吸收光谱不同，将其吸收光谱内气体自由离子时的线状光谱 变为化合物或溶液中的带状光谱。
• 电子自旋磁矩
与其自旋角动量
• 它们的矢量和是该离子的总磁矩
•
是电子的总角动量
• 若4f层上有多个电子，电子的自旋和轨道运 动也有耦合，全体该层中的电子的总角动 量才是守恒不变的量。由于稀土的4f电子服 从L–S耦合， • 分别是该离子的轨道角动量 和自旋角动量，离子的磁矩也应为：
• 它仍然同该离子的总角动
第二章 稀土元素的结构特征 与材料学性能
第一节 稀土元素的结构特点
•
17个稀土元素均位于元素周期表同一族一ⅢB族，造成物化性质有一定相似性。特别是 镧系的15个元素（La—Lu）均位于周期表的同一格内，它们的性质更为接近，分离成 单一元素时十分困难。但是，它们本身是17个不同的元素，尤其在电子结构，原子及 离子半径等方面又有显著的不同，所以各自有自己独特的性能。这正是我们要重点研 究的内容。
原子半径对稀土合金结构的影响
• 稀土金属在过渡族金属中的固溶度极低，但能形成一系列 金属间化合物。
稀土金属的原子半径在173.5pm~187.9pm之间，铁原子半径只有 117pm，稀土离子的半径在85pm~106pm之间，而Fe3+、Co2+、 Mn2+、Al3+离子半径分别为60pm、72pm、80pm、50pm。由于 稀土原子和离子的半径都远大于常见的金属原子和离子的半径， 这种半径差（原子R寸 因素）引起的形变能较大，如：
• 左上角的数字表示光谱项的多重性，它等 于2S+1，右下角的数字代表J的数值。例如 Nd3+的基态光谱项用“4I9/2”表示。