镧系元素性质

稳定的原子核，吸收热中子后仍然很稳定，反之，奇原子序
数的核本身不稳定，吸收热中子后变得更不稳定，所以吸收热中
子的数目有限。
镧系元素性质
2 镧系元素的价电子层结构
下表列出镧系元素在气态时和在固态时原子的电子层结构。
镧系元素性质
镧系元素气态原子的 4f轨道的充填呈现两种构 型 , 即 4fn － 15d16s2 和 4fn6s2 ，这两种电子构型的相对 能量如图1所示:
Ce
Gd 4f75d26s1
Yb 4f145d0.26356s1.22516p0.5114
Lu 4f145d1.82356s16p0.1765
由于金属的原子半径与相邻原子之间的电
子云相互重叠(成键作用)程度有关。而Eu和Yb
只用少量 d 电子参与成键，成键电子总数为2，其他原子(如Gd、
Lu)能使用较多的 d 电子参与成键，成键电子总数为3 (Ce为3.1)，
镧系元素的性质
及其
性质变化规律性
镧系元素在地壳中的丰度和奇偶变化 镧系元素的价电子层结构 原子半径和离子半径 Ln3＋离子的碱度 氧化态 镧系元素化合物的一些热力学性质 镧系元素的光学性质 镧系元素的磁学性质 镧系元素的放射性
镧系元素性质
1 镧系元素在地壳中的丰度和奇偶变化
奇偶变化
左图显示出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。
除原子半径外，原子体积、密度、原子的热膨胀系数、 第三电离子能、前三个电离能的总和、原子的电负性、一 些化合物的熔点、沸点等也出现这种峰谷效应。
镧系元素性质
峰谷效应 (双峰效应)
对峰谷效应的解释如下：
Eu
●电子精细结构: 据计算，Eu、Gd、Yb、Lu Yb 的电子精细结构分别为:
Eu 4f75d0.52626s1.21476p0.2591
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。
原子序数是原子核内质子数的代表
，偶原子序数的元素意味着核内质子数
为偶数。已经知道，核内无论是质子还
是中子，在基态时总以自旋相反配对存在，由于原子序数为偶数
的元素能满足这种自旋相反配对的要求，因而能量较低，所以就
特别稳定，既然该核特别稳定，那么它在地壳中的丰度就大。
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 镧系学元素性性质质相似，分离困难。
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”。
59 Pr 182.8
101.3 90
研究表明：镧系收缩90%归因
60 Nd 61 Pm 62 Sm 63 Eu 64 Gd 65 Tb 66 Dy 67 Ho 68 Er 69 Tm 70 Yb 71 Lu
182.1 181.0 180.2 204.2 180.2 178.2 177.3 176.6 175.7 174.6 194.0 173.4
3 原子半径和离子半径
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
左表示出镧系元素的原子半 径、离子半径。随着原子序数依 次 增 加 ， 15 个 镧 系 元 素 的 原 子 半 径和离子半径总趋势是减小的， 这叫“镧系收缩”。
另一方面，激发的结果增加了一个成键电子，成键时可 以多释放出一份成键能。对大多数镧系的原子,其成键能大 于激发能，从而导致4f 电子向5d 电子跃迁, 但少数原子，如 Eu和Yb，由于4f 轨道处于半满和全满的稳定状态，要使4f 电子激发必须破坏这种稳定结构, 因而所需激发能较大, 激发 能高于成键能, 电子不容易跃迁, 使得Eu、Yb两元素在化学 反应中往往只以6s2电子参与反应。
其中 La、Ce、Gd、Lu 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，有人认为是接近全空的缓故。
镧系元素性质
这两种电子结构可以用来说明镧系元素化学性质的差异。 这些元素在参加化学反应时需要失去价电子，由于4f 轨道被 外层电子有效地屏蔽着, 且由于E4fE5d, 因而在结构为 4fn6s2 的情况下, f 电子要参与反应，必须先得由4f 轨道跃迁到5d 轨道。这样，由于电子构型不同，所需激发能不同，元素的 化学活泼性就有了差异。
镧Biblioteka Baidu元素性质
镧系元素的原子，在固 态时的电子构型与气态时的 电子构型不尽相同。在固态 时，除Eu和Yb仍保持4fn6s2 以 外 ， 其 余 原 子 都 为 4fn － 15d16s2的构型。
从气态变到固态，其实 质是原子间通过金属键的形 式结合成为金属晶体。成键 倾向于使用低能级轨道。镧 系元素气态原子在形成金属 键时的成键电子数，除Eu和 Yb为2、Ce为3.1外, 其余皆 为3。所以Eu和Yb只使用6s2 成键，气、固态一致，其余 元素在固态时减少一个f电 镧系元素性质 子，增加一个d电子。
99.5 97.9 111 96.4 109 95.0 93.8 92.3 90.8 89.4 88.1 94 86.9 93 85.8 84.8
于 依 次 填 充 的 (n － 2)f 电 子 其 屏 蔽 常数可能略小于1.00(有文献报告 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；而 84 10%来源于相对论性效应，重元素 的相对论性收缩较为显著。