稀土元素性质的决定因素和体现-上海交通大学

稀土元素性质的决定因素和体现

吴秀萍

上海交通大学 F0511002班 5051109030

摘要：稀土元素的性质十分相似，这与它们原子和离子特有的电子结构和半径大小有关，稀土元素在各方

面的应用充分体现了它们的性质。

关键词：电子组态 磁性 光谱特性

引言： 稀土元素的发现至今已经经历了一个漫长的时期，人们对稀土元素独特的化学性质和物理性质的认识，也经历了一个逐渐深入的过程，因此能合理充分地应用稀土元素。 1 稀土元素的定义

稀土元素是指周期表中第57（ 镧 ）到71（镥）号原子序的镧系元素，以及第三副族中的钪和钇共17个元素，它们在自然界中共同存在，性质非常相似。由于这些元素发现的比较晚，又难以分离出高纯的状态，最初得到的是元素的氧化物，它们的外观似土，所以称它们为稀土元素。［1］

2 稀土元素性质的决定因素

稀土元素的性质非常相似，但彼此之间又有一些差别，这都是由它们的原子和离子的电子结构，以及半径大小所决定的。

2.1 稀土元素原子和离子的电子结构特征

电子结构特征是由电子组态来描述的。电子组态是由主量子数n 和角量子数l 所规定的一种原子或离子中电子排布方式。 电子组态用符号 nl 表示。根据能量最低原理，镧系元素原子的基态电子组态由两种类型：［Xe ］4f 6s 和［Xe ］4f

5d 6s 。 当原子受热或电磁辐射的激发，分别失去它们的5d 6s 或4f 6s 三个外

层电子之后，都变成正三价的离子。当4f 轨道处于全空、半充满和全充满时，离子是较稳定的，所以镧、钆、镥的正三价离子是最稳定的。原子序比镧大1或2的铈、镨，比钆大1的铽原子，也倾向于多电离出1或2个4f 电子，变成稳定的正4价的离子。原子序比钆、镥小1或2的钐、铕、镱，也倾向于少电离出1或2个电子，变成具有半充满或全充满的4f 轨道，形成稳定的正2价的离子。

2.2 稀土元素的原子半径和离子半径

镧系元素随着原子序的增加，核电荷相应增加，电子依次填入4f 内层，而外层保持不变。因为4f 电子的径向分布不可能完全屏蔽核电荷对外层电子的引力，核电荷的增加对外层电子的引力也增大，因而造成镧系元素原子和正三价离子半径也随之减小，这就是“镧系收缩”现象。

3 稀土元素的应用

1 2 2 1 2 n-1 n 2 1

近年来，稀土元素在工业，农业各产业领域以及在科学技术个方面的应用，由少到多，由局限到广泛，由粗放到精细一步步地发展起来。

3.1 稀土元素在激光和发光材料中的应用

激光和发光材料是由作为基质的化合物和掺杂在其中的激活剂离子组成的，其中基质和激活剂主要是稀土元素离子和化合物［2］。由此可见，在激光和发光工作物质中，稀土元素是很重要的组成元素。

3.1.1 性质体现：光谱特性

稀土元素在激光和发光材料中的应用主要是利用了其光谱的特性。这一特性主要是由稀土元素的特有的电子组态结构决定的。这类电子组态结构的特点：（1）4f壳层是深藏在5s5p 轨道的里面，电子外壳层对4f电子起着屏蔽作用，使它较少受到外场的影响。化合物中

3+

Ln离子4f电子能级内的跃迁和发射，都呈锐线状，而且和它们的原子光谱相似；（2）除了4f电子能级内的跃迁辐射之外，因为4f能级和5d及6s能级距离相近，正三价的镧系离子也可以产生4f-5d和4f-6s能级间的跃迁辐射；（3）由于4f电子受到5s5p轨道的屏蔽，受外场影响小，所以呈球状，化学性质与碱土金属相似。［1］

由于镧系离子具有未充满的4f壳层以及4f电子的自旋轨道偶合作用，加上4f、5d、6s电子能量比较相近，产生数目很多的能级。

镧系离子的吸收光谱或激发光谱，来源于f组态内的电子跃迁，即f-f跃迁；组态间的能级跃迁，即4f-5d、4f-6s、4f-6p等跃迁；还有电荷迁移跃迁，即配体离子的电子向三价离子的跃迁。从高能级向低能级的跃迁就产生相应的发射光谱。［1］

正是由于它们所表现出来的丰富的分离能级和长寿命的激发态，能级之间的跃迁通道可能多达20万个，因此稀土离子可以产生多种的跃迁发射和吸收，可以组成各种光谱的发光材料和激光材料。那些4f能级全空、半空和全满的离子，本身虽然在可见光区没有相应的跃迁吸收和发射，但它们吸收和传递辐射能的能力很强，因此是组成发光材料基质化合物的材料。

3.2 稀土元素在磁性材料中的应用

稀土金属与某些3d过渡金属生成的金属间化合物，具有优异的永磁特性，最大磁能积是传统的永磁材料的5-10倍。稀土永磁材料可以分为三类：（1）稀土钴永磁材料；（2）稀土铁永磁材料：（3）稀土铁氮系和稀土铁碳系。稀土永磁材料的研制和开发具有重大的学术意义和经济价值。［2］

3.2.1 性质体现：磁性

这些应用都体现了稀土元素的磁性的性质。物质的磁性是物质对外界磁场的反应，从微观角度来看是由于物质中带电粒子的运动所形成的元磁矩，即原子磁矩和分子磁矩，当这些元磁矩取向有序时，物质便产生磁性。由于核的磁效应比电子的磁效应小三个数量级，所以电子时物质磁性的主要负载者。电子的磁矩分别起源于电子的轨道运动和自旋运动。

稀土元素三价离子除了La、Lu、Sc、Y 都具有不成对的电子，因此都具有顺磁性，而且他们的磁矩比d过渡元素离子的磁矩大。他们的磁矩决定于基态总角动量的大小。由于不成对的4f电子受到5s5p壳层的屏蔽，化合物中稀土三价离子的磁矩受配位环境的影响较小，与离子的理论磁矩相近。非三价离子的磁矩与等电子的三价离子的磁矩也相近。稀土金属的4f电子处于内层，其外层三个价电子为传导电子，因此大多数稀土金属的有效磁矩和失去三个电子的三价稀土离子的磁矩几乎相同。［3］

结论：稀土元素这一大家族因其特有的性质，在各领域都作出了卓著的贡献。

参考文献：［1］《稀土元素化学》

［2］《稀土元素的应用》

［3］《稀土化学》