镧系元素和锕系元素
无机化学 第二十二章：镧锕系元素
7
双峰效应
8
离子半径: Ln3+半径单调下降，其它价态的离子半径变化也和
Ln3+相似。在Gd3+处，出现离子半径减小幅度变小 的现象, 叫钆断效应。 ( Gd3+: 4f 7 )
Gd3+
9
6. 离子颜色
8
f-f 跃迁：由于f轨道深埋在原子内部，受到屏蔽而同环 境相隔绝，即外场对光谱分裂作用的影响很小，因而吸 收光谱带特别窄。对过渡元素来说，环境对d轨道影响 很大，因而d-d光谱吸收带很宽。
13
8. 化学性质
（1）单质 镧系金属在酸、碱性介质中，都是较强的还 原剂，其还原能力仅次于碱金属和碱土金属，
Ln3+/Ln < -2.2V, Ln(OH)3 /Ln < -2.7V, 金属活泼性：Sc<Y<La, LaLu 依次递减， La最活泼
a. 在空气中很容易失去光泽，在氧气中加热时，它们都生
b. +Ⅲ氧化态最常见，同时也是最稳定的氧化态。它
反映了ⅢB族元素的氧化态特点，但也有+Ⅱ,+Ⅳ氧 化态 (f 0, f 7, f 14)， 如：Sm2+, Eu2+, Tm2+，Yb2+，Ce4+, Pr4+, Tb4+
c. 对于Ce2+, Dy4+，不能完全从全空、全满、 半空等情况来考虑，还有其它热力学因素和动力 学因素，如离子水合热
d. 溶液中稳定氧化态有：Ln3+、Eu2+(4f 7)、
Yb2+(4f 14)、Ce(IV)(4f 0)
5
5. 原子半径和离子半径
6
镧系收缩 镧系元素的原子半径和离子半径在总的趋势上都
镧系元素和锕系元素知识总结
镧系元素和锕系元素知识总结
镧系元素是指的是镧（La）和镝（Dy）之间的元素，包括了镧、铈、镨、钕、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒和铥。
锕系元素是指镤（Pa）和铀（U）之间的元素，包括了镤、铀、镅、锔、锫、锎、锿、镄、钔、锘、铹和八氦。
这两个系列的元素都是内过渡金属元素，具有一些共同的特点和性质。
1. 化学性质：
- 镧系元素和锕系元素都具有较高的原子序数和较复杂的电子结构，因此在化学反应中表现出多样的化学性质。
- 这些元素的氧化态多种多样，一般有+2到+4的氧化态，也有较高的氧化态。
- 镧系元素和锕系元素都具有较强的还原性和氧化性。
2. 物理性质：
- 镧系元素和锕系元素都是铁磁性金属，具有较强的磁性。
- 这些元素的原子半径和离子半径较大，因此在金属中常以+3价状态存在。
- 镧系元素和锕系元素的原子核比较稳定，存在较多的同位素，包括放射性同位素。
3. 应用：
- 镧系元素和锕系元素在工业上有广泛的应用，尤其是镧、钇和铀等元素。
- 镧系元素广泛应用于电子产业、催化剂产业、照明产业等领域，如镧系金属在气体燃料电池中的应用和镧系氧化物作为催化剂的应用等。
- 锕系元素主要应用于核能产业，如铀和镅等元素被用作核燃料和核燃料后处理等。
第21章镧系元素和锕系元素
注：Tb3+略带淡粉红色。
① La3+，Lu3+和 Y3+离子是无色的
(可见光波长范围 400~760nm)
在可见光区没有吸收带，La3+(4f0)和 Lu3+(4f14)没有未成对电子之故。 ② Ce3+,Eu3+,Gd3+和 Tb3+的吸收带的波长全部或大部分在紫外区，无色； ③ Yb3+离子吸收带的波长在近红外区域，无色； ④ 其余 Ln3+离子在可见光区有明显吸收，离子有颜色，有些颜色非常漂亮（如 Pr3+，Nd3+，Er3+等） 。 5．标准电极电势 镧系金属是较强的还原剂，其还原能力仅次于碱金属 Li，Na，K 和碱土金属 Mg，Ca，Sr，Ba，且随着原子序数增加，其还原能力逐渐减弱。 Ln2+离子也是强还原剂。Ce4+是强氧化剂，能被水缓慢地还原。Pr4+是也很强 的氧化剂，Pr4+/Pr3+电对的标准电极电势值为+2.28V，这表明，Pr4+不能在水溶液 中存在。 21.1.2 镧系金属
6 7 13 14
+IV (Ce，Pr，Tb，Dy) Ce(4f0)，Pr(4f1)，Tb(4f7)，Dy(4f8)；
减小的现象称为镧系收缩。 原子半径：除 Eu 和 Yb 反常外，从 La---Lu 略有缩小。
Eu 和 Yb 反常
铕和镱的金属晶体 电子构型是半充满 4f7 和全充满 4f14。
中，它们仅仅给出 2 个电子形成金属键，原子之间结合力不像其它镧系元素那样 强。所以金属铕和镱的密度较低，熔点也较低。 离子半径：缩小快。 镧系收缩是无机化学的重要现象之一 ① 镧系收缩，使钇成为稀土元素的成员，Y 常与重稀土元素共生 ② 镧系收缩，使 IVB 族中的 Zr 和 Hf，VB 族中的 Nb 和 Ta，VIB 族中的 Mo 和 W，三对元素的半径接近，化学性质相似，分离困难。 4．离子的颜色 一些氧化数为+Ⅲ的镧系离子有很漂亮的颜色。如果负离子无色，在盐的晶 体和水溶液中都保持 Ln3+的特征颜色。 以 Gd3+离子为中心， 从 Gd3+到 La3+的颜色变化规律又在从 Gd3+到 Lu3+的顺序 中重现。这就是 Ln3+离子颜色的周期性变化。
元素周期表中的镧系与锕系元素
元素周期表中的镧系与锕系元素镧系元素和锕系元素是元素周期表中两个重要的连续元素系列。
它们在化学性质和应用中都具有独特的特点。
下面将对镧系元素和锕系元素进行详细介绍。
一、镧系元素镧系元素是指周期表中镧（La）至镤（Lr）这一系列的元素。
镧系元素具有相似的化学性质和电子结构，这是由于它们都有4f轨道的电子。
镧系元素主要包括镧（La）、铈（Ce）、镨（Pr）、钕（Nd）、钷（Pm）、钐（Sm）、铕（Eu）、钆（Gd）、铽（Tb）、镝（Dy）、钬（Ho）、铒（Er）、铥（Tm）、镱（Yb）和镥（Lu）。
镧系元素具有较强的还原性和催化活性，广泛应用于催化剂、照明材料和电子器件等方面。
以镧系元素为主的合金在航天、国防等领域也有重要应用。
二、锕系元素锕系元素是指周期表中锕（Ac）至铀（U）这一系列的元素。
锕系元素的特点是其核外电子排布在5f轨道上，这使得它们具有较复杂的电子结构和较高的电子自旋磁矩。
锕系元素主要包括锕（Ac）、钍（Th）、镤（Pa）、铀（U）、镅（Np）、钚（Pu）、镎（Am）、锔（Cm）、锫（Bk）、锎（Cf）、锿（Es）、镄（Fm）、钔（Md）、锘（No）和鿃（Lr）。
锕系元素具有重要的核物理性质和广泛的应用价值。
铀是锕系元素中应用最广泛的元素，被广泛应用于核能产业和核武器制造。
锕系元素还可以用于放射性同位素的制备、放射性示踪和医学诊断等领域。
总结：镧系元素和锕系元素在元素周期表中具有重要的位置和作用。
它们的电子结构和化学性质的独特性使得它们在催化、照明、电子器件、核能产业等方面具有广泛的应用价值。
对镧系和锕系元素的深入研究有助于我们更好地理解元素周期表和探索新的材料与技术。
通过对元素周期表中镧系和锕系元素的了解，我们可以更好地认识这些元素的特性和应用，并且在科学研究和工业生产中发挥其独特作用。
希望对您有所帮助！。
第24章 镧系和锕系元素
4044
4193 3886
4f 145d16s2
6
第24章
镧系元素和锕系元素
24.1 镧系元素
镧系元素一般都能形成稳定的+3氧化 态，+3是镧系元素的常见氧化态，特征氧 化态。
7
第24章
镧系元素和锕系元素
价电子层结 构 4f 05d16s2 4f 15d16s2 4f 3 6s2 4f 4 6s2 4f 5 6s2 4f 6 6s2 4f 7 6s2 4f 75d16s2 4f 9 6s2 4f 10 6s2 4f 11 4f 12 4f 13 4f 14 6s2 6s2 6s2 6s2 +3 Ln3+ 4f 0 4f 1 4f 2 4f 3 4f 4 4f 5 4f 6 4f 7 4f 8 4f 9 4f 10 4f 11 4f 12 4f 13 4f 14
f区元素
§18. 2 锕系元素
3. 离子半径
由于5f电子对原子核的屏蔽作用比 较弱，随着原子序数的递增，有效核电 荷增加，锕系元素的离子半径也有与镧
系元素收缩类似的“锕系收缩”现象。
29
第十八章
f区元素
§18. 2 锕系元素
4. 离子的颜色
锕系 Ac3+ Th4+ PaO2+ Pa4+ Cm3+ 5f 0 5f 0 5f 0 5f 1 5f 7 颜色 无色 无色 无色 浅红色 绿色 镧系 La3+ Ce3+ Gd3+ Nd3+ Pr3+ 4f 0 4f 1 4f 7 4f 3 4f 2
ⅢB Y3+ 89.3 La3+ 106 ⅣB Zr4+ 80 Hf4+ 79 ⅤB Nb5+ 70 Ta5+ 69 ⅥB Mo6+ 62 W6+ 62
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第二十三章镧系元素和锕系元素周期表中，ⅢB 族有32 种元素，包括钪、钇、镧、锕，其中镧这一格代表15 种镧系元素（ 71 ~ 57 = Z ），锕这一格代表15 种锕系元素（ 103 ~ 89 = Z ），下面分别讨论镧系和锕系元素。
23-1 镧系元素1、通性：（1）概念：镧系包括从Lu La ~ 的15 种元素，用Ln 表示，又由于Y 在矿物中的与镧系共生，其原子半径和离子半径与镧系元素接近，所以又把Y 和镧系元素合称希土元素，用RE 表示。
（2）电子层结构镧系内，自La 以后，增加的电子填充在f 4 亚层上， f 有t 个轨道，共可容纳14个电子，所以La 后出现14 种元素，称为第一内过渡系。
锕系后14 种元素称第二内过渡元素，92 号U 以后的元素又叫超铀元素。
镧系元素原子的最外面两层的电子结构相似，不同在于f 4 内层，因此化学性质非常相似，在周期表中占一格。
（3）氧化态：主要价态为+Ⅲ，+Ⅳ，但不及+Ⅱ稳定，+Ⅱ价态为很强的还原剂+ 2 Sm （钐），+Ⅳ为很强的氧化剂如： + 4 Ce （铈）（能存在于溶液中）， + 2 Eu （铕）， + 2 Yb （镱）能存在于溶液中。
它们的氧化态与电子层的构型有关，如14 7 0 , , f f f 特别稳定，另外还与其热力学和动力学因素有关。
（4）原子半径和离子半径：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称为镧系收缩。
随着原子序数的增加，电子填入f 4 层，而f 4 电子对核的屏蔽不如内层电子，因而随着原子序数的增加，对外层电子吸引力增加，原子半径、离子半径逐渐减小。
其中铕（Eu ）和镱（Yb ）的原子半径变化趋势反常，是因为它们分别具有7 4 f 和14 4 f 的稳定结构，对原子核有较大的屏蔽作用。
另外，在它们的金属晶体中它们仅能给出2 个s 电子形成金属键，原子之间的结合力不像其他镧系元素那样强，所以金属铕和镱的密度较低，熔点也较低，升华能也比相邻的元素低。
镧系元素和锕系元素
镧系元素和锕系元素
1镧系元素
镧系元素是一类常见元素，其化学性质极为稳定，主要分布在周期表中第六、七及第八族之间，例如氧化物等化合物项的稳定性是非常高的，其核心电子结构主要归属于[Xe]4f1-14，5d1-10选项之下。
在镧系元素里，一共有15种元素，自氦（He）开始，到钆（Gd）结束，氦（He）和钆（Gd）也是镧系元素中的一部分，只不过它们是极重元素，所以分别位于第二、七组之外。
2锕系元素
锕系元素是一类极其精细及复杂的元素，主体核心电子结构主要归属于[Rn]5f0，6d1，7s2，选项之下，元素分布在周期表的第十族的末尾。
化学性质上，此族的元素具有非常强的氧化价，可以反映出其在有机物质中，对金属化学及有机合成物的重要性。
其中，镏（Re）及大同（Ds）是极重的元素，由于元素量极为稀少，分布于第十族之外，不属于锕系元素。
总之，镧系和锕系元素是一类常见元素，其核心电子结构及相关元素都分布在各自一定的组及周期表中，对金属化学及有机合成物的发展非常重要。
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
镧系元素和锕系元素镧系元素是指周期表中镧（La）至镥（Lu）这15个元素。
它们都是顺磁性的，具有相似的电子配置和化学性质。
镧系元素中最常见的元素是镧（La）和铈（Ce），它们在地壳中广泛存在。
镧系元素通常以氧化物的形式存在，因此它们在化合物中具有高的离子化倾向。
镧系元素在很多领域都有广泛的应用。
首先，它们在催化剂领域有重要作用。
镧系元素催化剂常用于汽车尾气净化系统中，可以有效去除有害气体。
此外，它们还可以用于石油化工、化学工业和环境保护等领域的催化反应。
镧系元素也被广泛应用于光学领域。
由于它们具有宽的能带隙，可使光通过的波长范围更宽，因此可用于制造高透过率的光学玻璃。
镧系元素还可以被用作荧光剂和发光材料，用于制造荧光灯、LED和电视等。
镧系元素还有很多其他的应用。
它们被用于制造磁性材料，如硬磁体和软磁体。
镧系元素还可以改善铝合金的力学性能，提高其抗腐蚀性能。
此外，它们还可以用于核工业、电池技术和生物医学等领域。
锕系元素是指周期表中锕（Ac）至锕（Lr）这15个元素。
与镧系元素相似，锕系元素也具有相似的电子配置和化学性质。
锕系元素中最常见的元素是钍（Th）和铀（U），它们在自然界中广泛存在。
锕系元素在核工业中有重要应用。
钍和铀是两种常用的核燃料，被用于核电站和核武器中。
此外，锕系元素还可以用于放射性医学，如放射性同位素治疗癌症。
与镧系元素类似，锕系元素也具有许多其他的应用。
锕系元素可以用于放射性示踪剂、放射性污染监测和放射性探测器的制造。
它们还可以用于照相术和放射性碳测年等应用。
总结起来，镧系元素和锕系元素是元素周期表中重要的内过渡金属系列。
它们具有相似的电子配置和化学性质，广泛应用于催化剂、光学材料、磁性材料、核工业和医学等领域。
对于进一步发掘这些元素的特性和应用，以及其在环境和健康方面的影响，还有很多需要深入研究的领域。
第25章镧系和锕系元素
下面是一些稀土荧光材料所显示的荧光：
红：铕激活的氧化钇基质
蓝：铕激活的硅酸盐基质、铕激活的磷酸盐基质
铕激活的锆酸盐基质、铕激活的钡、镁、铝酸盐基质
绿：铽激活的磷酸盐基质、铽激活的硅酸盐基质
铽激活的铈、镁、铝酸盐基质
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25.4 镧系元素的重要化合物和镧系金属
25.4.1 氧化数为+3的化合物
（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
22.4.4 镧系金属单质
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25.5 镧系元素的电子结构和通性
➢ 锕系元素的特征氧化态是+3。 ➢ 与镧系收缩相似，随着原子序数的递增，锕系元素的离子半径递减。 ➢ 与镧系元素的吸收光谱相似，表现出f-f吸收的特征。 ➢ 锕系元素的5f轨道相对于6s和6p轨道比镧系元素是4f轨道相对于5s和 5p轨道在空间伸长得较多，因而在配位化合物中锕系元素显示出某种比 镧系元素较大的共价性。
➢ 从1794年芬兰化学家加多林(Gadolin)发现第一种稀土元素（钇）， 到1972年在天然铀矿中发现了钷(14361Pm，半衰期2.7年)，才确认17种 稀土元素在自然界中均存在。 锕系元素都具有反射性。
第二十二章 镧系和锕系元素
概述 镧系元素 锕系元素
元素周期表
1 氢
3
IA 1 H
2
2 锂 铍 11 Na 12 Mg 3 钠 镁 IIIB
19
IIA Li 4 Be
IIIA IVA 5 B 6 C
VA 7 N
15
VIA VIIA 8 O 9 F
16
氦
He
10 Ne 18 Ar
硼
13
碳
14
氮 氧 磷 硫
P S
57 La 58 Ce 59
Rb
Y
40
Zr
41
Nb
42 Mo 43
Tc 44 Ru
Pd
47 Ag 48 Cd 49
Te
I
镧 铈
镨
Pr
60 Nd 61 Pm 62 Sm 63 Eu 64 Gd 65
钕 钷
92
钐 铕 钆 镅 锔
Tb
铽 镝
66 Dy 67 Ho 68
Er
69Tm
70 Yb 71
钬
铒 铥
镱 镥
5d1
注：Eu,Yb 的4f电子能量 电子能量 不参与成键, 低,不参与成键 不参与成键 只有2个电子成 只有 个电子成 键，而其余有 三个电子成键。 三个电子成键。 因此它们 的金属键弱、 的金属键弱、 原子半径显得 较大、 较大、熔沸点 较低。 较低。
镧系元素
三、氧化态 +III氧化态是所有 元素的特征氧化态。 氧化态是所有Ln元素的特征氧化态 氧化态是所有 元素的特征氧化态。 它们失去三个电子所需的电离势较低， 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。 氧化态。 稳定的 氧化态 有些虽然也有+II或 氧化态， 有些虽然也有 或+IV氧化态，但都不稳定。 氧化态 但都不稳定。 Ce(4f15d16s2),Pr(4f36s2),Tb(4f96s2),Dy(4f106s2)能形 能形 氧化态即 成+IV氧化态即Ce(4f0),Pr(4f1),Tb(4f7),Dy(4f8) 。 氧化态 Sm(4f66s2),Eu(4f76s2),Tm(4f136s2),Yb(4f146s2)能形 能形 氧化态即 成+II氧化态即Sm(4f6),Eu(4f7),Tm(4f13),Yb(4f14) 。 氧化态 电子层结构来看， 接近或保持全空、 从4f电子层结构来看，其接近或保持全空、半满 电子层结构来看 及全满时的状态较稳定(也存在热力学及动力学因素 也存在热力学及动力学因素)。 及全满时的状态较稳定 也存在热力学及动力学因素 。
镧系元素
均为活泼金属，仅次于碱金属，
与镁接近。
在不太高的温度下, 可与氧、硫、氯、
氮反应，可作脱硫剂、脱氧剂等。
可与水、酸反应，应将其保存在 煤油里。
22-1-4 离子的颜色——呈周期性变化
颜色 未成对 未成对 离子 离子 4f 电子数 (4fn) 4f 电子数 (4fn) La3+(4f0) 0 0 Lu3+(4f14) 无 Ce3+(4f1) 1 1 Yb3+(4f13) 无 22-1-4 离子的颜色 3+ 12 3+ 2 Pr (4f ) 2 2 Tm (4f ) 绿 Nd3+(4f3) 3 3 Er3+(4f11) 淡红 Pm3+(4f4) 4 4 Ho3+(4f10) 粉红淡黄 Sm3+(4f5) 5 5 Dy3+(4f9) 黄 Eu3+(4f6) 6 6 Tb3+(4f8) 淡红 Gd3+(4f7) 7 7 Gd3+(4f7) 无
2、离子交换法（离子交换色层分离法）：
稀土元素
（三）稀土元素的应用：
据统计，目前世界稀土有 70% 左右消耗于材 料方面。稀土材料应用之广遍及国民经济各个 领域和行业：冶金、石油化工、轻工、光学、 磁学、电子、生物医疗和原子能工业等。稀土 金属在电子材料、原子能材料、药物合成及超 导技术等高新技术领域的应用也日益广泛，稀 土储氢材料（如LaNi5，La2Mg17等）用于H2的 储运、能源的检验、制冷及提纯氢等方面。
稀土元素
（一）稀土元素的资源 我国稀土资源有五大特点：储量大、分布广、 类型多、矿种多、品位高。 根据硫酸复盐溶解度不同，可将稀土元素分为铈 组和钇组： 铈组（La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、）硫酸复 盐较难溶 钇组（ Eu 、 Gd 、 Tb 、 Dy 、 Y 、 Ho 、 Er 、 Tm 、 Yb、Ln）硫酸复盐较易溶
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 。
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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。
镧系元素和锕系元素
镧系元素（Lanthanides）和锕系元素（Actinides）镧系元素和锕系元素是元素周期表中两组特殊的元素系列，分别位于元素周期表的第6和第7周期。
这两个系列的元素在化学性质和电子结构方面都具有独特的特点。
镧系元素镧系元素是指周期表中镧（La）到镱（Yb）的15个元素，它们的原子序数依次递增。
这些元素的外层电子结构为5d16s2，其中的4f电子层是它们的主要特征之一。
镧系元素是稀土金属，具有类似的化学性质。
镧系元素具有较小的原子半径、高电离能和特殊的磁性质。
它们在化学反应中往往呈现+3价态，因为去除一个外层5d电子更容易。
镧系元素在合金制备、催化剂和光学材料等方面有广泛的应用。
镧系元素的用途镧系元素在许多领域都有重要的应用。
其中一些应用包括：1.稀土磁体：镧系元素的磁性性质使其在制造强大的磁体方面具有独特的优势。
例如，镧系元素钕（Nd）可以用于制造永磁体，用于电动汽车和计算机硬盘驱动器等设备中。
2.光学材料：镧系元素的荧光性质使其成为荧光屏和荧光粉的重要组成部分。
它们还用于制造高效的LED照明和激光器等光源。
3.催化剂：镧系元素的化学催化性能使其在制造化学品和炼油工业中得到广泛应用。
例如，镧系元素铈（Ce）和镨（Pr）可以用作汽车尾气净化催化剂。
4.合金制备：镧系元素可以与其他金属元素形成稳定的合金，这些合金在航空航天、汽车和船舶制造等领域有重要的应用。
尽管镧系元素在许多领域有广泛的应用，但由于其产量相对较小且分散，其价格相对较高。
锕系元素锕系元素是指周期表中锕（Ac）到镆（Md）的15个元素，它们的原子序数依次递增。
锕系元素的电子结构为5f n6d17s^2，其中的5f电子层是它们的主要特征之一。
锕系元素是放射性元素，有较长的半衰期。
锕系元素的化学性质和镧系元素相似，但由于其放射性属性，其应用受到限制。
锕系元素有丰富的同位素，其中一些同位素可以用于核能和放射治疗。
锕系元素的用途尽管锕系元素的使用受到限制，但它们在某些领域仍然有重要的应用。
[理学]镧系和锕系元素_OK
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2021/8/20
Lu
9
原子半径/pm
210.0 205.0 200.0 195.0 190.0 185.0 180.0 175.0 170.0 165.0 160.0
55 57 59 61 63 65 67 69 71
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
2
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）；
第89号元素锕（Ac）到第103号元素铹（Lr）共15种 元素统称为锕系元素（actinide elements，缩写为An）。
镧系元素与IIIB族钇（Y）的性质很相似，在自然界 中常共生于同一矿床中，所以常把钇和镧系元素统称 为稀土元素（rare earth elements，用RE表示）。
不溶于M2SO4溶液
NO3-(碱式)
中等溶解
PO43-
不溶
CO32-
不溶；不溶于过量CO32-溶液
C2O42-
不溶；不溶于过量C2O42-溶液
2021/8/20
易溶
不溶
溶于M2SO4溶液 微溶
不溶
不溶；溶于过量CO32-溶液 不溶；溶于过量C2O42-溶液
23
卤化物 向镧系金属氧化物、氢氧化物或碳酸盐中加入 盐酸即可得到氯化物。氯化物易溶于水，在水溶液中结 晶出水合物。从La到Nd常结晶出七水合氯化物，而从P m到Lu(包括Y)常以六水合物析出。加热水合物不能得到 无水氯化物，因为氯化物受热脱水时会发生水解生成氯 氧化物LnOCl。制备无水LnCl3最好是将氧化物放在COC l2或CCl4蒸汽中加热。也可采用加热氧化物与NH4Cl的混 合物制得。
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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
稀土元素性质相似，将混生的 稀土加以分离是极其困难而有意义 的工作。经常用到的分离方法有化 学法、萃取法和离子交换法。
氢气直接反应制得，
△
Ce + H2 —— CeH2
镧系氢化物经常是组成不定的
化合物，其化学式可以写做
LnHx（0<x ≤3）。
组成为 LnH2 的氢化物，除 YbH2 和 EuH2 外，均相当于金 属导体。
— H— 若将其表示成 Ln3+ e （ （ ） ） 2 ，
则易于说明自由电子的存在。
组而组成接近 LnH3 的氢化 物，可以表示成 Ln3+ （H—） 3，说 明不存在自由电子，其相当于半 导体。
土金属的硫酸盐形成复盐，不同
复盐溶解度的差别较大，这种差
别在分离中极为重要。
镧系硝酸盐从水溶液中析出
时也经常带有结晶水，它们受热 时脱水形成无水盐。 进一步加热时经中间产物碱 式硝酸盐，最后变成氧化物。
镧系硝酸盐能与碱金属的硝酸
盐或硝酸铵形成复盐，不同复盐溶
解度的差别较大，这种差别也被用
于分离中。
向氯化镱溶液中加入氢氧化钠 时，也有类似的反应 YbCl3 + 3 NaOH —— Yb （OH） 3↓ + 3 NaCl
镧系元素氢氧化物的碱性与 碱土金属氢氧化物相近。且其碱 性随着原子序数的递增而有规律 地减弱 。
以至于 Yb （OH） （OH） 3 和 Lu 3 在高压下与浓氢氧化钠溶液共热， 可以 生成羟基酸盐 Na3Yb （OH） 6 和 Na3Lu （OH） 6
Pm Sm Eu Gd La Ce Pr Nd Tb Dy Ho
Er Tm Yb Lu
比 Gd 少一个 4f 电子的 Eu 和比 Lu 少一个 4f 电子的 Yb，若少失去一
个电子则可形成稳定的电子构型，所
以它们有 +2 氧化数 ；
+ 3 氧化数是镧系元素最稳定 的氧化数，其根本原因在于稀土元 素的电离能 I1 + I2 + I3 之和较小。
La，Ce，Pr，Nd，Sm 的硝
酸盐与硝酸铵形成的复盐，其溶解
度依次增大。利用多次重结晶的方
法可以将它们分开。
对于不同的体系应该采用不同
的处理方法。 例如分离铈 Ce 的做法可以利
Hale Waihona Puke 最后得到相应的氧化物5. 配位化合物
由于 Ln3+ 离子的电荷高，
因而形成配位化合物的能力大
于碱土金属。
Ln3+属于典型的硬酸，易与硬
碱中的氟、氧等配位原子成键，这
样的配体有羧酸、β－二酮及其他
一些含氧化合物。
Ln3+离子与软碱氮、硫、氯、 溴、碘的配位能力较差，只有在 适当极性的非水介质时，才能得
CeO2可以将盐酸氧化成氯气，自 身还原成 +3 价离子, 2 CeO2 + 8 HCl ——
2 CeCl3 + 4 H2O + Cl2 ↑
PrO2 只能存在于固体中，它不
仅可以将盐酸氧化成氯气， 而且可
以将水氧化放出氧气 ,
4 PrO2 ＋ 6 H2O —— 4 Pr （OH） 3 + O2↑
Er Tm Yb Lu
La（III），Gd（III），Lu（III）分 别 具有 4f 轨道 全空、半充满、全充满的 稳定电子构型，这是它们经常以 +3 氧化 数存在的原因 ；
Pm Sm Eu Gd La Ce Pr Nd Tb Dy Ho
Er Tm Yb Lu
比 La 多一个 4f 电子的 Ce ，和比 Gd 多一个 4f 电子的 Tb ，若多失去一 个电子则可形成稳定的电子构型，所以 它们有 +4 氧化数 ；
Tb 的高氧化数氧化物与盐酸的 反应生成氧气。 2 Tb4O7 + 24 HCl —— 8 TbCl3 + 12 H2O + O2↑ 可以认为将水氧化成氧气的是 Tb4O7 中的 Tb（IV）
氧化数为 +3 的镧系盐类与 碱反应，可以得到 Ln （OH ） 3 如向硫酸钐溶液中加入氨水， Sm H2O —— （ ） 2 SO4 3 + 6 NH3· 2 Sm 3 NH4） （OH） 3↓ + （ 2SO4
镧系元素在化合物中最常见 和最稳定的氧化数是 +3。 也有 + 2 和 + 4 氧化数的化 合物。
Ce ，Pr 和 Tb 还具有较为稳定
的 +4 氧化数；
Sm， Eu 和 Yb 还具有较为稳定 的 +2 氧化数 ；
镧系元素氧化数的规律性
Pm Sm Eu Gd
La Ce Pr Nd Tb Dy Ho
2 La + 6 H2O —— 2 La （OH） 3 + 3 H2
镧系元素易溶于稀酸，不溶
于碱。
例如 2 La + 6 HCl —— 2 LaCl3 + 3 H2
2. 氢化物 镧系元素属于 f 区内过渡元素， 它们的氢化物处于离子型氢化物和 间充型氢化物之间的过渡型。
镧系元素的氢化物可以由金属与
从水溶液中析出的硫酸盐经 常带有结晶水，它们受热时脱水 形成无水盐。
镧系硫酸盐溶于水的热效应
较大，因此其溶解度随温度的变 化较为明显 。
镧系硫酸盐在水中的溶解度 规律性较强，
依 Ce，Pr，Nd，Sm，Eu
次序递减；
依 Gd，Tb，Dy，Ho，Er，
Tm，Yb，Lu次序递增。
镧系硫酸盐能与碱金属或碱
这应该与 Yb 和 Lu （III） （III） 的离子半径较小，导致离子势 值较大有关。
镧系元素氢氧化物 Ln （OH） 3 在水中的溶解度远小于碱土金属 的氢氧化物，且随着原子序数的
递增而有规律地减小。
（ OH） Ln 3 溶于酸中生成盐溶
液，例如
Y （OH） 3 + 3 HCl —— YCl3 + 3 H2O 2 La （OH） 3 + 3 H2SO4 ——
到含氮配位化合物。此外较为稳
定的配位化合物就是螯合物。
Ln3+ 离子的半径大、外层空
的轨道多，导致配位数一般比较
大，可以从 6 到 12 。 这些配位化合物的形成对于 镧系元素的分离和提取极其重要。
23. 1. 3 稀土的分离提纯
自然界的稀土矿物以磷酸盐居多，
独居石是其中最重要的一种。
矿物的处理是很复杂的，但是其
镧系元素的草酸盐不仅 难溶于水，也难溶于稀酸。
利用这一特点可把镧系金属离子
以草酸盐Ln2（C2O4）3· n H2O的形式
从稀酸中析出，从而与其他多种金属 离子分离。这正是镧系金属草酸盐的 重要意义之所在。
灼烧分解草酸盐时，经过中间
产物碳酸盐
△ Ln C O —— Ln（ ） （ ） 2 2 4 3 2 CO3 3 + 3 CO
1. 化学法 化学法的本质是利用化合物溶
解度的微小差别，反复进行重结晶 操作以达到分离混合稀土的目的。
稀土硫酸盐与碱金属或碱土金 属的硫酸盐形成的复盐，其溶解度 存在较大差别，利用这种差别可以 将稀土分离成 3 组：
① 难溶性的 La，Ce，Pr，Nd，Sm ② 微溶性的 Eu，Gd，Tb，Dy ③可溶性的 Ho，Er，Tm，Yb，Lu，Y
机理均为 f-f 跃迁。
金属处于高氧化态而配体又有还
原性，则能产生配体到金属的电荷迁 移。 如具有 f 0 电子构型的 Ce4+ 离子 的橙红色就是由电荷迁移引起的。
顺磁性物质和铁磁性物质都含有
未成对电子，而反磁性物质没有未成
对电子，它们的磁矩等于零。
具有 f1-13 构型的镧系元素的原子
或离子都呈顺磁性。
第 23 章
镧系元素和锕系元素
镧系元素 锕系元素
23. 1 镧系元素
23. 1. 1 镧系元素的基本性质
周期表中第六周期 ⅢB 族，从 57 号元素镧 La 到 71 号元素镥 Lu 的共 15 种，统称镧系元素，用 Ln 表示。