[科普中國(guó)]-鑭系元素

主要成員

鑭（La）系元素（lanthanide element）包括鑭、鈰、鐠、釹、钷、釤、銪、釓、鋱、鏑、鈥、鉺、銩、鐿、镥，它們都是稀土元素的成員2

稀土元素的豐度、礦產(chǎn)及分組稀土元素的豐度稀土元素并不稀少，但在地殼中分布分散，彼此性質(zhì)相似，難以提取、分離。原子序數(shù)為偶數(shù)的元素一般比相鄰原子序數(shù)為奇數(shù)的的元素的含量高3。

稀土元素的礦藏按其存在形態(tài)，主要有三種類型的礦源：

1.稀土共生構(gòu)成獨(dú)立的稀土元素礦物。

2.以類質(zhì)同晶的形式分散在方解石、磷灰石等礦物中。

3.吸附狀態(tài)存在于粘土礦、云母礦等礦物中。

我國(guó)稀土——儲(chǔ)量大、分布廣、礦種齊全、易開(kāi)采。南方以重稀土為主，內(nèi)蒙古以輕稀土為主。

具有重要工業(yè)意義的稀土礦物有磷釔礦(YPO4)、氟碳鈰礦(Ce(CO3)F)、褐釔鈮礦(YNbO4)等。

分組根據(jù)稀土元素性質(zhì)的遞變情況將稀土元素分組有以下幾種情況3：

從原子的電子層構(gòu)型以及它們的原子量的大小把稀土元素分成兩組：即銪以前的鑭系元素叫做輕稀土元素或稱鈰組元素；把銪以后的鑭系元素加上釔叫做重稀土元素或稱釔組元素。

.按照稀土元素硫酸鹽溶液與Na2SO4等生成的稀土元素硫酸復(fù)鹽在水溶液中的溶解度可把稀土元素分為三組：即鑭到釤的硫酸復(fù)鹽難溶，稱為鈰組；銪到鏑的硫酸復(fù)鹽微溶，稱為鋱組；釔及鈥到镥的硫酸復(fù)鹽易溶，稱為釔組。也有人把鋱組稱為中稀土元素。

鑭系元素的物理性質(zhì)鑭系金屬為銀白色，較軟，有延展性4?；顫娦詢H次于堿金屬和堿土金屬，應(yīng)隔絕空氣保存。金屬活潑性順序由Sc、Y、La遞增；由La到Lu遞減，既La最活潑。鑭系金屬密度隨原子序數(shù)增加，從La到Lu逐漸增加。但Eu和Yb的密度較小。鑭系金屬是強(qiáng)還原劑，其還原能力僅次于Mg，其反應(yīng)性可與鋁比。而且隨著原子序數(shù)的增加，還原能力呈逐漸減弱的趨勢(shì)。在酸性溶液中Ln2+離子為強(qiáng)還原劑，Ln4+離子為強(qiáng)氧化劑。

鑭系元素的化學(xué)性質(zhì)鑭系金屬是強(qiáng)還原劑，其還原能力僅次于Mg，其反應(yīng)性可與鋁比。而且隨著原子序數(shù)的增加，還原能力呈逐漸減弱的趨勢(shì)4。

在酸性溶液中Ln2+離子為強(qiáng)還原劑，Ln4+離子為強(qiáng)氧化劑。

由于鑭系和錒系兩個(gè)系列的元素隨著原子序數(shù)的增加都只在內(nèi)層軌道（相應(yīng)的4f和5f軌道）充填電子，其外層軌道（相應(yīng)的6s、5d和7s、6d軌道）的電子排布基本相同，因此鑭系元素和錒系元素不僅化學(xué)性質(zhì)相似，而且每個(gè)系列內(nèi)元素之間的化學(xué)性質(zhì)也是相近的。 大多數(shù)錒系元素都有以下性質(zhì)：能形成絡(luò)離子和有機(jī)螯合物的三價(jià)陽(yáng)離子；生成三價(jià)的不溶性化合物，如氫氧化物、氟化物、碳酸鹽和草酸鹽等；生成三價(jià)的可溶性化合物，如硫酸鹽、硝酸鹽、高氯酸鹽和某些鹵化物等。在水溶液中多數(shù)錒系元素為+3氧化態(tài),前面幾個(gè)和最后幾個(gè)錒系元素還有不同的氧化態(tài),如鏷有+5氧化態(tài)；鈾、镎、镅有+5和+6氧化態(tài),镎和钚還有+7氧化態(tài),可以MO娚、MO卂、MO幯等離子形式存在（鑭系元素中最高氧化態(tài)為+4）；锎、锿、鐨、鍆和锘等元素都有+2氧化態(tài)。錒系與鑭系的這種差別是因?yàn)檩p的錒系元素中5f電子激發(fā)到6d軌道所需能量比相應(yīng)的鑭系元素中4f電子激發(fā)到5d軌道的能量要小，使得錒系元素比鑭系元素有更多的成鍵電子，因而出現(xiàn)較高的氧化態(tài)；而重的錒系元素卻正好相反。

電子吸收光譜特點(diǎn)1.大多數(shù)Ln3+離子在可見(jiàn)光區(qū)內(nèi)有吸收5。

2.具有相同未成對(duì)f電子的稀土離子具有相近的顏色。

3.Ln3+離子是由f-f躍遷產(chǎn)生的。f-f躍遷屬于禁阻躍遷，其吸收光譜的摩爾消光系數(shù)很?。s為0.51·mol-1·cm-3）。

4.其吸收光譜為類原子的線狀光譜

5.也可以發(fā)生Ln3+配體間的電荷遷移光譜，這時(shí)摩爾消光系數(shù)較大(約為50~1000l·mol-1·cm-3)

鑭系元素離子和化合物的磁性鑭系元素的磁性較復(fù)雜，鑭系元素由于4f電子能被5s和5p電子很好的屏蔽掉，受外電場(chǎng)的作用較小，軌道運(yùn)動(dòng)對(duì)磁矩的貢獻(xiàn)并沒(méi)有對(duì)周?chē)湮辉拥碾妶?chǎng)作用所抑制，所以在計(jì)算其磁矩時(shí)必須同時(shí)考慮電子自旋和軌道運(yùn)動(dòng)兩方面對(duì)磁矩的影響3。

鑭系元素及化合物中未成對(duì)電子數(shù)多，加上電子軌道運(yùn)動(dòng)對(duì)磁矩所作的貢獻(xiàn)，使得它們具有很好的磁性，可做良好的磁性材料，稀土合金還可做永磁材料。

應(yīng)用應(yīng)用領(lǐng)域鑭系元素應(yīng)用極為廣泛。化學(xué)工業(yè)上主要用作催化劑。例如混合鑭系元素的氯化物和磷酸鹽用作催化劑，以加速石油的裂化分解?；旌舷⊥裂趸飶V泛用作玻璃拋光材料和玻璃的脫色劑，還可用來(lái)制造耐輻射玻璃和激光玻璃。用三氧化二釔和三氧化二鏑可制得耐高溫透明陶瓷，這種陶瓷被用于火箭、激光、電真空等技術(shù)工程上。此外，電視工業(yè)中大量使用的熒光粉為某些稀土化合物，此熒光粉用于制造電視熒光屏。

鋼鐵中加入少量稀土元素，可大大改善鋼的機(jī)械性能，因此稀土元素可稱為鋼鐵的“維生素”。例如在生鐵里加進(jìn)鈰，可得到球墨鑄鐵，使生鐵具有韌性且耐磨，可以鐵代鋼，以鑄代鍛6。

此外，農(nóng)業(yè)上用稀土元素可使糧食增產(chǎn)10%~20%，白菜增產(chǎn)29%，大豆增產(chǎn)50%，還可提高西瓜的產(chǎn)量和甜度，因此用作高效微量肥料。

氧化態(tài)鑭系元素在固態(tài)、水溶液中或其他溶劑中的特征氧化態(tài)是+3。由于鑭系元素在氣態(tài)時(shí)，失去兩個(gè)6s電子和一個(gè)5d電子或失去兩個(gè)6s電子和一個(gè)4f電子所需的電離能比較低，所以一般能形成穩(wěn)定的+3氧化態(tài)。除+3特征氧化態(tài)外，鑭系元素還存在著一些不常見(jiàn)的氧化態(tài)。例如：鈰、鐠、釹、鋱、鏑存在+4氧化態(tài)，原因是它們的4f層保持或接近全空、半滿或全充滿的狀態(tài)比較穩(wěn)定，但只有+4氧化態(tài)的鈰能存在于溶液中，它是很強(qiáng)的氧化劑。

同理，鈰、釹、釤、銪、銩、鐿還存在+2氧化態(tài)。