镧系元素

化学元素周期表中第57号元素镧到71号元素镥15种元素的统称，是稀土元素的主要构成（镧系15种元素加上钪、钇共17种元素统称稀土元素）。它们的化学性质相似，和锕系元素一样单独组成一个系列，在元素周期表中占有特殊位置。这些元素为：镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥。

中文名：镧系元素

英文名：lanthanideelement

1、名称概况

2、镧系收缩

镧系收缩

是指镧系元素的原子半径和离子半径随原子序数增大而减小的现象。

从镧到镥，原子半径收缩了15皮米，平均每增加一个核电荷,半径收缩1皮米。其中铕、镱半径明显大，而铈略小于镨。这是由于在镧系元素的离子中铕、镱是+2价离子，铈是+4价离子,其余是+3价离子。从La3+到Lu3+，离子半径从106.1皮米均匀地降为84.8皮米，这是由于Ln3+离子结构的变化是由f0到f14，电子数是均匀改变的。Ln2+、Ln4+的离子半径也是随原子序数增大而收缩。

镧系收缩使镧系元素的性质从镧到镥呈现有规律的变化：如金属标准电极电势值E°增大，Ln3+水解倾向增强,Ln(OH)3的碱性减弱、溶解度减小,对于给定配位体其稳定常数K增大，盐的水解温度降低……等（表2）。所有这些均与镧系元素的离子势φ＝Z/r（Z为化合价,r为离子半径）逐渐增大有关。价数相同的全部镧系元素，其化合物的晶形往往也相同。相邻的两个镧系元素的性质极为相似。在自然界中镧系元素往往是全部或部分共生，镧系元素相互间分离要比镧系元素和非镧系元素分离要困难得多。

镧系收缩使钪分族中钇的离子Y3+的最外层电子结构与La3+等相同,为s2p6，半径为88.1皮米,与Ho3+、Er3+、Tm3+相近。钇化合物的性质与钬、铒、铥的相应化合物性质相近。

镧系收缩影响镥以后元素的性质，使第6周期铪、钽等的原子半径分别与第5周期锆、铌等相同。铪、钽等化合物的性质分别与锆、铌等化合物极为相似。在自然界中锆与铪、铌与钽、铂系六种金属共生，分离相当困难。

3、系元素性质

化学性质和冶金性能

镧系元素原子图

经湿法冶金与化学提纯获得的氯化物、碳酸盐、硝酸盐、氟化物和其他卤化物及氧化物，因外层电子排布(构型)的相似。其氧化态基本上为正三价。但内层4f电子的数目对价态也有一定影响，铈、镨、铽可氧化成四价，形成相应的稳定氧化物CeO2、Pr6O11、Tb407，钐、铕、镱可还原成二价，形成SmS等反常价态化合物。

镧系金属是化学活性极强的元素，对氢、碳、氮、氧、硫、磷和卤素具有极强的亲和力。镧系金属于室温在空气中易于氧化，因此一般将镧系金属保存在煤油中，或置于真空及充以氩气的密封容器中。

镧系金属是原子半径较大的电正性元素，除各镧系元素彼此间及镧系元素与锆、钍和镁、锌、镉、汞等二价金属形成多种固溶体外，镧系金属与其他金属元素形成的二元R-M系金属间化合物(R与M分别为镧系金属与非镧系金属)就在3000种以上。其中RM2、BM、RM3和R5M3依次各占已知R-M型金属间化合物的20%、17%、12%和7%，RM5和R2M17，各占5％。单镧系元素与铁、钴、镍形成的金属间化合物就已经超过200种。至于Nd2Fe14B等三元化合物型合金的数目更是难以计数。

此外，镧系元素易与碳形成强键及其易于获得和失去电子的能力，特别是铈的储氧能力，使镧系元素成为催化性能非常突出的金属元素。

物理性质

镧系元金属为一组呈铁灰色到银白色有金属光泽的金属，一般较软、可锻、有延展性，在高温下呈粉末状其反应性尤为强烈。其中铈的熔点为798℃，而镥的熔点为1663℃，差别明显。

镧系元素的磁性质是由未充满4f电子层内的未成对电子引起的。其中镝和钬的原子磁矩最大，钐、铈、镨和钕与强磁性的铁和钴的配伍性最好，能产生极强的相互作用，形成SmCo5和Nd2Fe14B等把磁畴保持在一起高度抗退磁的材料。此外，一些镧系元素的磁热效应、磁致冷、磁致伸缩和磁光效应都充分展现了各镧系元素所特有的个性，为稀土的应用开发打开了重重深锁的大门。

镧系元素的电子能级和谱线较普通元素更多种多样，它们可以吸收和发射从紫外、可见到红外谱区各种波长的电磁辐射，仅钆原子的某个激发态就有多达36000个能级。由于镧系元素4f亚层未成对电子与其他元素外层电子如d电子间的相互作用，形成丰富多彩、性能各异的稀土材料系列。而与荧光、激光、阴极射线发光、电致发光、电光源以及瓷釉着色、玻璃色调的调整等相关的稀土材料及其应用都离不开稀土光谱中的发射与吸收，离不开稀土激光、荧光、电致发光等与能级跃迁相关的过程。一言以蔽之，离不开镧系元素特殊的电子结构。

4、作用

镧系元素是典型的金属元素.它们的金属活泼性仅次于碱金属和碱土金属元素,而比其他金属元素活泼.按金属的活泼次序排列,由镧到镥递减,即镧元素最活泼.镧系元素能形成化学稳定的氧化物、卤化物、硫化物.稀土元素可以和氮、氢、碳、磷发生反应,易溶于盐酸、硫酸和硝酸中。镧系元素易和氧、硫、铅等元素化合生成熔点高的化合物,因此在钢水中加入稀土,可以起到净化钢的效果.由于镧系元素的金属原子半径比铁的原子半径大,很容易填补在其晶粒及缺陷中,并生成能阻碍晶粒继续生长的膜,从而使晶粒细化而提高钢的性能。镧系元素具有未充满的4f电子层结构,并由此而产生多种多样的电子能级.因此,稀土可以作为优良的荧光,激光和电光源材料以及彩色玻璃、陶瓷的釉料。镧系元素离子与羟基、偶氮基或磺酸基等形成结合物,使镧系元素广泛用于印染行业.而某些镧系元素具有中子俘获截面积大的特性,如钐、铕、钆、镝和铒,可用作原子能反应堆的控制材料和减速剂.而铈的中子俘获截面积小,则可作为反应堆燃料的稀释剂。镧系元素具有类似微量元素的性质,可以促进农作物的种子萌发,促进根系生长,促进植物的光合作用。