鑭系元素的原子半徑和離子半徑見表23-3,從表中的數(shù)據(jù)可以看出從Sc經(jīng)Y到La,原子半徑和三價(jià)離子半徑逐漸增大,但從La到Lu則逐浙減小。這種鑭系元素的原子半徑和離子半徑隨著原子序數(shù)的增加而逐新減小的現(xiàn)象稱為鑭系收縮。
表23-3 鑭系元素的原子半徑和離子半徑
原子序數(shù) |
符號 | 原子半徑(金屬半徑)/pm | 離子半徑/pm | ||
2+ | 3+ | 4+ | |||
21 |
Sc |
160.8 | 73.2 | ||
39 | Y | 181 | 89.3 | ||
57 | La | 187.9 | 101.6 | ||
58 | Ce | 182.5 | 103.4 | 92.0 | |
59 | Pr | 182.8 | 101.3 | 90.0 | |
60 | Nd | 182.1 | 99.5 | ||
61 | Pm | (181.0) | (97.9) | ||
62 | Sm | 180.4 | 111.0 | 96.4 | |
63 | Eu | 198.4 | 109.0 | 95.0 | |
64 | Gd | 180.1 | 93.8 | 84.0 | |
65 | Tb | 178.3 | 92.3 | 84.0 | |
66 | Dy | 177.4 | 90.8 | ||
67 | Ho | 176.6 | 89.4 | ||
68 | Er | 175.7 | 88.1 | ||
69 | Tm | 174.6 | 94.0 | 87.0 | |
70 | Yb | 193.9 | 93.0 | 85.8 | |
71 | Lu | 173.5 | 85.0 |
鑭系元素中,原子核每增加一個(gè)質(zhì)子,相應(yīng)的有一個(gè)電子進(jìn)入4f層,而4f電子對核的屏蔽不如內(nèi)層電子,因而隨著原子序數(shù)增加,有效核電荷增加,核對最外層電子的吸引增強(qiáng),使原子半徑、離子半徑逐漸減少。
鑭系元素的離子半徑與原子序數(shù)的關(guān)系見圖23-1。
鑭系元素的原子半徑由圖23-2可見,除Eu和Yb反常外,從La(187.9pm)到Lu(173.5pm)略有縮小的趨勢,但不如離子半徑縮小得多。鑭系金屬的原子半徑都比離子半徑大,這是因?yàn)殍|系元素金屬原子的電子層比離子多一層,它的最外層是6s2,4f就居于第二內(nèi)層,它對原子核的屏蔽就不是85%而是接近100%,因而鑭系收縮的效果就不明顯了。至于Eu和Yb的原子半徑出現(xiàn)反?,F(xiàn)象,由于它形成二價(jià)離子的傾向很大(Eu2+ 4f7、Yb2+ 4f14),這種具備半充滿和全充滿的4f層是比較穩(wěn)定的。在它們的固體中可能僅僅給出2個(gè)電子形成金屬鍵;那么2+離子將會大一些,它們之間的結(jié)合力也不像其他鑭系元素3+離子那樣強(qiáng)。所以金屬銪和鐿的密度較低,熔點(diǎn)也較低,升華能也比相鄰的元素低(熔點(diǎn)見圖23-3)。
鑭系收縮在無機(jī)化學(xué)中是一個(gè)重要現(xiàn)象。前面已提到,由于鑭系收縮,使釔成為希土元素的成員,Y常與重希土元素共生于礦物中。而鈧的離子半徑相差較遠(yuǎn)(Sc3+ 73.2pm),故一般不與希土礦共生。由于鑭系收縮的存在,使ⅣB族中的Zr和Hf,在ⅤB族中的Nb和Ta,ⅥB族中的Mo和W,在原子半徑和離子半徑上較接近,化學(xué)性質(zhì)也相似,造成這三對元素在分離上的困難。