鑭系元素的M3+離子,除水合離子外,它們的配合物為數(shù)不多,只有與強(qiáng)螯合劑形成的螯合物比較穩(wěn)定。事實(shí)上系元素在配合物化學(xué)方面與Ca、Ba相似,而與d過渡元素差別較大。至少有以下幾個(gè)原因降低了鑭系元素離子的配合作用。
1.Ln3+離子的基態(tài),4f軌道與正常價(jià)電子軌道5d6s6p相比居于內(nèi)層,因此4f電子被有效地屏蔽起來,成為一種希有氣體型結(jié)構(gòu)的離子,所以f電子在通常情況下不參與成鍵,只有更高能量的軌道可以形成共價(jià)鍵。但是配位場(chǎng)穩(wěn)定化能相當(dāng)小,約4kJ·mol-1。
2.Ln3+離子比較大,而且又是希有氣體型結(jié)構(gòu)的離子,這方面與Ca、Ba相似。因此金屬與配位體之間的作用靠靜電吸引,具有相當(dāng)?shù)碾x子性質(zhì),而與配位體的共價(jià)作用減弱。d過渡元素則不同具有很強(qiáng)的形成配合物的傾向。
3.水是強(qiáng)的配位體。在水介質(zhì)中加入任何配位體與大量水競(jìng)爭(zhēng)Ln3+離子的配位位置,當(dāng)一個(gè)配位位置被水分子所占據(jù),其他離子要置換它,通常是困難的。這樣只有很強(qiáng)的配位體,特別是螯合劑才能與Ln3+形成穩(wěn)定的配合物。
鑭系金屬離子屬于硬酸。因此通常配位原子是氧和氮。典型的螯合物有:Ln3+與β-二酮類的乙酰丙酮(acac) CH3COCH2COCH3生成螯合物。
又如Ln3+與氨基多羧酸類的乙二胺四乙酸(EDTA)生成螯合物。
配位數(shù)往往超過6。例如在Y(acac)3·H2O中,配位數(shù)為7。7個(gè)氧原子包國著Y原子,分別排在三角柱體加一個(gè)面心的角上。在La(acac)3·2H2O中,配位數(shù)為8,8個(gè)氧原子分別排在四方反錐體的角上。
這些配合物在堿性溶液中很穩(wěn)定。它們的穩(wěn)定性隨著溶液的酸度增大而降低,隨著鑭系元素的原子序數(shù)增加而增大。這種穩(wěn)定性變化規(guī)律的特征,已廣泛應(yīng)用于希土元素的分離(離子交換法和溶劑萃取法)和分析(配位滴定、分光光度滴定等)中。