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    在周期表ⅢB族的第57號(hào)元素鑭的位置上，還另有14個(gè)元素，即從58號(hào)鈰到71號(hào)镥，同鑭一起通稱為鑭系元素。

    在鑭系元素中，第61號(hào)钷是人工合成元素，具有放射性。周期表第ⅢB族中的鈧和釔與鑭系元素在性質(zhì)上非常相似，并在礦物中共生，因此在化學(xué)上常把鈧、釔和鑭系元素通稱為稀土元素，用RE表示。
    稀土金屬是典型的金屬，一般具有銀白而帶灰色的光澤，較軟，有延展性。它們的標(biāo)準(zhǔn)電極電勢(shì)都很小，如φ^θ（Y³⁺／Y）＝－2．37V，φ^θ（La³⁺／La）＝－2．52V，φ^θ（Lu³⁺／Lu）＝－2．30V，與φ^θ（Mg²⁺／Mg）＝－2．375V相近，因此稀有金屬具有很強(qiáng)的還原性，能從水中或稀酸中置換出氫。但在水中因生成的氫氧化物難溶于水，阻礙反應(yīng)進(jìn)行，致使反應(yīng)進(jìn)行得非常緩慢。稀土金屬的標(biāo)準(zhǔn)電極電勢(shì)彼此相差不大，但從鑭到镥總的變化趨勢(shì)是逐漸升高，因此鑭系金屬的還原性隨原子系數(shù)的增加而不斷減弱。
    稀土金屬在空氣中很容易氧化，由于生成的氧化膜不致密，氧化將繼續(xù)下去，所所以一般將稀土金屬保存在煤油中，使之與空氣隔絕。部分稀土金屬的著火溫度較低（約200℃），且與氧化合時(shí)放出的熱量較大，當(dāng)它們?cè)诖植诘谋砻婺Σ習(xí)r，其細(xì)末就會(huì)自燃，因此常用來(lái)制造打火機(jī)的火石和軍用的引火合金。鑭系金屬及其合金具有吸收大量氣體的能力，用用于電子工業(yè)中的吸氣材料。在加熱時(shí)，稀土金屬能與氮、硫、碳、鹵素等直接化合生成相應(yīng)的氮化物、硫化物、碳化物、鹵化物。
    表5－8給出了鑭系元素的電子構(gòu)型和性質(zhì)。

表5－8  鑭系元素的電子構(gòu)型和性質(zhì)

    如表5－8所示，鑭系元素原子在最外層和次外層上電子的數(shù)目一般相同，僅外數(shù)第三層電子數(shù)不同，但能級(jí)相近，所以鑭系元素的化學(xué)性質(zhì)十分相似。如它們的離子化合物的溶解度、氫氧化物的酸堿性、電極電勢(shì)、配位化合物的穩(wěn)定性等彼此都很相近。
    鑭系元素原子的第一、第二、第三電離能的總和是較低的，因而主要表現(xiàn)ⅢB族元素特征的氧化數(shù)，即一般形成氧化數(shù)為＋3的化合物，但有些卻出現(xiàn)了＋4或＋2價(jià)態(tài)的化合物。非特征氧化態(tài)與它們的電子組態(tài)穩(wěn)定性有關(guān)。La³⁺（4f⁰），Gd³⁺（4f⁷）和Lu³⁺（4f¹⁴）已處于穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，獲得得＋2和＋4氧化態(tài)是相當(dāng)困難的；Ce³⁺（4f¹）和Tb³⁺（4f⁸）失去一個(gè)電子即達(dá)穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，因而出現(xiàn)＋4氧化態(tài)；Eu³⁺（4f⁶）和Yb³⁺（4f¹³）接受一個(gè)電子即達(dá)穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，因而易出現(xiàn)＋2氧化態(tài)。不過(guò)這些氧化態(tài)的化合物在水溶液中不如＋3價(jià)態(tài)的穩(wěn)定。
    鑭系元素的原子半徑和離子半徑彼此相差不大，但從鑭到镥總的變化趨勢(shì)是逐漸減小的。鑭系元素的原子半徑或離子半徑隨著原子序數(shù)的增加而逐漸減小的現(xiàn)象稱為鑭系收縮。產(chǎn)生鑭系收縮的原因是隨原子序數(shù)增大，電子填入4f層，f電子云較分散，對(duì)對(duì)5d和6s電子屏蔽不完全。隨著原子序數(shù)的增大，有效核電荷數(shù)增大，對(duì)外層電子吸引力增大，使電子云更靠近核，造成了半徑逐漸減小而產(chǎn)生了所謂的“鑭系收縮效應(yīng)”。從表5－8中可以看出，在總的收縮趨勢(shì)中，Eu和Yb的原子半徑出現(xiàn)反常，原子半徑比較大。這是因?yàn)镋u和Yb分別具有半充滿（4f⁷）和全充滿（4f¹⁴）電子層結(jié)構(gòu)，這一相對(duì)穩(wěn)定結(jié)構(gòu)對(duì)核電荷的屏蔽增強(qiáng)，它們的原子半徑便明顯增大。
    由于鑭系元素三價(jià)離子的外圍電子很有規(guī)律，由La至Lu其離子結(jié)構(gòu)為f⁰至f¹⁴，因此離子徑會(huì)出現(xiàn)“單向變化”。鑭系元素三價(jià)離子半徑的變化中，在Gd處出現(xiàn)了微小的可以察覺的不連續(xù)性，原因是Gd³⁺離子具有半充滿的4f⁷電子結(jié)構(gòu)，屏蔽能力略有增加，有效核電荷略有減小，所以，Gd³⁺離子半徑的減小要略微小些，這稱作“釓斷效應(yīng)”。正是由于鑭系離子的電子結(jié)構(gòu)，凡是與Ln³⁺離子密切聯(lián)系的性質(zhì)，也常呈現(xiàn)單向變化的規(guī)律。而且，在鑭系元素化合物的有些性質(zhì)中，也常常會(huì)出現(xiàn)“釓斷效應(yīng)”，即所謂的“兩分組現(xiàn)象”。鑭系原子4f電子受核束縛，只有5d和6s電子才能成為自由電子，RE（g）有3個(gè)電子（5d¹6s²）參與形成金屬鍵，而Eu（g）和Yb（g）只有2個(gè)電子（6s²）參與，自然金屬鍵弱些，顯得半徑大些。有人也把這稱作“雙峰效應(yīng)”。
    鑭系收縮是無(wú)機(jī)化學(xué)中的一個(gè)重要現(xiàn)象，它使第二、第三過(guò)渡系的同族兩個(gè)元素的原子半徑非常接近。例如Zr和Hf，Nb和Ta，Mo和W等的原子和離子半徑都很接近，這就決定了它們彼此在性質(zhì)上也很相似，這都是鑭系收縮引起的。Y³⁺的半徑為90pm恰好在Dy³⁺與Ho³⁺之間，這說(shuō)明為什么釔常常和鑭系元素在自然界中共生，成為稀土成員的原因所在。
    不少鑭系元素的＋3價(jià)態(tài)水合離子有顏色，可以簡(jiǎn)單地認(rèn)為離子的顏色與4f亞層中的電子躍遷有關(guān)。若離子中不存在未成對(duì)的f電子的，如La³⁺（f⁰），Lu³⁺（f¹⁴），離子是無(wú)色的，因?yàn)椴豢赡馨l(fā)生f－f躍遷。此外4f電子數(shù)為1、6、7、8、13的離子也是無(wú)色或近于無(wú)色的，這可認(rèn)為是由于全空或接近全空、半充滿或接近半充滿的4f電子亞層層比較穩(wěn)定，這些f電子難以被可見光激發(fā)所致。值得注意的是，自La³⁺到Cd³⁺的顏色變化情況與自Gd³⁺到Lu³⁺有類似之處。
    由于稀土元素性質(zhì)十分相似，從它們共生的礦物中提取和分離單一稀土元素就十分困難，因此工業(yè)上常用的是混合稀土金屬。這種未經(jīng)分離的混合稀土金屬，也稱作“混合稀土”。
    稀土及其化合物在治金、化學(xué)工業(yè)、光學(xué)玻璃、陶瓷、發(fā)光材料、永磁材料及原子能材料方面得到廣泛的應(yīng)用。在鋼液中加入混合稀土能降低鋼中的氧、硫等有害雜質(zhì)的含量；在鑄鐵中加人稀土即可使石墨球化，制成石墨鑄鐵；在石油裂化反應(yīng)中加入少量（1％～5％）稀土，可使分子篩催化劑的效率增加3倍，同時(shí)催化劑的壽命也得到提高；CeO₂是精密光學(xué)玻璃的拋光劑；含La₂O₃的光學(xué)玻璃有高的折射率，把成千上萬(wàn)根像頭發(fā)絲般的這種玻璃纖維制成任意彎曲的透光玻璃棒，在醫(yī)療上用作直接探視人腸胃的內(nèi)窺鏡；在陶瓷制品中，摻入稀土可使制品光彩明亮，鮮艷柔和；釔和銷的氧化物可用作發(fā)光材料，特別是Eu₂O₃在彩色電視中用作紅色熒光體，光亮度強(qiáng)，色彩鮮艷，性能穩(wěn)定；SmCo₅是廣泛使用的永磁材料；Sm、Eu、Cd、Dy、Er等都有高的中子俘獲面積，可用作反應(yīng)堆控制棒材料，而Ce和Y的的中子俘獲面積很小，可用作核燃料的稀釋劑。