鑭系和錒系元素

鑭系和錒系元素第一頁(yè)，共三十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五第二頁(yè)，共三十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五第11章鑭系和錒系元素11.1鑭系元素11.2稀土元素11.3錒系元素的基本性質(zhì)第三頁(yè)，共三十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五11.1鑭系元素11.1.1鑭系元素的基本性質(zhì)11.1.2鑭系收縮及影響11.1.3鑭系元素的重要化合物第四頁(yè)，共三十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五周期表中第57號(hào)元素鑭到71號(hào)元素镥共15種元素統(tǒng)稱為鑭系元素,用Ln表示.鑭系元素包括鑭(La)、鈰(Ce)、鐠(Pr)、釹(Nd)、钷(Pm)、釤(Sm)、銪(Eu)、釓(Gd)、鋱(Tb)、鏑(Dy)、鈥(Ho)、鉺(Er)、銩(Tm)、鐿(Yb)、镥(Lu).11.1.1鑭系元素的基本性質(zhì)1。電子構(gòu)型：4f0-145d0-16s2。2。氧化態(tài)

+Ⅲ為特征氧化態(tài),也是最穩(wěn)定氧化態(tài).除此之外,還有Ce,Pr,Tb,Dy存在+Ⅳ氧化態(tài);而Sm,Eu,Tm,Yb存在+Ⅱ氧化態(tài).第五頁(yè)，共三十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五3.單質(zhì)性質(zhì):鑭系金屬具有典型的金屬性質(zhì),除了鐠、釹呈淡黃色外,其余均為銀灰色有光澤的金屬.由于鑭系金屬易被氧化,通常而呈暗灰色.鑭系金屬的密度、熔點(diǎn)除Eu和Yb外,基本上隨著原子序數(shù)的增加而增加。Eu和Yb的密度,熔點(diǎn)比它們各自左右相鄰的兩種金屬都小.4.氧化還原性:鑭系金屬活潑性僅次于堿金屬和堿土金屬,且由La—Lu隨著原子序數(shù)增加,其金屬活潑性逐漸減弱.第六頁(yè)，共三十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五PrLaCeNdSmEu第七頁(yè)，共三十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五DyErGdTbHoTmYbLu第八頁(yè)，共三十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五5。離子顏色離子未成對(duì)電子數(shù)顏色未成對(duì)電子數(shù)離子La3+0(4f0)無(wú)色0(4f14)Lu3+Ce3+1(4f1)無(wú)色1(4f13)Yb3+Pr3+2(4f2)綠2(4f12)Tm3+Nd3+3(4f3)淡紫3(4f11)Er3+Pm3+4(4f4)粉紅,黃4(4f10)Ho3+Sm3+5(4f5)黃5(4f9)Dy3+Eu3+6(4f6)無(wú)色6(4f8)Tb3+

(淡粉紅色)

Gd3+7(4f7)無(wú)色第九頁(yè)，共三十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五離子的顏色通常與未成對(duì)電子數(shù)有關(guān).當(dāng)三價(jià)離子具有fn和f14-n電子構(gòu)型時(shí),它們的顏色是相同或相近的.一般認(rèn)為其顏色主要是4f亞層中的f-f電子躍遷引起的。6。磁性鑭系元素及化合物中未成對(duì)電子數(shù)多,一般具有很好的磁性,是良好的磁性材料和永磁材料.第十頁(yè)，共三十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五11.1.2鑭系收縮及影響1.定義:鑭系元素的原子半徑和離子半徑隨原子序數(shù)的增加而逐漸減小的現(xiàn)象稱為鑭系收縮.2.產(chǎn)生的原因:在鑭系元素中,原子序數(shù)每增加一個(gè),相應(yīng)的有一個(gè)電子進(jìn)入4f層.而4f電子對(duì)核的屏蔽不如內(nèi)層電子,因而隨著原子序數(shù)的增加,有效核電荷增加,核對(duì)最外層電子的吸引力增強(qiáng),使原子半徑和離子半徑逐漸減小.第十一頁(yè)，共三十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五3.產(chǎn)生的后果:（1）由于鑭系收縮,使釔成為稀土元素的成員,Y常與重稀土元素共生于礦物中.（2）鑭系后的5d過(guò)渡元素的金屬活潑性明顯減弱.（3）鑭系收縮使ⅣB族中的Zr和Hf,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十分接近,化學(xué)性質(zhì)也相似,造成這三對(duì)元素在分離上的困難.第十二頁(yè)，共三十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五11-1:為什么下圖中Eu和Yb的半徑反常的高?問(wèn)題第十三頁(yè)，共三十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五解:因?yàn)镋u的價(jià)電子構(gòu)型為4f76s2,屬半滿,其結(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定,則4f7的屏蔽效應(yīng)增大,導(dǎo)致有效核電荷減小,核對(duì)6s電子的吸引力減弱,原子半徑反常的增大.同理Yb的價(jià)電子構(gòu)型為4f146s2,為全滿狀態(tài),其屏蔽效應(yīng)增大,有效核電荷減小,則原子半徑反常的增大.第十四頁(yè)，共三十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五鑭系元素都能形成氧化態(tài)為+3的化合物.與堿土金屬相比,鑭系金屬離子半徑小,電荷高,屬于硬酸,更傾向于與屬于硬堿的配位原子如O,F-,Cl-等形成穩(wěn)定的化學(xué)鍵.11.1.3鑭系元素的重要化合物11.1.3.1氧化物鑭系金屬與氧化合時(shí)放出大量的熱,生成Ln2O3的氧化物.Ln2O3為離子型化合物,難溶于水和堿,易溶于強(qiáng)酸,熔點(diǎn)高,是性能良好的耐火材料.第十五頁(yè)，共三十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五CeO2Dy2O3Nd2O3Er2O3Ho2O3Sm2O3第十六頁(yè)，共三十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五

鑭系元素氫氧化物的堿性從La(OH)3到Lu(OH)3逐漸減弱;溶解度從總的趨勢(shì)來(lái)看是隨著堿性減弱而減小的.11.1.3.2氫氧化物11.1.3.3鹵化物L(fēng)nF3均不溶于水,利用此性質(zhì)可鑒定Ln3+離子.無(wú)水LnCl3熔點(diǎn)高,在熔融狀態(tài)下易導(dǎo)電,具有離子型化合物的特征.氯化物易溶于水,它不能通過(guò)加熱LnX3·nH2O失水來(lái)獲得.第十七頁(yè)，共三十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五1.硝酸鹽鑭系元素的硝酸鹽都溶于水.2.硫酸鹽

鑭系元素的硫酸鹽都溶于水,溶解度隨溫度的升高而減小.與堿金屬硫酸鹽反應(yīng)生成硫酸復(fù)鹽.3.草酸鹽

鑭系元素的草酸鹽均難溶于水,利用此性質(zhì)使它們與其他的金屬離子分離開(kāi)來(lái).灼燒草酸鹽(630-1070K)可得氧化物.11.1.3.4重要的鹽類第十八頁(yè)，共三十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五11.1.3.5配合物L(fēng)n3+離子屬于“硬酸”,在形成配位化合物時(shí),優(yōu)先與“硬堿”的氟,氧等配位原子成鍵.而與CO,CN-,PR3等難以生成穩(wěn)定的配合物.Ln3+與配體之間的作用主要是靜電力,配鍵主要以離子性為主,鍵的方向性很不明顯,所形成的配離子穩(wěn)定化能小,穩(wěn)定性較差.配體的配位能力:F->OH->H2O>NO3->Cl-

Ln3+與配位能力強(qiáng)的螯合配體能形成穩(wěn)定的配離子,有較大的配位數(shù),最高可達(dá)12,常顯示出特殊的配位幾何形狀.第十九頁(yè)，共三十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五11.2稀土元素11.2.1稀土元素的定義11.2.2稀土材料及其應(yīng)用第二十頁(yè)，共三十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五把15種鑭系元素和Sc,Y共17種元素稱為稀土元素,用符號(hào)RE表示.把銪及以前的鑭系元素叫做輕稀土或鈰組元素,銪以后的鑭系元素和Sc,Y叫做重稀土元素或釔組元素.11.2.1稀土元素的定義鈧:是一種銀白色金屬,質(zhì)軟,易溶于酸.主要存在于極稀少的鈧釔石中.鈧是非?；顫姷慕饘?易與氧,二氧化碳,水,鹵素等發(fā)生反應(yīng).在空氣中,鈧的表面會(huì)生成氧化膜.金屬Sc第二十一頁(yè)，共三十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五釔:為一種灰色稀土元素,其化學(xué)性質(zhì)非?；顫?在空氣中容易氧化失去金屬光澤,能與熱水發(fā)生反應(yīng),易溶于稀酸.Y在化合物呈+3價(jià)態(tài),其氧化物Y2O3是彩電顯像管中的紅粉原料.其YVO4單晶是很好的激光材料.金屬YY2O3YVO4單晶第二十二頁(yè)，共三十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五1.稀土發(fā)光材料11.2.2稀土材料及其應(yīng)用稀土的發(fā)光和激光性能主要是由稀土的4f電子不同能級(jí)間躍出而產(chǎn)生的。稀土元素的原子具有未充滿的受到外界屏蔽的4f、5d電子組態(tài)，具有豐富的電子能級(jí)和長(zhǎng)壽命激發(fā)態(tài)，能級(jí)躍遷通道多達(dá)二十余萬(wàn)個(gè)，可以產(chǎn)生多種多樣的輻射吸收和發(fā)射，構(gòu)成了廣泛的發(fā)光和激光材料。第二十三頁(yè)，共三十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五稀土發(fā)光材料早期主要用于陰極射線管中,又稱CRT熒光粉.現(xiàn)在主要用做等離子平板顯示熒光粉,而用于白光發(fā)射的LED燈中的稀土熒光粉是現(xiàn)在正在大力發(fā)展的方向,估計(jì)很快將取代節(jié)能熒光燈而成為第四代高效、節(jié)能、綠色環(huán)保、長(zhǎng)壽命的家用照明光源。白光LDE燈發(fā)各種顏色熒光的稀土熒光粉第二十四頁(yè)，共三十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五2.稀土永磁材料硬磁材料經(jīng)充磁至飽和，去掉外磁場(chǎng)后，仍然能保留其磁性，所以又稱永磁材料或恒磁材料。稀土永磁材料是將釤、釹混合稀土金屬與過(guò)渡金屬(如鈷、鐵等)組成的合金，用粉末冶金方法壓型燒結(jié)，經(jīng)磁場(chǎng)充磁后制得的一種磁性材料。它的永磁性來(lái)源于稀土與3d過(guò)渡族金屬形成的某些特殊金屬間化合物。第二十五頁(yè)，共三十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五TYWZ系列稀土

永磁直流無(wú)刷電機(jī)釹鐵硼稀土永磁材料第二十六頁(yè)，共三十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五3.稀土催化材料稀土元素是具有高的氧化能和高電荷的大離子，能與碳形成強(qiáng)鍵，很容易獲得和失去電子，化學(xué)活性高。稀土催化材料具有較高的催化活性，幾乎涉及所有的催化反應(yīng)，無(wú)論是氧化-還原型的，還是酸-堿型的，均相還是多相。相對(duì)于傳統(tǒng)催化材料，稀土催化材料具有催化活性高、比表面積大、穩(wěn)定性好、選擇性高、加工周期短等特點(diǎn)。廣泛應(yīng)用于石油化工、機(jī)動(dòng)車尾氣凈化、催化燃燒、燃料電池、室內(nèi)空氣凈化、合成高分子及水處理等領(lǐng)域。

第二十七頁(yè)，共三十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五用于機(jī)動(dòng)車尾氣凈

化的稀土催化材料用于石油化工的

蜂窩陶瓷催化劑第二十八頁(yè)，共三十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五4.稀土儲(chǔ)氫材料稀土元素與過(guò)渡金屬元素可形成各類金屬間化合物，其中某些金屬間化合物具有很強(qiáng)的吸氫能力。目前研究和投入應(yīng)用的金屬氫化物儲(chǔ)氫材料主要有四大類：AB5型稀土-鎳系儲(chǔ)氫材料、AB2型Laves相儲(chǔ)氫材料、AB型鈦系儲(chǔ)氫材料、AB2型鎂系儲(chǔ)氫材料和釩基固溶體型儲(chǔ)氫材料。第二十九頁(yè)，共三十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五用于氫－空氣燃料電池中的稀土儲(chǔ)氫材料儲(chǔ)氫合金LaNi5,

LaCo5,CeCo5等的結(jié)構(gòu)和CaCu5相同CaCu5的結(jié)構(gòu)第三十頁(yè)，共三十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五5.稀土金屬與合金材料稀土金屬在鋼鐵中最重要的應(yīng)用是作為鋼的添加劑和作為鑄鐵的球化劑。在鋼中加入適量的稀土，有利于脫氧、脫硫、除去氣體、減少有害元素的影響，顯著提高鋼的韌性、耐磨性、抗蝕性、改善鋼的焊接性能和低溫性能。稀土鋼芯鋁絞線稀土鋼纜第三十一頁(yè)，共三十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五錒系元素包括錒(Ac)、釷(Th)、鏷(Pa)、鈾(U)、镎(Np)、钚(Pu)、镅(Am)、鋦(Cm)、锫(Bk)、锎(Cf)、锿(Es)、鐨(Fm)、鍆(Md)、锘(No)、鐒(Lr)，它們都是放射性元素.鈾以后的原子序數(shù)為93-109的17種元素稱為超鈾元素.1.價(jià)電子構(gòu)型具有5f0-146d0-17s2的電子構(gòu)型2.單質(zhì)性質(zhì):錒系元素單質(zhì)通常呈現(xiàn)銀白色,金屬性較強(qiáng),易與水或氧作用,保存時(shí)應(yīng)避免與氧接觸.11.3錒系元素的基本性質(zhì)第三十二頁(yè)，共三十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五3.氧化態(tài):最穩(wěn)定氧化態(tài)由Ac為+3價(jià)變?yōu)閁的+6價(jià),隨后又依次下降到Am的+3價(jià).而Cm以后的穩(wěn)定氧化值為+3,只有No在水溶液中最穩(wěn)定的氧化態(tài)為+2價(jià).4.錒系收縮:錒系元素的原子半徑隨原子序數(shù)的增加而逐漸減小(但收縮并不明顯)的現(xiàn)象稱為錒系收縮.由Ac到Np半徑的收縮還比較明顯,從Pu開(kāi)始各元素離子半徑的收縮就很小.第三十三頁(yè)，共三十四頁(yè)，編輯于2023年，星期五5.離子顏色:錒系元素的離