第 25 章 f 区金属镧系与锕系金属

第25章 f区金属镧系与锕系金属 问题： 1. 镧系元素包括哪些元素？镧系元素的原子结构有何特征？镧系元素有何特征氧化态？ 2. 轻希土和重希土元素分别指哪些元素？ 3. 什么是镧系收缩？镧系收缩带来哪些结果？

第25章 f区金属镧系与锕系金属 • 问题： • 从镧系元素的电极电势数据可对镧系金属 • 的活泼性得出什么结论？ • 镧系金属的水合离子为何有颜色？其水 • 合离子的颜色为什么呈现出规律性？ • 6.了解镧系元素的存在、提取、性质、用 • 途。

第25章 f区金属—镧系与锕系金属 1. 镧系元素包括哪些元素？镧系元素的原子结构有何特征？镧系元素有何特征氧化态？一种意见将镧系和锕系分别界定为 La 之后的 14 种元素和 Ac 之后的 14 种元素，结果是镧系不包括 La 而锕系不包括 Ac ；另一种意见是镧系应包括 La 而锕系应包括 Ac , 各有 15 个元素。这都与 f 电子的填充有关。

第25章 f区金属—镧系与锕系金属 一般认为：周期表中的57号元素镧（La)到71号元素镥（Lu）共15种元素统称为镧系元素镧系元素的外层和次外层的电子构型基本相同，从Ce开始，电子逐一填充在4f轨道上 +Ⅲ氧化态是所有镧系元素在固态、水溶液或其他溶剂中的特征 Ce、Pr、Nd、Td、Dy存在+Ⅳ氧化态。

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+4 +3 +2 Hf4+ Tb Pr La Gd Dy Ho Er Tm Lu Ce Nd Pm Sm Eu Yb Ba2+ 第25章 f区金属—镧系与锕系金属 +III氧化值是所有Ln元素的特征氧化值。

第25章 f区金属—镧系与锕系金属 2. 轻希土和重希土元素分别指哪些元素？稀土的英文是 Rare Earths，18 世纪得名，“稀”原指稀贵，“土” 是指其氧化物难溶于水的 “土” 性. 其实稀土元素在地壳中的含量并不稀少，性质也不象土，而是一组活泼金属， “稀土” 之称只是一种历史的习惯。根据 IUPAC 推荐，把 57 至 71 的 15 个元素称为镧系元素，用Ln 表示，它们再加上 39 号的 Y 称为稀土元素，用 RE 表示。

轻稀土组重稀土组 第25章 f区金属—镧系与锕系金属 57La58Ce59Pr60Nd 61Pm 62Sm 63Eu 64Gd 65Tb 66Dy 67Ho68Er69Tm70Yb71Lu 镧铈镨钕钷钐铕钆铽镝钬铒铥镱镥铕以前的镧系元素叫做轻稀土元素或称铈组元素；铕以后的镧系元素加上钇叫做重稀土元素或称钇组元素。

第25章 f区金属—镧系与锕系金属 3. 什么是镧系收缩？镧系收缩带来哪些结果？镧系元素的原子半径和离子半径随着原子序数的增加而逐渐减小的现象称为镧系收缩。主族：每增加一和原子序数，半径平均减少 10Pm 副族：每增加一和原子序数，半径平均减少 1Pm f区：每增加一和原子序数，半径平均减少 0.1Pm

第25章 f区金属—镧系与锕系金属 镧系收缩的结果： (1) Ln半径减小缓慢，使其半径相近，性质相似，自然界共生，难分离。 (2) 使Y半径与Gd、Dy相近，即Y的半径在 La—Lu之间，使Y成为稀土成员。 (3) 第二、第三过渡系的Zr-Hf、Nb-Ta、Mo-W金属的原子半径、离子半径很接近，因而性质很相似，成为最难分离的三对元素。

第25章 f区金属—镧系与锕系金属 4. 从镧系元素的电极电势数据可对镧系金属的活泼性得出什么结论？ (1)由镧系元素标准电极电势可知，镧系元素金属的活泼性仅次于碱金属和碱土金属。(Ө<-2V) (2) Ө相近，活泼性相似。 (3) 由La到Lu递减，即La最活泼。

第25章 f区金属—镧系与锕系金属 5. 镧系金属的水合离子为何有颜色？其水合离子的颜色为什么呈现出规律性？离子的颜色与未成对电子数有关，4f亚层未充满的镧系金属离子，颜色主要是4f亚层中的电子跃迁引起的，发生这种f-f 跃迁需要吸收一定的波长.

Ln3+水合离子的颜色 与 f-f 跃迁有关

第25章 f区金属—镧系与锕系金属 6. 了解镧系元素的存在、提取、性质、用途。据报道，世界稀土总含量估约 4500 万吨 REO，我国稀土资源丰富，占世界储量 80% 。据中国稀土协会估计，我国稀土总含量高达 1 亿吨。白云鄂博矿床距包头 150 公里，它是世界上最大的稀土资源，目前的稀土产量占全国的 60%。

第25章 f区金属—镧系与锕系金属 我国三大产地：包头、攀枝花和江西。五大特点：储量大；品种全；品位高；多种金属矿物伴生；综合利用价值大。

第25章 f区金属—镧系与锕系金属 由于稀土元素性质相似，所以常共生于同种矿物中。按其存在形态，主要有三种类型的矿源： 1.稀土共生构成独立的稀土元素矿物。 2.以类质同晶的形式分散在方解石、磷灰石等矿物中。 3.呈吸附状态存在于粘土矿、云母矿等矿物中。(广东主要为离子吸附性稀土矿）

有代表性的稀土矿物 名称主要化学组成说明独居石 (Ln,Th)PO4 Ln 主要代表La,Ce等轻稀土元素氟碳铈镧矿 LnCO3F Ln 主要代表La,Ce等轻稀土元素磷钇矿 YPO4 除 YPO4 外，还含有重镧系元素磷酸盐第25章 f区金属—镧系与锕系金属

方法基本原理 优点缺点分级结晶法溶解度不同原理、设备简单操作复杂、分离效果差分步沉淀法溶度积不同原理、设备简单操作复杂、分离效果差氧化还原法价态稳定性不同原理、操作简单、无非三价稳定态者不可效果满意化学分离法离子交换法与树脂、淋洗分离效果很好、周期长、成本高剂结合不同产品纯度高溶剂萃取法萃合物稳定性分离效果良好、纯某些试剂有毒不同度可满足要求第25章 f区金属—镧系与锕系金属

钇族稀土 萃取剂循环使用料液100 22% w/w氨水 50% V/V HDEHP- Shellsol A g•dm-3 RE2O3 0.4 Mol/L HCl 稀土萃余水相 2.25 mol/L HCl洗液 8 mol/L 反萃液 5-10级反萃段全萃取全回流 50 级混合澄清槽 Gd 或 Sm 产品段最后不含稀土的萃余水相(pH=3)

第25章 f区金属—镧系与锕系金属 ①磁性材料永磁材料：永磁体最基本的作用是在某一特定空间产生一恒定磁场，维持此磁场并不需要任何外部能源。下图中的磁体能吸起自重的 800倍。

第25章 f区金属—镧系与锕系金属 磁光材料：指在紫外到红外波段，具有磁光效应的光信息功能。如磁光光盘等。超磁致伸缩材料：指稀土—铁汞化合物具有比铁、镍等大得多的磁场伸缩值。可做声纳系统、驱动器等。

第25章 f区金属—镧系与锕系金属 • 发光、激光材料： • 因 f-f、f-d 跃迁而使发出的光能量差大、波长短而成为发光宝库。 ③ 玻璃陶瓷材料：光学玻璃、光纤。 ④ 贮氢、发热、超导材料。

第25章 f区金属—镧系与锕系金属 超导材料的两大特性：临界温度 Tc 以下电阻为零，具有排斥磁场效应。人们渴望制备超导电缆，因为它可减少或避免能量损失，如可使粒子加速器再极高能量下操作。 1987年，中科院赵忠贤和美国Houston大学朱经武等独立发现 YBa2Cu3O7的超导体，Tc 达95 K 。

第25章 f区金属—镧系与锕系金属 • 在冶金工业中的应用： • 铸铁、钢、有色金属，可改变结构性能。 • 催化中的应用： • 石油裂化、汽车尾汽净化、合成橡胶以及石油化工等。

第25章 f区金属—镧系与锕系金属 • 农业中的应用： • 使农作物增产，且改善品质。 • 医药中的应用： • 抗凝血：因 RE 对 Ca2+的拮抗作用所致。 • 烧伤药物；抗炎、杀菌；抗动脉硬化作用；抗肿瘤；降血糖。

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