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第十四章镧系和锕系元素 元素周期表 镧系元素和锕系元素 概述 稀土元素 核反应和超铀元素的合成 本章要求 一 概述 f区元素包括周期系中的La系元素 57La 70Yb 和Ac系元素 89Ac 102No 共28种元素 La系元素中只有61Pm是人工合成的 具有放射性 Ac系元素均有放射性 超铀元素 Ac系元素中92U以后的元素多数为人工合成 称超铀元素 镎 Np 钚 Pu 自然界中有微量存在 稀土元素 B中的钇 Y 镥 Lu 和La系元素 共16种元素性质相似 在矿物中常共生在一起 故总称为稀土元素 常用RE RareEarth 表示 内过渡元素 f区元素在价层电子填充上的特征是基本上新增电子填在 n 2 f亚层 即倒数第三层的f亚层上 所以称内过渡元素 概述 概述 一 价层电子构型和氧化数 La系元素价层电子构型一般为4f1 145d0 16S2 其中La 4f05d16S2 4f为全空 Gd 4f75d16S2 4f半充满 及Ce 4f15d16S2 5d轨道上有1个电子 其余La系元素新增电子均在4f轨道上 在氧化数上 表现属 B的特征 3氧化数 此外还有 4及 2氧化数的表现 即部分4f电子也参与成键 不同La系元素它们在氧化数的稳定性上不同 从La Gd和从Gd Lu氧化数变化出现两个周期 La系元素中还有其他的一些氧化数 4 2 表现 概述 Ac系元素由于5f 6d 7s轨道能级更加接近 电子跃迁更复杂 所以原子光谱复杂 故Ac系元素原子基态的电子层结构的确定也较困难 氧化数 由此可知 氧化数有 3 更有 2 4 5 6 7等其他的氧化数化合物 二 原子半径 离子半径和镧系收缩1 原子半径 在La系元素中 由于4f电子对原子核的屏蔽效应较大 所以随着原子序数的增加 有效核电荷缓慢增大 结果使原子半径缓慢缩小 这种现象称为La系收缩 使Eu 4f7 和Yb 4f14 两个地方出现原子半径骤然增大的现象 概述 概述 La系元素原子半径在Eu Yb两处出现骤升的峰值现象与它们的第一 二 三电离能总和随着原子序数增加而增加 但在Eu Yb出现骤升的峰值和La系元素的熔点随着原子序数的增加在逐渐升高过程中Eu Yb处出现陡降的谷值的现象合在一起 称La系元素性质递变的 双峰效应 2 离子半径特点 La3 离子半径在86 8 103 2Pm间 比相同氧化数的其它金属离子较大 r 53 5Pm r 61 5Pm r 64 5Pm r 63Pm 概述 La3 半径变化十分规律 如图所示 逐渐减小 不同于原子半径有峰值出现 这是因为La3 已无6s和5d电子最外层皆为5s25p6结构 随La Yb有效核电荷增加 离子半径逐渐减小 同时 有效核电荷的增加比原子中显著 因无6s5d电子核受屏蔽减弱 使有效核电荷增加 总共收缩了16 4Pm 原子半径只收缩10 3Pm 影响 由于Ln3 所带电荷相同 且Ln3 的构型及半径相差不大 所以Ln3 性质极为相似 离子化合物的溶解度 氢氧化物的酸碱性 配合物的稳定常数 离子晶体的晶格能等彼此都很接近 从而造成Ln3 间分离困难 概述 概述 3 La系收缩的后果 受其影响 铕 Eu 以后的La系元素的离子半径接近于钇 Y 构成性质极为相似的一组元素 称为钇组元素 它们在自然界共生 性质十分相似 难于分离 受其影响 第三过渡系与第二过渡系的同族元素在原子半径和离子半径上相近 其中尤以 B的Zr和Hf B的Nb和Ta B的Mo和W更为相近 以致Zr和Hf Nb与Ta Mo和W性质非常相似 分离十分困难 Ac系元素也有Ac系收缩现象 概述 三 金属活泼性 La系单质均为活泼金属 活泼性仅次于碱金属而与Mg接近 所以都是强还原剂 例 不太高的温度下 可与O2 S Cl2 N2等反应 所以冶金工业中常用作脱硫剂 脱氧剂 在无线电真空技术中用吸气剂 与水作用 其置换出氢气 与酸反应更激烈 Ac系金属也是活泼金属和强还原剂 易与O2 卤素 酸等反应 因此 制取方法 只能用电解其熔融盐 或高温下用活泼金属 如Ca 还原其卤化物的方法 概述 四 离子的颜色许多Ln3 在晶体和水溶液中均有颜色 Ac系元素在离子的颜色上表现得相似 因均为f电子对光的吸收造成的 稀土元素 二 稀土元素 一 稀土元素的资源我国稀土资源有五大特点 储量大 分布广 类型多 矿种多 品位高 根据硫酸复盐溶解度不同 可将稀土元素分为铈组和钇组 铈组 La Ce Pr Nd Pm Sm 硫酸复盐较难溶钇组 Eu Gd Tb Dy Y Ho Er Tm Yb Ln 硫酸复盐较易溶 稀土元素 二 稀土元素的提取 由于稀土元素及其 3价态的化合物性质很相似 它们在自然界共生 且在矿物中又常与杂质元素 U Th Nb Ta Ti Zr Si F等 伴生 分离难度大 1 溶剂萃取法 萃取分离法是利用被分离的元素在互不相溶的液相中分配的分配系数不同来进行分离的 工业上已采用RECl3 HCl P507煤油体系和RE NO3 3 HNO3 P507煤油体系萃取分离15种稀土元素 2 离子交换法 离子交换色层分离法 稀土元素 三 稀土元素的应用 据统计 目前世界稀土有70 左右消耗于材料方面 稀土材料应用之广遍及国民经济各个领域和行业 冶金 石油化工 轻工 光学 磁学 电子 生物医疗和原子能工业等 稀土金属在电子材料 原子能材料 药物合成及超导技术等高新技术领域的应用也日益广泛 稀土储氢材料 如LaNi5 La2Mg17等 用于H2的储运 能源的检验 制冷及提纯氢等方面 核反应和超铀元素的合成 三 核反应和超铀元素的合成核反应分为四种类型 放射性衰变 粒子轰出原子核 核裂变及核聚变 1 放射性衰变天然放射性是指不稳定原子核自发放出 射线的现象 大量的同种原子核因放射性而陆续发生转变 使处于原状态的核数目不断以下三种 1 衰变 2 衰变 3 衰变 人工放射性核素还有其它衰变方式 如正电子 衰变 电子俘获等 核反应和超铀元素的合成 2 放射性的应用放射性核素的射线具有高能量 当射线与物质相互作用时 物质受到激发 可以引发本来不发生的化学或生物过程 促进或抑制化学或生物过程的变化 在工农业 医学卫生 科学技术以及人类日常生活中利用放射性的实例很多 近年来出现一门新学科 辐射化学 专门研究物质因受高能电离射线的影响而产生的化学效应 如辐射聚合 辐射接枝 辐射催化 辐射合成等 核反应和超铀元素的合成 二 粒子轰击原子核和新元素的合成1 新元素的合成粒子轰击是指某原子核受高速粒子如氦核 质子 P 中子 n 氘核 D 氚核 T 等的轰击 变成另一种原子核 同时放出另一种粒子的核反应 利用这类核反应可人工获得超铀元素 目前已合成了从104号到112号超铀元素 1999年有关于合成114 116和118号元素的报道 但获得的原子数极少 寿命短 难以进行化学研究 2 新元素的命名 核反应和超铀元素的合成 三 核裂变和原子弹原子核被轰击后 分裂为较轻的裂块和较重的裂块 同时放出中子的过程 称为核裂变 急剧裂变反应会引起爆炸 从而可制原子弹 四 核聚变和氢弹一些质量很轻的化学元素 主要是氢的核素氘和氚 的原子核 在高温 亿度以上 下可以聚合为较重的元素 同时放出大量的能量 这个过程称核聚变 基本要求 了解La系和Ac系元素的通性 我国稀土元素概况及核反应的类型