西北大学：《普通化学》课程教学资源（PPT课件）第十三章 f区元素 f-Block Elements

第13章f区元素 Chapter 13 f-Block Elements

第13章 f 区元素 Chapter 13 f-Block Elements

Be B C N O F Ne Npsa如 f区元素 Ca Sc TI V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br kr R Sr Y Zr N Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd in Sn Sb Te I Xe W Re os ir Pt Au Ha TI P6BPoam 在周期表 bloc La Ce Pr rid Pm Sm Ee Gd T Dy.He Er Im Yb Lu Ar Th Pa U Np Pu Am Cr 中的位置 La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Th Pa Np Pu Am Cm fblock

f 区元素 在周期表 中的位置

本章教学要求 1. 熟悉铜系元素的电子结构、名称，镧系收缩概 念及其产生的原因和影响： 2.了解镧系元素的存在，制备及用途： 3.重点掌握镧系元素氧化物，氢氧化物的性质； 4.了解镧系元素的分离方法，特别注意溶剂萃取 法及离子交换法的原理； 5. 简单了解锕系元素电子结构、名称及与镧系元 素的相似性

1．熟悉镧系元素的电子结构、名称，镧系收缩概 念及其产生的原因和影响； 本章教学要求 5. 简单了解锕系元素电子结构、名称及与镧系元 素的相似性. 4．了解镧系元素的分离方法，特别注意溶剂萃取 法及离子交换法的原理； 3．重点掌握镧系元素氧化物，氢氧化物的性质； 2．了解镧系元素的存在，制备及用途；

13.1镧系元素 Lanthanides 13.1.1基本性质概述 章内容 13.1.2重要化合物 13.1.3镧系元素的相互分离 13.1.4存在、提取和应用 13.2锕系元素简介 Introduction of actinides

13.1 镧系元素 Lanthanides 13.1.1 基本性质概述 13.1.2 重要化合物 13.1.3 镧系元素的相互分离 13.1.4 存在、提取和应用 13.2 锕系元素简介 Introduction of actinides 本 章 内 容

13.1 镧系元素 有关∫区元素定义的争论仍在继续： 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， “稀土”一别致有趣的名字： 稀土的英文是Rare Earths,l8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UPAC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21号的Sc和39号的Y称为稀土完素， RE表示

13.1 镧系元素 “稀土” — 别致有趣的名字： 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 21 号的 Sc 和 39 号的 Y 称为稀土元素，用 RE 表示 . 有关 f 区元素定义的争论仍在继续： 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

13.1.1 基本性质概述 1.镧系元素的分组 57La58Ces9Pr60Nd 61Pm 62Sm 63Eu 64Gd 65Tb 66Dy 67H068Er69Tm70Yb7Lu 镧铈错钕钜钐铕钆铽镝钬铒铥镱镥 轻稀土组 重稀土组 轻稀土组 中稀土组 重稀土组 另有四分组： 57La58Ce59Pr60Nd61Pm 62Sm 63Eu 64G 镧铈错钕 阳 64Gd 65Tb 66Dy 67H068Er69Tm70Yb71Lu 钆铽镝钬铒铥镱镥

13.1.1 基本性质概述 1. 镧系元素的分组 轻稀土组 重稀土组 轻稀土组 中稀土组 重稀土组 57La 58Ce 59Pr 60Nd 61Pm 62Sm 63Eu 64Gd 65Tb 66Dy 67Ho 68Er 69Tm70Yb 71Lu 镧 铈 镨 钕 钷 钐 铕 钆 铽 镝 钬 铒 铥 镱 镥 钆 铽 镝 钬 铒 铥 镱 镥 另有四分组： 57La58Ce 59Pr 60Nd 镧 铈 镨 钕 钷 钐 铕 钆 61Pm 62Sm 63Eu 64Gd 64Gd 65Tb 66Dy 67Ho68Er 69Tm70Yb71Lu

2. 镧系元素的电子构型和性质 元素 Ln电子组态Ln+电子组态 常见氧化态 原子半径/pmLn3+半径pm 57La 45d6s2 4 (3 187.7 106.1 -2.38 58Ce 4n5d6s2 4 (3),4 182.4 103.4 -2.34 59Pr 4护 6s2 (3),4 182.8 101.3 -2.35 60Nd 4f 6s2 4护 (3),2 182.1 99.5 -2.32 61Pm F 6s2 4护 (3) 181.0 97.9 -2.29 62Sm 4 6s2 4护 (3),2 180.2 96.4 -2.30 63Eu 4f 6x2 4护 (3),2 204.2 95.0 -1.99 64Gd 4f5d62 4 (3) 180.2 93.8 -2.28 65Tb 4f 6r2 4护 (3),4 178.2 92.3 -2.31 66Dy 40 6s2 4 (3),2 177.3 90.8 -2.29 6H0 4fi 6s2 4fo (3) 176.6 89.4 -2.33 68Er 4r2 6r2 4 (3) 175.7 88.1 -2.32 69Tm 4f13 6s2 42 (3),2 174.6 86.9 -2.32 70Yb 445d6s2 4n3 (3),2 194.0 85.8 -2.22 4f45d6s2 44 (3) 173.4 84.8 -2.30

2. 镧系元素的电子构型和性质 元素 Ln电子组态 Ln E q 3+电子组态 常见氧化态 原子半径/pm Ln3+半径 /pm /V 57La 58Ce 59Pr 60Nd 61Pm 62Sm 63Eu 64Gd 65Tb 66Dy 67Ho 68Er 69Tm 70Yb 71Lu 4f 05d 16s 2 4f 15d 16s 2 4f 3 6s 2 4f 4 6s 2 4f 5 6s 2 4f 6 6s 2 4f 7 6s 2 4f 75d 16s 2 4f 9 6s 2 4f 10 6s 2 4f 11 6s 2 4f 12 6s 2 4f 13 6s 2 4f 145d 16s 2 4f 145d 16s 2 4f 0 4f 1 4f 2 4f 3 4f 4 4f 5 4f 6 4f 7 4f 8 4f 9 4f 10 4f 11 4f 12 4f 13 4f 14 (3) (3),4 (3),4 (3),2 (3) (3),2 (3),2 (3) (3),4 (3),2 (3) (3) (3),2 (3),2 (3) 187.7 182.4 182.8 182.1 181.0 180.2 204.2 180.2 178.2 177.3 176.6 175.7 174.6 194.0 173.4 106.1 103.4 101.3 99.5 97.9 96.4 95.0 93.8 92.3 90.8 89.4 88.1 86.9 85.8 84.8 -2.38 -2.34 -2.35 -2.32 -2.29 -2.30 -1.99 -2.28 -2.31 -2.29 -2.33 -2.32 -2.32 -2.22 -2.30

3.氧化态特征 镧系元素全部都形成稳定的+3氧化态，同一周期连续15个元 素形成同一种特征氧化态的现象在周期表中是绝无仅有的.非特征 氧化态与它们的电子组态稳定性有关. f4+ 十4 Nd Pm Dy Ho Er I'm +2 Ba2+ Sm Eu La+(4f0),Gd+(4f)和Lu(4f1)已处于稳定结构，获得+2和 +4氧化态是相当困难的；Ce3(4f)和Tb3+(4f8)失去一个电子即达 稳定结构，因而出现+4氧化态；Eu3+(4f6)和Yb3+(4f13)接受一个 电子即达稳定结构，因而易出现+2氧化态

3. 氧化态特征 镧系元素全部都形成稳定的 + 3 氧化态，同一周期连续 15 个元 素形成同一种特征氧化态的现象在周期表中是绝无仅有的 . 非特征 氧化态与它们的电子组态稳定性有关 . +4 +3 +2 Ba 2+ Hf 4+ Dy Ho Er Tm La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Yb Lu La3+(4f 0), Gd3+(4f 7) 和 Lu3+(4f 14) 已处于稳定结构，获得 +2 和 +4 氧化态是相当困难的； Ce 3+(4f 1) 和 Tb3+(4f 8) 失去一个电子即达 稳定结构，因而出现 +4 氧化态；Eu3+(4f 6) 和 Yb3+(4f 13) 接受一个 电子即达稳定结构，因而易出现 +2 氧化态

4. 镧系收缩 定 义指镧系元素的离子半径随原子序数的增加而依次 减小的现象.有人也把这叫做“单向变化” 产生原因 随原子序数增大，电子填入4f层，f电子云较分散，对 5d和6s电子屏蔽不完全，Z*增大，对外层电子吸引力 增大，使电子云更靠近核，造成了半径逐渐减小而产生 了所谓“镧系收缩效 105 100 85 80 57 59 61 63656769 71 原子序数

4. 镧系收缩 定 义 指镧系元素的离子半径随原子序数的增加而依次 减小的现象 . 有人也把这叫做 “单向变化”. 产生原因 随原子序数增大，电子填入4 f 层，f 电子云较分散，对 5d 和 6s 电子屏蔽不完全，Z* 增大，对外层电子吸引力 增大 ，使电子云更靠近核 ，造成了半径逐渐减小而产生 了所谓 “镧系收 缩效 应”. 原子序数 离 子 半 径 /p m 57 59 61 63 65 67 69 71 105 100 95 90 85 80

产生影响 ● 收缩缓慢是指相邻两个元素而言，两两之间的减小幅 度不如其他过渡元素两两之间的减小幅度大，使镧系 元素内部性质太相似，增加了分离困难； ● 也使镧系元素后的第三过渡系的离子半径接近于第二 过渡系同族，如Zr+(80pm)和Hf+(81pm),Nb(70 pm)和Ta+(73pm),Mo+(62pm)和W+(65pm),使 其化学性质相似，在矿物中共生，分离困难； ●使Y的原子半径处于Ho和Er之间，使其化学性质与 镧系元素非常相似，在矿物中共生，分离困难故在稀 土 元素分离中将其归于重稀土一组

● 使 Y 的原子半径处于 Ho 和 Er 之间，使其化学性质与 镧系元素非常相似，在矿物中共生，分离困难故在稀 土 元素分离中将其归于重稀土一组. 产生影响 ● 收缩缓慢是指相邻两个元素而言，两两之间的减小幅 度不如其他过渡元素两两之间的减小幅度大，使镧系 元素内部性质太相似，增加了分离困难 ； ● 也使镧系元素后的第三过渡系的离子半径接近于第二 过渡系同族，如 Zr 4+(80 pm) 和 Hf 4+(81 pm), Nb5+(70 pm) 和 Ta5+(73 pm)，Mo6+ (62 pm) 和 W6+(65 pm), 使 其化学性质相似，在矿物中共生，分离困难；