鑭系金屬

鑭系元素（ ）質較軟，具延展，潑強。鑭系元素既化質類似價化合，鑭系元素較穩穩價二價化合，元素化質完似，、電磁學等物理性質也有較大的差別。

鑭系元素屬，稱鑭系屬。鑭系元包括鑭、鈰、鐠、釹、鉕、釤、銪、釓、鋱、鏑、鈥、鉺、銩、鐿、鑥，稀土元素的成員。鑭系元素用符號Ln表示。鑭系元素和錒系元素統稱為f區金屬。

錒系元素錒、釷、鏷、鈾存。鎿鐒錒系元素則核反應合成（鎿、鈈在含鈾礦物中也有發現，但其量極微），合成的方式有在反應堆或核爆炸中輻照重元素靶及在加速器上用帶電粒子轟擊重元素靶等。

稀土元素並不稀少，但在地殼中分佈分散，彼此性質相似，難以提取、分離。原子序數為偶數的元素一般比相鄰原子序數為奇數的的元素的含量高。

按其存在形態，主要有三種類型的礦源：

1.稀土共生構成獨立的稀土元素礦物。

2.以類質同晶的形式分散在方解石、磷灰石等礦物中。

3.吸附狀態存在於粘土礦、雲母礦等礦物中。

我國稀土——儲量大、分佈廣、礦種齊全、易開採。南方以重稀土為主，內蒙古以輕稀土為主。

具有重要工業意義的稀土礦物有磷釔礦（YPO4）、氟碳鈰礦（Ce（CO3）F）、褐釔鈮礦（YNbO4）等。

根據稀土元素性質的遞變情況將稀土元素分組有以下幾種情況：

從原子的電子層構型以及它們的原子量的大小把稀土元素分成兩組：即銪以前的鑭系元素叫做輕稀土元素或稱鈰組元素；把銪以後的鑭系元素加上釔叫做重稀土元素或稱釔組元素。

按照稀土元素硫酸鹽溶液與Na2SO4等生成的稀土元素硫酸復鹽在水溶液中的溶解度可把稀土元素分為三組：即鑭到釤的硫酸復鹽難溶，稱為鈰組；銪到鏑的硫酸復鹽微溶，稱為鋱組；釔及鈥到鑥的硫酸復鹽易溶，稱為釔組。也有人把鋱組稱為中稀土元素。

特點

1.大多數Ln離子在可見光區內有吸收。

2.具有相同未成對f電子的稀土離子具有相近的顏色。

3.Ln離子是由f-f躍遷產生的。f-f躍遷屬於禁阻躍遷，其吸收光譜的摩爾消光係數很小（約為0.51·mol·cm）。

4.其吸收光譜為類原子的線狀光譜

5.也可以發生Ln配體間的電荷遷移光譜，這時摩爾消光係數較大（約為50~1000l·mol·cm）

鑭系元素的磁性較複雜，鑭系元素由於4f電子能被5s和5p電子很好的屏蔽掉，受外電場的作用較小，軌道運動對磁矩的貢獻並沒有對周圍配位原子的電場作用所抑制，所以在計算其磁矩時必須同時考慮電子自旋和軌道運動兩方面對磁矩的影響。

鑭系元素及化合物中未成對電子數多，加上電子軌道運動對磁矩所作的貢獻，使得它們具有很好的磁性，可做良好的磁性材料，稀土合金還可做永磁材料。

鑭系元素應用極為廣泛。化學工業上主要用作催化劑。例如混合鑭系元素的氯化物和磷酸鹽用作催化劑，以加速石油的裂化分解。混合稀土氧化物廣泛用作玻璃拋光材料和玻璃的脫色劑，還可用來製造耐輻射玻璃和激光玻璃。用三氧化二釔和三氧化二鏑可製得耐高溫透明陶瓷，這種陶瓷被用於火箭、激光、電真空等技術工程上。此外，電視工業中大量使用的熒光粉為某些稀土化合物，此熒光粉用於製造電視熒光屏。

鋼鐵中加入少量稀土元素，可大大改善鋼的機械性能，因此稀土元素可稱為鋼鐵的“維生素”。例如在生鐵里加進鈰，可得到球墨鑄鐵，使生鐵具有韌性且耐磨，可以鐵代鋼，以鑄代鍛。

此外，農業上用稀土元素可使糧食增產10%~20%，白菜增產29%，大豆增產50%，還可提高西瓜的產量和甜度，因此用作高效微量肥料。

鑭系元素在固態、水溶液中或其他溶劑中的特徵氧化態是+3。由於鑭系元素在氣態時，失去兩個6s電子和一個5d電子或失去兩個6s電子和一個4f電子所需的電離能比較低，所以一般能形成穩定的+3氧化態。除+3特徵氧化態外，鑭系元素還存在著一些不常見的氧化態。例如：鈰、鐠、釹、鋱、鏑存在+4氧化態，原因是它們的4f層保持或接近全空、半滿或全充滿的狀態比較穩定，但只有+4氧化態的鈰能存在於溶液中，它是很強的氧化劑。

同理，鈰、釹、釤、銪、銩、鐿還存在+2氧化態。

鑭系金屬具有銀白色或灰色光澤，質地比較軟，具有延展性並具有順磁性。鑭系金屬的活潑性很強，其活潑性僅次於鹼金屬和鹼土金屬，比Al和Zn都強。由於鑭系金屬性質活潑，所以在空氣中能與O2反應生成氧化物。在高溫時，鑭系金屬可與鹵素、N2、C、S等非金屬反應，生成相應的鹵化物、氮化物、碳化物和硫化物。Ln金屬隨原子序數的增大而金屬活潑性稍有減弱，但它們都是很強的還原劑。

標準電極電位表明，鑭系金屬元素的j°(Ln3+/Ln)隨原子序數的增大而逐漸減小，但都低於-1.99V，足見其金屬活潑性之強。鑭系金屬能與H2O反應，尤其是與熱水反應較劇烈，同時放出H2。如果與稀酸反應，則更易放出H2。由j°(Ln3+/Ln)數據還可看出，Ln中Eu和Yb的一些性質與其它成員相比顯得較為突出。正如它們的原子半徑在這兩個元素出現兩個峰值一樣，Eu和Yb的j°(Ln3+/Ln)和（I1+I2+I3）也與整個變化趨勢不一致，也呈兩個相對較高的值；而密度和熔點則突出地較低。如果用這些數據對原子序數作圖，則在Eu和Yb處將出現兩個峰值或谷值。這一現象應與Eu和Yb分別具有4f76s2和4f146s2的穩定夾層電子構型有關。

鑭系金屬是強還原劑，其還原能力僅次於Mg，其反應性可與鋁比。而且隨著原子序數的增加，還原能力呈逐漸減弱的趨勢。

在酸性溶液中Ln離子為強還原劑，Ln離子為強氧化劑。

由於鑭系和錒系兩個系列的元素隨著原子序數的增加都只在內層軌道（相應的4f和5f軌道）充填電子，其外層軌道（相應的6s、5d和7s、6d軌道）的電子排布基本相同，因此鑭系元素和錒系元素不僅化學性質相似，而且每個系列內元素之間的化學性質也是相近的。大多數錒系元素都有以下性質：能形成絡離子和有機螯合物的三價陽離子；生成三價的不溶性化合物，如氫氧化物、氟化物、碳酸鹽和草酸鹽等；生成三價的可溶性化合物，如硫酸鹽、硝酸鹽、高氯酸鹽和某些鹵化物等。在水溶液中多數錒系元素為+3氧化態，前面幾個和最後幾個錒系元素還有不同的氧化態，如鏷有+5氧化態；鈾、鎿、鎇有+5和+6氧化態，鎿和鈈還有+7氧化態，可以MO娚、MO卂、MO幯等離子形式存在（鑭系元素中最高氧化態為+4）；鐦、鎄、鐨、鍆和鍩等元素都有+2氧化態。錒系與鑭系的這種差別是因為輕的錒系元素中5f電子激發到6d軌道所需能量比相應的鑭系元素中4f電子激發到5d軌道的能量要小，使得錒系元素比鑭系元素有更多的成鍵電子，因而出現較高的氧化態；而重的錒系元素卻正好相反。

鑭系元素的化學性質比較活潑。新切開的有光澤的金屬在空氣中迅速變暗，表面形成一層氧化膜，它並不緊密，會被進一步氧化，金屬加熱至200～400℃生成氧化物。金屬與冷水緩慢作用，與熱水反應劇烈，產生氫氣，溶於酸，不溶於鹼。金屬在200℃以上在鹵素中劇烈燃燒，在1000℃以上生成氮化物，在室溫時緩慢吸收氫，300℃時迅速生成氫化物。鑭系元素是比鋁還要活潑的強還原劑，在150～180℃著火。鑭系元素最外層（6S)的電子數不變，都是2。而鑭原子核有57個電荷，從鑭到鑥，核電荷增至71個，使原子半徑和離子半徑逐漸收縮，這種現象稱為鑭系收縮。由於鑭系收縮，這15種元素的化合物的性質很相似，氧化物和氫氧化物在水中溶解度較小、鹼性較強，氯化物、硝酸鹽、硫酸鹽易溶於水，草酸鹽、氟化物、碳酸鹽、磷酸鹽難溶於水。

鑭系元素的外層和次外層的電子構型基本相同，電子逐一填充到4f軌道上。鑭系元素也屬於過渡元素，只是鑭系元素新增加的電子大都填入了從外側數第三個電子層（即4f電子層）中，所以鑭系元素又可以稱為4f系。為了區別於元素周期表中的d區過渡元素，故又將鑭系元素（及錒系元素）稱為內過渡元素。鑭系元素原子基態的電子構型是4f0~145d0~16s2。

鑥（Lu）是否屬於鑭系元素有爭論。最近的色譜分析顯示，鑥和鐒應屬於IIIB族，而非鑭系和錒系。但為了方便敘述，現今仍習慣將其與鑭系合稱。參見錒系元素中關於鐒的地位的爭論。