10 f区元素选述（课件）- 《无机化学》同步教学（清华大学版）

第十章 f区元素选述 本章主要内容 10.1 引言 10.2 镧系元素的电子层结构和通性 10.3 镧系元素离子和化合物 10.4 镧系元素的重要化合物和镧系金属 10.5 锕系元素的电子层结构和通性 f 区元素 内过渡元素 ◆ 镧系元素：La(57) ------Lu(71)，共15种元素(Ln) 钪(Sc)、钇(Y) + 镧系元素 稀土元素(RE) (性质相似，自然界共生) ◆ 锕系元素 Ac(89)---Lr(103)，共15种元素(An) (放射性元素) IIIB 族 ◆ 洪特规则: 等价轨道全 充满、半充满或全空 状态比较稳定 10.1 镧 系 元 素 10.1.1 镧系元素的通性 1. 价层电子构型 [Xe]4fn-15d16s2 [Xe]4fn6s2 ◆ 最外层两电子 结构相似 化学性质非常相近 La 4f05d16s2 Eu 4f75d06s2 Gd 4f75d16s2 Yb 4f145d06s2 Lu 4f145d16s2 2. 氧化数 ◆ 稳定氧化数(+III) ---固体化合物、水溶液 或其他溶剂中的特性。 +II (Sm，Eu，Tm，Yb) Sm(4f6)，Eu(4f7)，Tm(4f13)，Yb(4f14) +IV (Ce，Pr，Tb，Dy) Ce(4f0)，Pr(4f1)，Tb(4f7)，Dy(4f8) ◆ +II、+IV氧化数：4f层保持或接近全空、 半满或全充满的状态时比较稳定。 3. 原子半径和离子半径 ◆ 原子半径：除Eu和Yb反常外，从La---Lu略有缩小 (半充满4f7和全充满4f14) 原子半径 Eu Yb 原子序数 镧系收缩：镧系元素的 原子半径和离子半径随 着原子序数的增大而逐 渐减小的现象。 La—Lu共收缩14pm ◆ Eu和Yb金属的密度较低，熔点较低 ----仅给出2个电子形成金属键 ◆ 离子半径比原子半径收缩要多 离子半径 原子序数 Ln3+ 半径相近化学性质 相似分离困难 Zr Nb Mo Hf Ta W 在Lnn+中4f变为倒数第二层，屏蔽作用减小 ◆ 镧系收缩是镧系元素的重要现象之一 钇成为稀土元素的成员Y常与重稀土元素共生 ● 一些氧化数为+Ⅲ的镧系离子有很漂亮的颜色 4. 离子的颜色 离 子 未成对电子数 颜 色 未成对电子数 离子 La3+ 0 (4f0) 无色 0 (4f14) Lu3+ Ce3+ 1 (4f1) 无色 1 (4f13) Yb3+ Pr3+ 2 (4f2) 绿 2 (4f12) Tm3+ Nd3+ 3 (4f3) 淡紫 3 (4f11) Er3+ Pm3+ 4 (4f4) 粉红，黄 4 (4f10) Ho3+ Sm3+ 5 (4f5) 黄 5 (4f9) Dy3+ Eu3+ 6 (4f6) 无色 6 (4f8) Tb3+ Gd3+ 7 (4f7) 无色 7 (4f7) Gd3+ ● Ln3+离子颜色的周期性变化 La3+ Gd3+ Lu3+ f n f 14-n 互补组态 ● Ln3+颜色------ f →f 跃迁 ① La3+ (4f0) ，Lu3+ (4f14)和Y3+ 无色 可见区无吸收带，无单电子 ② Ce3+,Eu3+,Gd3+和Tb3+的吸收带波长全部或 大部分在紫外区，无色 ③ Yb3+吸收带波长在近红外区域，无色 ④ 其余Ln3+离子在可见区有明显吸收，有颜色 （如Pr3+，Nd3+，Er3+等） 5．金属活泼性 ●活泼的银白色金属，比较软，有延展性。 ●在冶金工业中常用作脱硫、脱氧剂， 在无线电真空技术中用作吸气剂。 ●与水作用可放出氢，与酸反应更激烈， 其活泼性由镧到镥递减。 ◆镧系金属要保存在煤油里 ●活泼性仅次于碱金属和碱土金属，它们都是 强还原剂， ●可与氧、硫、氯、氮等反应， 铈在氧化时可观察到发火现象（先形成Ce2O3， 继续氧化为CeO2），故金属铈或富铈合金常用 作打火石。 10.1.2 镧系元素的重要化合物 1. Ln(Ⅲ )的化合物 1) 氧化物和氢氧化物 ① 金属直接氧化(Ce，Pr，Tb除外) ②