镧系元素

镧系元素是第57号元素镧到71号元素镥（或镥）共15种元素的统称。镧系元素也属于过渡元素，只是镧系元素的外层和次外层的电子构型基本相同，新增加的电子则大都填入了从外侧数第三个电子层（即4f电子层）中，所以镧系元素又可以称为4f系。为了区别于元素周期表中的d区过渡元素，故又将镧系元素及锕系元素合称为内过渡元素。由于镧系元素都是金属，所以又可以和锕系元素统称为f区金属。镧系元素用符号Ln表示。镧系元素和钪、钇两元素合称为稀土元素，它们彼此之间具有相似的化学性质，难以相互分离，再加上它们在地壳中的分布相当分散，因而造成开采上的困难。不过所有镧系元素既能生成化学性质类似的三价化合物，个别镧系元素也能生成比较稳定或不很稳定的四价或二价化合物，所以15个镧系元素之间的化学性质并不完全相似，在光学、电磁学等物理性质也有较大的差别，此外镧系收缩现象也增加了镧系元素彼此之间化学性质的相异性。镧系元素原子基态的电子构型是4f0~145d0~16s2。镧系元素皆为银灰色有光泽的金属，晶体结构多为六方最密堆积（HCP）或面心立方（FCC）。镧系元素的性质较软，彼此之间具有相似的化学性质，在潮湿空气中不易保存，易溶于稀酸。原子价主要是+3价（铈正四价较稳定，镨和铽也有极个别的四价氧化物，钐、铕、镱有二价化合物），能形成稳定的配合物及微溶于水的草酸盐、氟化物、碳酸盐、磷酸盐及氢氧化物等。在镧系元素的三价氧化物中，氧化镧的吸水性和碱性与氧化钙相似，其余则依次转弱。三价镧系元素的化学性质彼此都很相似，所以难以将它们相互分离。镧系元素具有顺磁性（镧的化合物除外），而镧的化合物则呈反磁性。钷是唯一一个没有稳定同位素的镧系元素，其寿命最长的同位素145Pm的半衰期为17.7年，会衰变成接近稳定的145Nd，再衰变成141Ce，最后衰变成稳定的141Pr。镥（Lu）是否属于镧系元素有争论。但为了方便叙述，现今仍习惯将其与镧系合称。参见锕系元素中关于铹的地位的争论。镧系元素在固态、水溶液中或其他溶剂中的特征氧化态是+3。由于镧系元素在气态时，失去两个6s电子和一个5d电子或失去两个6s电子和一个4f电子所需的电离能比较低，所以一般能形成稳定的+3氧化态。除+3特征氧化态外，镧系元素还存在着一些不常见的氧化态。例如：铈、镨、钕、铽、镝存在+4氧化态，原因是它们的4f层保持或接近全空、半满或全充满的状态比较稳定，但只有+4氧化态的铈能存在于溶液中，它是很强的氧化剂。同理，铈、钕、钐、铕、铥、镱还存在+2氧化态。与同族的钪、钇、镧原子半径逐渐增大的规律恰恰相反，从铈到镥则是逐渐减小。这种镧系元素的原子半径和离子半径随原子序数的增加而逐渐减小的现象称为镧系收缩。镧系收缩现象的存在让镧系元素之间的原子半径与离子半径产生不同，从而影响它们的化学性质。如果没有镧系收缩现象，镧系元素的分离将会变得极为困难。镧系元素的硝酸盐 Ln(NO3)3·6H2O（不含钷）：镧系元素在地壳中常和钪、钇两元素一同出现在独居石、氟碳铈矿、磷钇矿和硅铍钇矿等矿物中，而丰度也比大部分过渡元素要高（具放射性的钷仅以痕量存在，任何时刻都不到1公斤。），不过由于它们彼此之间的化学性质非常相似，因此不易从其矿石中萃取。镧系元素被广泛应用于国防工业、冶金、机械、电子、石油、化工、玻璃、陶瓷、纺织、皮革、农牧养殖等各传统方面领域，在社会生活中几乎随处可见。作为改性添加元素在钢铁和有色金属中加入极少量镧系元素就能明显改善金属材料性能，提高钢材的强度及耐磨性和抗腐蚀性能力。尚未发现任何镧系元素在生物体中有特殊的作用。钷由于具有放射性，对生物而言是高毒性的物质。