单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,镧系和锕系元素,无机化学多媒体电子教案,第十四章,镧系和锕系元素,镧系和锕系元素无机化学多媒体电子教案第十四章镧系和锕系元素,1,主要内容,主要内容,镧系、锕系元素通性,2.我国稀土元素资源和提取,3.核反应类型,主要内容主要内容 镧系、锕系元素通性,2,钪,(Sc scandium),钇,(Y yttrium),稀 土 元 素 (16个)镧系元素,(Rare earth elements)lanthanide,Ln,IIIB 镥,(Lu lutetium),15个元素 第一内过渡系,锕系元素,(actinide An),铹,(Lr lawrencium),15个元素 第二内过渡系,32,个 元 素,14-1 镧系和锕系元素概述,钪(Sc scandium),3,元素周期表,元素周期表,4,14-1-1价层电子构型和氧化数,符号,价层电子构型,氧化数,符号,价层电子构型,氧化数,La,5d,1,6s,2,+3,Gd,4f,7,5d,1,6s,2,+3,Ce,4f,1,5d,1,6s,2,+3、+4,Tb,4f,9,6s,2,+3、+4,Pr,4f,3,6s,2,+3、+4,Dy,4f,10,6s,2,+3、+4,Nd,4f,4,6s,2,+3,Ho,4f,11,6s,2,+3,Pm,4f,5,6s,2,+3,Er,4f,12,6s,2,+3,Sm,4f,6,6s,2,+2、+3,Tm,4f,13,6s,2,+2、+3,Eu,4f,7,6s,2,+2、+3,Yb,4f,14,6s,2,+2、+3,14-1-1价层电子构型和氧化数,镧系元素的电子层结构最外层和次外层基本相同，只是,4f上电子数不同，因而性质十分相似,14-1-1价层电子构型和氧化数符号价层电子构型氧化数符号价,5,氧化数的变化分为两个周期,LaGd、GdLu,氧化数的变化分为两个周期,6,14-1-2原子半径、离子半径和镧系收缩,符号,原子半径,pm,Ln,3+,半径,pm,符号,原子半径,pm,Ln,3+,半径,pm,La,183,103.2,Gd,180.4,93.8,Ce,181.8,102,Tb,178,92.3,Pr,182.4,99,Dy,178.1,91.2,Nd,181.4,98.3,Ho,176.2,90.1,Pm,183.4,97,Er,176.1,89.0,Sm,180.4,95.8,Tm,177.3,88,Eu,208.4,94.7,Yb,193.3,86.8,14-1-2原子半径、离子半径和镧系收缩,14-1-2原子半径、离子半径和镧系收缩符号原子半径pmLn,7,210,200,190,180,170,原子半径/pm,原子序数,Eu,Yb,镧系收缩原子半径(总趋势)随原子序数的增加而缓慢减小的现象,原子半径,210原子半径/pm原子序数EuYb镧系收缩原子半径(总,8,镧系收缩原因,：,由于f轨道形态太分散,在空间伸展的又比较远，以致4f电子对原子核的屏蔽不完全,不能象轨道形状比较集中的内层电子那样能有效地屏蔽电荷,结果随原子序数递增，外层电子受到的有效核电荷慢慢增加,外层壳层依次收缩,4f,n,壳层也逐渐收缩,所以,镧系收缩是整个电子壳层依次收缩的积累而造成的。,镧系收缩导致五、六周期同族元素(,B后)性质极为相似(如,Zr和Hf、Nb和Ta、Mo和W,),分离困难。,镧系收缩原因：由于f轨道形态太分散,在空间伸展的又比较远，,9,210,200,190,180,170,原子半径/pm,原子序数,Eu,Yb,双峰效应原子半径在Eu、Yb处出现,骤升的现象。,210原子半径/pm原子序数EuYb双峰效应原子半径在E,10,1750,1550,1350,1150,950,750,熔点/,原子序数,Eu,Yb,双峰效应熔点在Eu、Yb处出现,骤降的现象。,1750熔点/原子序数EuYb双峰效应熔点在Eu、Yb,11,4200,4000,3800,3600,3400,(,I,1,+,I,2,+,I,3,)/(kJmol,-1,),原子序数,Eu,Yb,双峰效应第一、二、三电离能在,Eu、Yb处出现骤升的现象。,4200(I1+I2+I3)/(kJmol-1)原子序数,12,105,100,95,90,85,80,75,Ln,3+,半径/pm,原子序数,离子半径随原子序数的增加而缓慢减小,离子半径,105Ln3+半径/pm原子序数离子半径随原子序数的增加而缓,13,14-1-3 金属活泼性,符号,I,(,I,1,+,I,2,+,I,3,),(kJmol,-1,),符号,I,(,I,1,+,I,2,+,I,3,),(kJmol,-1,),La,3455.4,Gd,3752,Ce,3524,Tb,3786,Pr,3627,Dy,3898,Nd,3694,Ho,3920,Pm,3738,Er,3930,Sm,3871,Tm,4043.7,Eu,4032,Yb,4193.4,14-1-3 金属活泼性,14-1-3 金属活泼性符号I(I1+I2+I3)符号I,14,镧系金属单质的化学性质,碱金属 E,o,=,-,2.9左右 碱土金属 E,o,=,-,2.3,2.9,Al E,o,=,-,1.96 Ln E,o,=,-,2.3左右,(1)活泼性仅次于碱金属和Ca、Sr、Ba而与Mg类似；,(2)活泼性规律Sc、Y、La Lu,(3)在一定温度下,可与所有非金属反应,可作脱氧剂、脱硫剂。,(4)与水、酸反应迅速，应保存在煤油中。,(5)类似于碱金属能溶于液氨蓝色溶液,镧系金属单质的化学性质碱金属 Eo=-2.9左右,15,14-1-4 离子的颜色,离子,(4f,n,),未成对,4f 电子数,颜色,未成对,4f 电子数,离子,(4f,n,),La,3+,(4f,0,),0,无,0,Lu,3+,(4f,14,),Ce,3+,(4f,1,),1,无,1,Yb,3+,(4f,13,),Pr,3+,(4f,2,),2,绿,2,Tm,3+,(4f,12,),Nd,3+,(4f,3,),3,淡红,3,Er,3+,(4f,11,),Pm,3+,(4f,4,),4,粉红淡黄,4,Ho,3+,(4f,10,),Sm,3+,(4f,5,),5,黄,5,Dy,3+,(4f,9,),Eu,3+,(4f,6,),6,淡红,6,Tb,3+,(4f,8,),Gd,3+,(4f,7,),7,无,7,Gd,3+,(4f,7,),14-1-4 离子的颜色,呈周期性变化,14-1-4 离子的颜色离子未成对颜色未成对离子La3+(4,16,荷移跃迁,电荷从配体的分子轨道向金属离子空轨道跃迁。,fd(ug)跃迁,光谱选律所允许的跃迁。,因而谱线强度大,一般出现在紫外区。,ff(uu)跃迁,光谱选律所禁阻的跃迁,。由于中心离子与配体的电子振动偶合、晶格振动和旋轨偶合使禁阻产生松动，从而使ff跃迁得以实现。,镧系离子的颜色来源:,荷移跃迁 电荷从配体的分子轨道向金属离子空轨道跃迁。,17,14-2 稀土元素,14-2-1稀土元素资源,稀土元素的分组,铈组,（轻稀土）La Ce Pr Nd(Pm)Sm,钇组,（重稀土）Eu Gd Tb Dy Y Ho Er Tm Yb Lu,铈组,（轻稀土）La Ce Pr Nd(Pm)Sm,铽组,（中重稀土）Eu Gd Tb Dy,钇组,（重稀土）Y Ho Er Tm Yb Lu,sol,H,m,/kJmol,1,LnCl,3,LnCl,3,6H,2,O,LnCl,3,和,LnCl,3,6H,2,O,的,标准溶解焓,14-2 稀土元素14-2-1稀土元素资源 稀土元素的分组铈,18,14.2.2 稀土元素的提取,（1）,分级结晶法,利用某些镧系盐类溶解度的差异，通过盐类的溶解、结晶、再溶解、再结晶多次重复操作，使不同稀土元素分离的方法。,（2）,分级沉淀法,利用某些镧系盐类溶解度的差异，通过添加一种化学试剂，生成一种新的难溶物，使其从溶液中沉淀出来，然后再溶解、再沉淀多次重复操作，使不同稀土元素分离的方法。,14.2.2 稀土元素的提取（1）分级结晶法 利用某些镧系,19,（3）,选择性氧化法,用适当的氧化剂或还原剂改变镧系离子的价态，使其形成有别于+3价离子性质的化合物，从而达到分离目的的方法。,（4）,离子交换法,利用Ln,3+,离子在阳离子交换树脂上吸附能力的不同使其分离的方法。,（3）选择性氧化法 用适当的氧化剂或还原剂改变镧系离子的价,20,（5）,液-液溶剂萃取法,利用不同镧系离子的配合物在有机相和水相中分配比的不同使其分离的方法。,（5）液-液溶剂萃取法 利用不同镧系离子的配合物在有机相和,21,14.2.2 稀土元素的应用,稀土元素在传统产业领域中应用,农业领域：,稀土作为植物的生长、生理调节剂，对农作物具有增产、改善品质和抗逆性三大特征；同时稀土属低毒物质，对人畜无害，对环境无污染；合理使用稀土，可使农作物增强抗旱、抗涝和抗倒伏能力。当前我国农田施用稀土面积达,5 0007 000,万亩,/,年，为国家增产粮、棉、豆、油、糖等,68,亿公斤，直接经济效益为,1015,亿元，年消费稀土,1 1001 200,吨。,14.2.2 稀土元素的应用稀土元素在传统产业领域中应用,22,石油化工领域：,用于石油裂化工业中的稀土分子筛裂化催化剂，具有活性高、选择性好、汽油的生产率高等特点。,玻璃工业领域：,主要有三个应用：玻璃着色、玻璃脱色和制备特种性能的玻璃。用于玻璃着色的稀土氧化物有钕,(,粉红色并带有紫色光泽,),、镨玻璃为绿色,(,制造滤光片,),等；二氧化铈可将玻璃中呈黄绿色的二价铁氧化为三价而脱色，避免了过去使用砷氧化物的毒性，还可以加入氧化钕进行物理脱色；稀土特种玻璃如铈玻璃,(,防辐射玻璃,),、镧玻璃,(,光学玻璃,),。,石油化工领域：用于石油裂化工业中的稀土分子筛裂化催化剂，具,23,稀土元素在高新技术产业中应用,显示器的发光材料：,稀土元素中钇、铕是红色荧光粉的主要原料，广泛应用于彩色电视机、计算机及各种显示器。目前，我国年产彩电红粉,300400,吨，计算机显示器红粉,50100,吨，以满足国产,3 500,万支彩显管和近百万支显示器的需求。,激光材料：,稀土离子是固体激光材料和无机液体激光材料的最主要的激活剂，其中以掺,Nd,3+,的激光材料研究得最多，除钇铝石榴石,(YAG),、铝酸钇,(YAP),玻璃等基质外，高稀土浓度激光材料可能称为特殊应用的材料。,稀土元素在高新技术产业中应用 显示器的发光材料：稀土元素中,24,磁性材料：,钕、钐、镨、镝等是制造现代超级永磁材料的主要原料，其磁性高出普通永磁材料,410,倍，广泛应用于电视机、电声、医疗设备、磁悬浮列车及军事工业等高新技术领域。据专家预测，本世纪末此类材料产值将达到,35,亿美元。,精密陶瓷：,氧化钇部分稳定的氧化锆是性能十分优异的结构陶瓷，可制作各种特殊用途的刀剪；可以制作汽车发动机，因其具有高导热、低膨胀系数、热稳定性能好、在,1 650,下工作强度不降低，导致发动机马力大、省燃料等优点。,磁性材料：钕、钐、镨、镝等是制造现代超级永磁材料的主要原料,25,储氢材料：,稀土与过渡元素的金属间化合物,MMNi,5,(MM,为混合稀土金属,),和,LaNi,5,是优良的吸氢材料，被称为氢海绵。其最为成功的应用是制造二次电池,金属氢化物电池，即镍氢电池。其等体积充电容量是目前广泛使用的镍镉电池的,2,倍，充放电循环寿命和输出电压与镍镉电池一样，但没有了镉污染。,储氢材料：稀土与过渡元素的金属间化合物MMNi5(MM,26,有些元素的原子核不稳定，能自发放射质点和电磁辐射，,这种从原子核自发地放射出射线的性质，称为放射性。,具有放射性的同位素称为放射性同位素。,原子核自发地发生核结构的改变称为,核衰变,或,放射性衰变,。如：,原子核由外因引起核结构的变化叫,核反应,。如：,得到的,3