普通化学/各种元素化学/内过渡金属

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封面 · 导言 · v • d • e
单元: 物质 · 原子结构 · 键合 · 反应 · 溶液 · 物质的相 · 平衡 · 动力学 · 热力学 · 元素
附录: 周期表 · 单位 · 常数 · 方程式 · 还原电位 · 元素及其性质

内过渡金属

内过渡金属位于f 区，通常放在周期表的底部。这些元素有时被称为稀土金属，因为它们在地球上极为稀少。除了极不稳定的钷，它会快速衰变成另一种镧系金属，这些元素并不稀有。实际上，铈在地球地壳中含量丰富。）其中许多元素并不自然存在，而是在实验室中人工制造的。此外，这些元素的化学和物理性质几乎完全相同，这使得它们很难识别和分离。它们几乎与碱金属一样活泼，所有锕系元素都是放射性的，因此它们的商业意义不大。然而，放射性元素可以用在核电站或作为武器。

大多数内过渡金属形成+3电荷的离子。一些较轻的锕系元素可以使用它们的f 电子进行成键，使其具有更广泛的氧化态，但其余元素不使用f 电子，只具有+3氧化态。铈是一个显著的例外：它具有相对常见的+4氧化态，在二氧化铈 CeO₂ 中可见。

这些元素在氧气中会迅速失去光泽。有些会在氧气中点燃。它们会与水反应释放氢气

2{\hbox{M}}+3{\hbox{H}}_{2}{\hbox{O}}\to {\hbox{M}}_{2}{\hbox{O}}_{3}+3{\hbox{H}}_{2}

镧系元素

镧系元素在氧气中易燃，并与非金属剧烈反应。它们用于激光，有时根据元素的不同用于钢铁。

钕磁体 (Nd₂Fe₁₄B) 是已知的最强的永磁体。钆在室温以下表现出铁磁性。

铽(III) 阳离子具有很强的荧光性——它在黑暗中发光。

镧系收缩是一种现象，它导致镧系元素（以及它们之后的所有元素）的原子半径远小于预期。f 电子对核电荷的屏蔽效果不如预期，因此最外层电子被更多地吸引到核上。

锕系元素

只有钍和铀自然存在于地球地壳中（以及微量的镎和钚）。

锕系元素是放射性的，会衰变成更稳定的元素。那些并不自然存在的锕系元素是在实验室中为了实验和研究而制造出来的。

核化学

在您学习普通化学的过程中，您无疑已经听说过“放射性元素”和“不稳定同位素”。这些元素是核化学的研究对象。正常的化学反应发生在原子和电子之间。原子获得、失去和共享电子形成不同的物质。化学反应本质上是电子的相互作用。核反应，另一方面，发生在原子的原子核内。它们涉及质子、中子和有时其他粒子（电子和光子）的获得、损失和转化。核化学是您只能在教科书中学习的东西——放射性物质对生物体有致命作用，会引起爆炸，而且很难获得。

您应该已经知道同位素是什么：具有相同质子数，但中子数不同（以及不同的总质量）的元素。一些同位素是稳定的，不会衰变。它们无限期地存在。其他同位素是不稳定的，这意味着它们是放射性的。它们会发生核反应，变成更稳定的同位素。一些元素始终不稳定，无论有多少中子，因此它们的所有同位素都是不稳定的。

例如，碳-12（6 个质子，6 个中子）是稳定的。碳-14（6 个质子，8 个中子）是不稳定的，会衰变成氮-14。从化学角度看，这很不寻常——原子不可能变成另一种元素。然而，这是核化学，元素会经常发生变化，以求变得更稳定。

稳定性

没有公式或确切的规则来确定哪些同位素是稳定的，哪些是不稳定的。必须通过实验来确定。在对元素的研究中，已经出现了规律，有一些一般的指导方针可以用来猜测同位素是稳定的还是放射性的

当质子和中子的数量大致相等时，较轻的元素是稳定的。
当中子数量比质子数量多，大约为 3:2 的比例时，较重的元素是稳定的。
具有“幻数”质子或中子的元素特别稳定：2、8、20、28、50、82、126。

关于幻数，请注意氦-4（2 个质子，2 个中子）是宇宙中最丰富的同位素。铅-208 是已知的（82 个质子，126 个中子）最重的稳定同位素。我们呼吸的空气中充满了氧-16（8 个质子，8 个中子）。这些同位素的稳定性绝非偶然。

聚变和裂变

聚变反应将两个小的原子核“融合”成一个大的原子核。裂变反应将一个大的原子核分裂成更小的原子核。裂变释放出巨大的能量，这就是裂变反应被用于核电站（为整个城市提供电力）和核武器（摧毁整个城市）的原因。聚变反应释放的能量甚至更大，但它们只会在难以想象的高温下发生。聚变反应发生在宇宙中的恒星中。我们的太阳基本上是一个巨大的聚变反应堆。氢原子核融合成氦原子核，释放出照亮和温暖我们星球的光和热。以下是一些核反应示例

$_{1}^{2}{\hbox{H}}+_{3}^{6}{\hbox{Li}}\to 2_{2}^{4}{\hbox{He}}$	聚变
$_{92}^{235}{\hbox{U}}+_{0}^{1}n\to _{52}^{141}{\hbox{Te}}+_{40}^{91}{\hbox{Zr}}+3_{0}^{1}n$	裂变

请注意，质量守恒定律被弯曲了，但没有被打破。如果你把质量数加起来，它们在反应的两边都是相等的。总电荷数也将相等。

衰变模式

不稳定的同位素会衰变，变得更加稳定。存在多种衰变模式，但其中一些很常见。

常见衰变模式

α衰变释放一个α粒子（氦-4，2个质子 + 2个中子）。当同位素太大而无法稳定时发生。
β⁺衰变将一个中子转换为一个质子，释放一个β粒子（电子）。当中子过多而无法稳定时发生。
β^—衰变将一个质子转换为一个中子，释放一个β粒子（正电子）。当质子过多而无法稳定时发生。
γ衰变释放一个γ粒子（光子）。当原子核具有过高的能量时发生。
电子俘获通过吸收一个电子将一个质子转换为一个中子。当质子过多而无法稳定时发生。

就健康问题而言，α粒子是最危险的。它们可以被吸入，造成身体损伤。它们很重，带有双正电荷，但很容易被一张纸或皮肤阻挡。β粒子只是电子（或正电子，反电子）。它们有一定危险，可以被一块木头或铝箔阻挡。γ射线只能被厚厚的铅块阻挡。它们本质上是具有极高能量的X射线。虽然它们具有最大的能量，但它们只会对直接暴露在放射性物质中的物体造成损伤。其他粒子更糟，因为它们可以穿过大气层。

特定的同位素总是使用相同的衰变模式。这些反应将总结衰变模式（注意守恒定律）

$_{92}^{238}{\hbox{U}}\to _{90}^{234}{\hbox{Th}}+_{2}^{4}{\hbox{He}}^{2+}$	α衰变
$_{92}^{238}{\hbox{U}}\to _{90}^{234}{\hbox{Th}}+\alpha$	相同的反应，以更常见的符号表示。
$_{55}^{137}{\hbox{Cs}}\to _{56}^{137}{\hbox{Ba}}+_{-1}^{0}e^{-}$	β^—衰变
$_{11}^{22}{\hbox{Na}}\to _{10}^{22}{\hbox{Ne}}+_{1}^{0}e^{+}$	β⁺衰变