高中化学/镧系元素和锕系元素

为了完成我们对元素周期表的回顾，我们必须考虑另一组元素。这组元素在元素周期表中占据着独特的空间。通常放在主元素周期表下方两行的元素被称为镧系元素和锕系元素，也就是镧系元素和锕系元素。这两行元素是由于电子填充f轨道而产生的。因此，这块元素被称为“f区”。镧系元素有时也被称为稀土元素。f区，如图所示，是黄色的两行。

课程目标

• 定义镧系元素和锕系元素。
• 在元素周期表中定位镧系元素和锕系元素。
• 解释镧系元素和锕系元素的重要性。
• 写出镧系元素和锕系元素的电子构型。

原子填充f亚层的元素

在本章中，我们忽略了一组元素。这组元素属于一个特殊的组，与元素周期表几乎分离。它们被称为镧系元素和锕系元素，或者称为镧系元素和锕系元素。镧系元素是一组重要的元素。它们中的大多数是在铀和钚发生核反应时形成的。镧系元素系列的元素也称为稀土元素。镧系元素和锕系元素共同构成内过渡元素。f区被称为f区，是因为如果f区放在元素周期表中正确的位置，它将在第2组和第3组之间的过渡金属中。

镧系元素系列包括从元素58到71，共14个元素。f亚层包含7个轨道，每个轨道可以容纳两个电子。因此，在4f亚层中可以容纳14个电子。

镧系元素系列随着你从铈 (Ce) 到镥 (Lu) 的移动，填充了4f亚层。同样的情况也适用于锕系元素系列，它从原子序数90到103，同样是14个元素。因此，当你从元素序数90的钍 (Th) 开始，你就开始填充5f亚层，并继续填充5f亚层，直到你完成从锕系元素系列的铹 (Lr)。

组 →	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16	17	18
↓ 周期
1	1 H 1.01																	2 He 4.00
2	3 Li 6.94	4 Be 9.01											5 B 10.1	6 C 12.0	7 N 14.0	8 O 16.0	9 F 19.0	10 Ne 20.2
3	11 Na 23.0	12 Mg 24.3											13 Al 27.0	14 Si 28.1	15 P 31.0	16 S 32.1	17 Cl 35.5	18 Ar 40.0
4	19 K 39.1	20 Ca 40.1	21 Sc 45.0	22 Ti 47.9	23 V 50.9	24 Cr 52.0	25 Mn 54.9	26 Fe 55.9	27 Co 58.9	28 Ni 58.7	29 Cu 63.6	30 Zn 65.4	31 Ga 69.7	32 Ge 72.6	33 As 74.9	34 Se 79.0	35 Br 79.9	36 Kr 83.8
5	37 Rb 85.5	38 Sr 87.6	39 Y 88.9	40 Zr 91.2	41 Nb 92.9	42 Mo 95.9	43 Tc 98	44 Ru 101	45 Rh 103	46 Pd 106	47 Ag 108	48 Cd 112	49 In 115	50 Sn 119	51 Sb 122	52 Te 128	53 I 127	54 Xe 131
6	55 Cs 133	56 Ba 137	57 La 139	72 Hf 179	73 Ta 181	74 W 184	75 Re 186	76 Os 190	77 Ir 192	78 Pt 195	79 Au 197	80 Hg 201	81 Tl 204	82 Pb 207	83 Bi 209	84 Po 209	85 At 210	86 Rn 222
7	87 Fr 233	88 Ra 226	89 Ac 227	104 Rf 263	105 Db 262	106 Sg 266	107 Bh 264	108 Hs 269	109 Mt 268	110 Ds 272	111 Rg 272	112 Cn 277	113 Nh 284	114 Fl 289	115 Mc 288	116 Lv 292	117 Ts 292	118 Og 294
镧系元素					58 Ce 140	59 Pr 141	60 Nd 144	61 Pm 145	62 Sm 150	63 Eu 152	64 Gd 157	65 Tb 159	66 Dy 163	67 Ho 165	68 Er 167	69 Tm 169	70 Yb 173	71 Lu 175
锕系元素					90 Th 232	91 Pa 231	92 U 238	93 Np 237	94 Pu 244	95 Am 243	96 Cm 247	97 Bk 247	98 Cf 251	99 Es 252	100 Fm 257	101 Md 258	102 No 259	103 Lr 260
	碱金属2 碱土金属2 镧系元素1,2 锕系元素2 过渡金属2 其他金属 类金属 其他非金属 卤素3 惰性气体3 1天然镧系元素也称为“稀土”或“稀土元素”。 2碱金属、碱土金属、过渡金属、锕系元素、镧系元素和贫金属统称为“金属”。 3卤素和惰性气体也是非金属。

镧系元素和锕系元素在电子填充顺序上有所不同

镧系元素和锕系元素构成元素周期表的f区。镧系元素是在4f亚层填充电子时产生的元素，而锕系元素是在填充5f亚层时形成的。一般来说，镧系元素的电子构型遵循泡利不相容原理。然而，在一些镧系元素中存在一些变化。我们将在下面扩大元素周期表的一小部分，以展示镧系元素和锕系元素系列中一些电子构型的变化情况。

镧系元素	58 Ce 140	59 Pr 141	60 Nd 144	61 Pm 145	62 Sm 150	63 Eu 152	64 Gd 157	65 Tb 159	66 Dy 163	67 Ho 165	68 Er 167	69 Tm 169	70 Yb 173	71 Lu 175
锕系元素	90 Th 232	91 Pa 231	92 U 238	93 Np 237	94 Pu 244	95 Am 243	96 Cm 247	97 Bk 247	98 Cf 251	99 Es 252	100 Fm 257	101 Md 258	102 No 259	103 Lr 260

例如，看看铈的电子构型，铈是镧系元素系列的第一个元素。铈 (Ce) 是元素序数58。

₅₈Ce: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹⁰4p⁶5s²4d¹⁰5p⁶6s²5d¹4f¹

或

₅₈Ce: [Xe]6s²5d¹4f¹

现在看看镨的电子构型，镨是一种用于制造飞机发动机和电影灯光中制作电影的元素。镨 (Pr) 是元素序数59，具有以下电子构型。

₅₉Pr: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹⁰4p⁶5s²4d¹⁰5p⁶6s²4f³

或

₅₉Pr: [Xe]6s²4f³

注意d电子不再是电子构型的一部分。有三种镧系金属具有类似于d区的性质。它们是铈 (Ce)、镥 (Lu) 和钆 (Gd)。所有这些金属在其电子构型中都包含一个d电子。其余的，比如镨，只是在原子序数增加时简单地填充了4f亚层。

与镧系元素家族成员不同，锕系元素系列中的大多数元素都是放射性的。锕系元素系列中的大多数元素具有与d区相同的性质。锕系元素系列的成员可以失去多个电子以形成各种不同的离子。表9.14显示了锕系元素系列元素的惰性气体电子构型。

表 9.14: 锕系元素系列的惰性气体电子构型

元素	电子构型
钍 (Th)	[Rn]7s26d2
镤 (Pa)	[Rn]7s25f26d1
铀 (U)	[Rn]7s25f36d1
镎 (Np)	[Rn]7s25f46d1
钚 (Pu)	[Rn]7s25f6
镅 (Am)	[Rn]7s25f7
锔 (Cm)	[Rn]7s25f76d1
锫 (Bk)	[Rn]7s25f9
锎 (Cf)	[Rn]7s25f10
锿 (Es)	[Rn]7s25f11
镄 (Fm)	[Rn]7s25f12
钔 (Md)	[Rn]7s25f13
锘 (No)	[Rn]7s25f14
铹 (Lr)	[Rn]7s25f146d1

课程总结

• 镧系元素和锕系元素构成内过渡金属。
• 镧系元素填充了4f亚层，锕系元素填充了5f亚层。
• 镧系元素系列的第一、中间和最后一个成员具有f区和d区的性质。
• 许多锕系元素同时具有d 区和f 区元素的性质。

复习问题

1. 为什么f 区元素被一些人称为内过渡元素？
2. 就电子构型而言，铕和镅有什么共同点？
3. 锫的电子构型是什么？

   (a) [Xe]7s²5f⁹

   (b) [Xe]7s²5f⁹6'd¹

   (c) [Rn]7s²5f⁹

   (d) [Rn]7s²5f⁹6d¹

4. 锿的电子构型中有多少个f 电子？

   (a) 0

   (b) 11

   (c) 14

   (d) 25

5. 写出镱（Yb）的电子构型。
6. 镱（Yb）的价电子是什么？它们位于哪个周期和亚层？
7. 写出铀（U）的惰性气体电子构型。
8. 铀（U）的价电子是什么？它们位于哪个周期和亚层？
9. 写出镎和钚的电子构型。然后解释一下似乎正在发生的事情。

词汇

锕系元素

f 区元素第二周期中的元素。这些元素填充5f 亚层。

镧系元素

f 区元素第一周期中的稀土元素。这些元素填充4f 亚层。

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