稀土元素的性质

稀土元素的性质 稀土元素事典型的金属元素。其中镧系元素4f亚层的轨道电子，由于被外层的5s和5p层电子有效地屏蔽，不能参与成键，因此导致它们具有两个非常突出的特点，即化学性质非常相似(给彼此的分离造成了困难)及物理性质差别明显(见表)，给应用开发创造了多方面的机遇。 电子排布 原子元素名序数 称 氧化原子 M3+ 态 氧化物 颜色 热中子俘获 截面靶恩 总磁矩 (波尔 (10-28米2) 磁子) 21 39 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 钪(Sc) 钇(Y) 镧(La) 铈(Ce) 镨(Pr) 钕(Nd) 钷(Pm) 3d4S2 4d5S2 5d16S2 4f15d16S2 4f36S2 4f46S2 4f56S2 [Ar] +3 [Kr] +3 [Xe] +3 4f1 4f2 4f3 4f4 4f5 4f6 4f7 4f8 4f9 4f10 4f11 4f12 白色 +3.+4 米色 +3.+4 黑色 +3 +3 +2.+3 淡黄 +2.+3 白色 +3 白色 5500 4600 46000 +3.+4 深褐 +3 +3 +3 +3 白色 白色 粉色 苍绿 44 1150 64 166 118 4f13 +2.+3 白色 36 淡蓝 13 钐(Sm) 4f66S2 铕(Eu) 钆(Cd) 铽(Tb) 镝(Dy) 钬(Ho) 铒(Er) 铥(Tm) 镱(Yb) 4f76S2 4f75d16S2 4f96S2 4f106S2 4f116S2 4f126S2 4f135S2 4f146S2 71 镥(Lu) 4f145d16S2 4f14 +3 熔点(℃) 白色 电阻率 108 密度 热导率 （克[瓦/(米· 开)](25 ℃) ／ 厘米）) 502 原子序数 元素名称 居里点氧化(℃) 金属 物 (欧姆·米) ×10-8 (25 ℃) 21 39 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 钪(Sc) 钇(Y) 镧(La) 铈(Ce) 镨(Pr) 钕(Nd) 钷(Pm) 钐(Sm) 铕(Eu) 钆(Cd) 铽(Tb) 镝(Dy) -165 -53 -187 1541 2300 1526 2415 920 2250 798 2600 931 2200 1016 2272 1073 2325 822 2050 1312 2340 1357 2200 1409 2340 1470 2360 1522 2355 1545 2400 816 2346 1663 2490 52 136 56 87 107 79 27 79 钬(Ho) -254 铒(Er) -255 铥(Tm) -141 镱(Yb) 镥(Lu) (一)化学性质和冶金性能 稀土元素的性质 (一)化学性质和冶金性能

经湿法冶金与化学提纯获得的稀土氯化物、碳酸盐、硝酸盐、氟化物和其他卤化物及稀土氧化物，因外层电子排布(构型)的相似。其氧化态基本上为正三价。但内层4f电子的数目对价态也有一定影响，铈、镨、铽可氧化成四价，形成相应的稳定氧化物CeO2、Pr6O11、Tb407，钐、铕、镱可还原成二价，形成SmS等反常价态化合物。

稀土金属是化学活性极强的元素，对氢、碳、氮、氧、硫、磷和卤素具有极强的亲和力。轻稀土金属于室温在空气中易于氧化，重稀土与钪和钇在室温形成氧化保护层，因此一般将稀土金属保存在煤油中，或置于真空及充以氩气的密封容器中。

稀土金属是原子半径较大的电正性元素，除各稀土元素彼此间及稀土与锆、钍和镁、锌、镉、汞等二价金属形成多种固溶体外，稀土金属与其他金属元素形成的二元R-M系金属间化合物(R与M分别为稀土金属与非稀土金属)就在3000种以上。其中RM2、BM、RM3和R5M3依次各占已知R-M型金属间化合物的20%、17%、12%和7%，RM5和R2M17，各占5％。单稀土与铁、钴、镍形成的金属间化合物就已经超过200种。至于Nd2Fe14B等三元化合物型合金的数目更是难以计数。

此外，稀土易与碳形成强键及其易于获得和失去电子的能力，特别是铈的储氧能力，使稀土成为催化性能非常突出的金属元素。

(二)物理性质

稀土金属为一组呈铁灰色到银白色有金属光泽的金属，一般较软、可锻、有延展性，在高温下呈粉末状其反应性尤为强烈。其中铈的熔点为798℃，而镥的熔点为1663℃，差别明显。

稀土元素的磁性质是由未充满4f电子层内的未成对电子引起的。其中镝和钬的原子磁矩最大，钐、铈、镨和钕与强磁性的铁和钴的配伍性最好，能产生极强的相互作用，形成SmCo5和Nd2Fe14B等把磁畴保持在一起高度抗退磁的材料。此外，一些稀土元素的磁热效应、磁致冷、磁致伸缩和磁光效应都充分展现了各稀土元素所特有的个性，为稀土的应用开发打开了重重深锁的大门。

稀土元素的电子能级和谱线较普通元素更多种多样，它们可以吸收和发射从紫外、可见到红外谱区各种波长的电磁辐射，仅钆原子的某个激发态就有多达36000个能级。由于稀土元素4f亚层未成对电子与其他元素外层电子如d电子间的相互作用，形成丰富多彩、性能各异的稀土材料系列。而与荧光、激光、阴极射线发光、电致发光、电光源以及瓷釉着色、玻璃色调的调整等相关的稀土材料及其应用都离不开稀土光谱中的发射与吸收，离不开稀土激光、荧光、电致发光等与能级跃迁相关的过程。一言以蔽之，离不开稀土特殊的电子结构。