内过渡元素

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引言

内过渡金属的价电子位于f轨道。锕系元素和镧系元素构成内过渡金属。锕系元素是软金属，具有放射性，主要为人工合成。内过渡元素的原子序数范围为58到71以及90到103。内过渡金属占据元素周期表底部一行。由于这些元素的稀有性，它们有时被称为稀土元素。镧系元素被归类为第6周期，而锕系元素被归类为第7周期。

什么是内过渡元素？

内过渡元素是指最后一个电子进入f轨道的元素。f区元素由最终占据4f和5f轨道的元素组成。由于这些元素正式被认为属于第三族，因此在元素周期表中显示为f区。它们也被称为**f区元素**。

它们分为两个族：锕系元素和镧系元素。它们分别来自第6和第7周期。锕系元素由14种**元素**（Z=90-103）组成，从钍到镄。镧系元素的14种元素为铈到镥（Z=58-71）。

内过渡元素的主要特性

镧系元素

• 它们是可延展的金属，可以用刀切割。

• 它们具有光泽，并且**外观呈银色**。

• 这些元素的反应性根据其碱性而不同。有些反应迅速，而另一些则缓慢。

• 它们与其他金属或非金属结合时，可能会腐蚀或变脆。

• 几乎所有镧系元素都形成**三价化合物**。它们很少形成二价或四价化合物。

• 它们具有磁性。

锕系元素

• 它们是放射性元素。

• 它们具有较高的电正性。

• 金属暴露在空气中会迅速失去光泽。

• 它们是具有独特结构和高密度的金属。

• 它们与热水或稀酸反应时会释放氢气$\mathrm{H_{2}}$。

• 锕系金属通常较软。

电子构型

镧系元素 − $\mathrm{[Xe]4f^{1\:-\:14}5d^{0\:-\:1}6s^{2}}$

锕系元素 − $\mathrm{[Rn]5f^{1\:-\:14}6d^{0\:-\:1}7s^{2}}$

• 对于从铈（原子序数58）开始到镥（原子序数71）的镧系元素，这些元素的电子构型为$\mathrm{4f^{1\:-\:14}5d^{0\:-\:1}6s^{2}}$，而对于从钍（原子序数90）开始到镄（原子序数103）的锕系元素，其电子构型为$\mathrm{5f^{1\:-\:14}6d^{0\:-\:1}7s^{2}}$。

• 由于f轨道𝑒−具有**相同的价电子层构型**和能量，因此镧系元素和锕系元素都预期会产生+3氧化态。由于价电子层设计和尺寸相同，系列中的所有元素都将具有相似的特性，这使得分离变得困难。

镧系元素和锕系元素的相似之处

• 最后一个引入4f轨道的$\mathrm{e^{-}}$被认为属于过渡元素的**第一系列**。镧系元素系列在镧之后有十四个元素。由于它们在元素周期表中紧随镧之后出现，因此被称为镧系元素或镧系。

• 锕系元素是通过依次填充5f轨道形成的$\mathrm{e^{-}}$。之所以这样称呼它们，是因为它们出现在元素周期表中actinium元素之后。锕系元素系列由十四种元素组成，范围从钍到镄，也被称为内过渡元素的**第二系列**。

镧系元素和锕系元素的区别

镧系元素	锕系元素
氧化态 − +3是最常见的氧化态。其他氧化态包括+2、+4和+6。	氧化态 − +3是最常见的氧化态。其他氧化态包括+4、+5和+6。
最后一个$\mathrm{e^{-}}$进入4f轨道。	最后一个$\mathrm{e^{-}}$进入5f轨道。
由于三正离子（𝐿𝑛3+）的尺寸规律性减小，原子尺寸的减小并不恒定。	原子和离子（三正离子）尺寸逐渐减小。
它们的化合物碱性较低。	它们的化合物碱性较高。
形成配合物的倾向较小。	它们形成配合物的倾向高得多。
除钷以外，这些元素是非放射性的。	这些元素都是放射性的。

内过渡元素的应用

镧系元素

• 镧系元素主要用于**激光器**。

• 由于它们能够偏转紫外线和红外波长，因此它们经常用于眼镜镜片。

• 许多镧系元素可以通过将钕、钐、铈等金属与其他金属合金化来形成强大的永磁体。

• 此外，两种镧系元素具有长**半衰期**的放射性同位素（147𝑆𝑚和176𝐿𝑢），可用于提取地球、月球和陨石中的矿物和岩石。

锕系元素

• 核武器和反应堆使用铀和钚同位素作为燃料，而其他核反应堆设计则使用钍。钍也用于涂覆**电气设备**中的钨丝。

• 一种类型的烟雾探测器包含镅，它会发出电离辐射。

• 核武器和**核电站**都使用了铀和钚。

结论

内过渡元素是指最后一个电子进入f轨道的元素。f区元素由最终占据4f和5f轨道的元素组成。镧系元素是软金属，可以用刀切割。它们具有光泽，外观呈银色。锕系元素是放射性元素。

它们具有较高的电正性。镧系元素通常具有+3的氧化态。此外，在某些情况下，一些镧系元素表现出+2或+4的氧化态。锕系元素最常见的氧化态是+3。锕系元素还具有多种氧化态，包括+2、+3、+4、+5、+6和+7。

常见问题

1. 请确定最常见的镧系元素？

最常见的镧系元素是铈。因为铈有四种天然存在的同位素，分别是136𝐶𝑒、138𝐶𝑒、140𝐶𝑒和142𝐶𝑒。140𝐶𝑒约占自然界中所有铈的88.48%。因此，它是存在的最常见的镧系元素。

2. f区元素的不同性质是什么？

以下是f区元素的特性：

• 这些元素是重金属。

• 它们都具有高熔点和沸点。

• 它们具有多种氧化态。

• 它们产生有色离子。

• 它们具有形成复杂分子的倾向。

3. 为什么f区元素也被称为内过渡元素？

f区元素的电子构型是独特的。这些元素的价电子进入(n-2)f区，即“倒数第二个能级”，并位于f轨道中。这就是为什么'内过渡元素'也被称为f区元素的原因。

4. 镧系收缩的原因是什么？

由于4f电子的屏蔽作用差或屏蔽作用弱，导致镧系收缩。

5. 哪些元素的化合物具有最多变的氧化态，为什么？

镅元素的化合物具有最多的氧化态，包括+2、+3、+4、+5、+6和+7。没有其他元素的化合物具有如此多的氧化态。