普通化學/各種元素化學/內過渡金屬

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封面 · 導言 · v • d • e
單元: 物質 · 原子結構 · 鍵合 · 反應 · 溶液 · 物質的相 · 平衡 · 動力學 · 熱力學 · 元素
附錄: 週期表 · 單位 · 常數 · 方程式 · 還原電位 · 元素及其性質

內過渡金屬

內過渡金屬位於f 區，通常放在週期表的底部。這些元素有時被稱為稀土金屬，因為它們在地球上極為稀少。除了極不穩定的鉕，它會快速衰變成另一種鑭系金屬，這些元素並不稀有。實際上，鈰在地球地殼中含量豐富。）其中許多元素並不自然存在，而是在實驗室中人工製造的。此外，這些元素的化學和物理性質幾乎完全相同，這使得它們很難識別和分離。它們幾乎與鹼金屬一樣活潑，所有錒系元素都是放射性的，因此它們的商業意義不大。然而，放射性元素可以用在核電站或作為武器。

大多數內過渡金屬形成+3電荷的離子。一些較輕的錒系元素可以使用它們的f 電子進行成鍵，使其具有更廣泛的氧化態，但其餘元素不使用f 電子，只具有+3氧化態。鈰是一個顯著的例外：它具有相對常見的+4氧化態，在二氧化鈰 CeO₂ 中可見。

這些元素在氧氣中會迅速失去光澤。有些會在氧氣中點燃。它們會與水反應釋放氫氣

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

鑭系元素

鑭系元素在氧氣中易燃，並與非金屬劇烈反應。它們用於雷射，有時根據元素的不同用於鋼鐵。

釹磁體 (Nd₂Fe₁₄B) 是已知的最強的永磁體。釓在室溫以下表現出鐵磁性。

鋱(III) 陽離子具有很強的熒光性——它在黑暗中發光。

鑭系收縮是一種現象，它導致鑭系元素（以及它們之後的所有元素）的原子半徑遠小於預期。f 電子對核電荷的遮蔽效果不如預期，因此最外層電子被更多地吸引到核上。

錒系元素

只有釷和鈾自然存在於地球地殼中（以及微量的錼和鈽）。

錒系元素是放射性的，會衰變成更穩定的元素。那些並不自然存在的錒系元素是在實驗室中為了實驗和研究而製造出來的。

核化學

在您學習普通化學的過程中，您無疑已經聽說過“放射性元素”和“不穩定同位素”。這些元素是核化學的研究物件。正常的化學反應發生在原子和電子之間。原子獲得、失去和共享電子形成不同的物質。化學反應本質上是電子的相互作用。核反應，另一方面，發生在原子的原子核內。它們涉及質子、中子和有時其他粒子（電子和光子）的獲得、損失和轉化。核化學是您只能在教科書中學習的東西——放射性物質對生物體有致命作用，會引起爆炸，而且很難獲得。

您應該已經知道同位素是什麼：具有相同質子數，但中子數不同（以及不同的總質量）的元素。一些同位素是穩定的，不會衰變。它們無限期地存在。其他同位素是不穩定的，這意味著它們是放射性的。它們會發生核反應，變成更穩定的同位素。一些元素始終不穩定，無論有多少中子，因此它們的所有同位素都是不穩定的。

例如，碳-12（6 個質子，6 箇中子）是穩定的。碳-14（6 個質子，8 箇中子）是不穩定的，會衰變成氮-14。從化學角度看，這很不尋常——原子不可能變成另一種元素。然而，這是核化學，元素會經常發生變化，以求變得更穩定。

穩定性

沒有公式或確切的規則來確定哪些同位素是穩定的，哪些是不穩定的。必須透過實驗來確定。在對元素的研究中，已經出現了規律，有一些一般的指導方針可以用來猜測同位素是穩定的還是放射性的

當質子和中子的數量大致相等時，較輕的元素是穩定的。
當中子數量比質子數量多，大約為 3:2 的比例時，較重的元素是穩定的。
具有“幻數”質子或中子的元素特別穩定：2、8、20、28、50、82、126。

關於幻數，請注意氦-4（2 個質子，2 箇中子）是宇宙中最豐富的同位素。鉛-208 是已知的（82 個質子，126 箇中子）最重的穩定同位素。我們呼吸的空氣中充滿了氧-16（8 個質子，8 箇中子）。這些同位素的穩定性絕非偶然。

聚變和裂變

聚變反應將兩個小的原子核“融合”成一個大的原子核。裂變反應將一個大的原子核分裂成更小的原子核。裂變釋放出巨大的能量，這就是裂變反應被用於核電站（為整個城市提供電力）和核武器（摧毀整個城市）的原因。聚變反應釋放的能量甚至更大，但它們只會在難以想象的高溫下發生。聚變反應發生在宇宙中的恆星中。我們的太陽基本上是一個巨大的聚變反應堆。氫原子核融合成氦原子核，釋放出照亮和溫暖我們星球的光和熱。以下是一些核反應示例

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

請注意，質量守恆定律被彎曲了，但沒有被打破。如果你把質量數加起來，它們在反應的兩邊都是相等的。總電荷數也將相等。

衰變模式

不穩定的同位素會衰變，變得更加穩定。存在多種衰變模式，但其中一些很常見。

常見衰變模式

α衰變釋放一個α粒子（氦-4，2個質子 + 2箇中子）。當同位素太大而無法穩定時發生。
β⁺衰變將一箇中子轉換為一個質子，釋放一個β粒子（電子）。當中子過多而無法穩定時發生。
β^—衰變將一個質子轉換為一箇中子，釋放一個β粒子（正電子）。當質子過多而無法穩定時發生。
γ衰變釋放一個γ粒子（光子）。當原子核具有過高的能量時發生。
電子俘獲透過吸收一個電子將一個質子轉換為一箇中子。當質子過多而無法穩定時發生。

就健康問題而言，α粒子是最危險的。它們可以被吸入，造成身體損傷。它們很重，帶有雙正電荷，但很容易被一張紙或皮膚阻擋。β粒子只是電子（或正電子，反電子）。它們有一定危險，可以被一塊木頭或鋁箔阻擋。γ射線只能被厚厚的鉛塊阻擋。它們本質上是具有極高能量的X射線。雖然它們具有最大的能量，但它們只會對直接暴露在放射性物質中的物體造成損傷。其他粒子更糟，因為它們可以穿過大氣層。

特定的同位素總是使用相同的衰變模式。這些反應將總結衰變模式（注意守恆定律）

$_{92}^{238}{\hbox{U}}\to _{90}^{234}{\hbox{Th}}+_{2}^{4}{\hbox{He}}^{2+}$	α衰變
$_{92}^{238}{\hbox{U}}\to _{90}^{234}{\hbox{Th}}+\alpha$	相同的反應，以更常見的符號表示。
$_{55}^{137}{\hbox{Cs}}\to _{56}^{137}{\hbox{Ba}}+_{-1}^{0}e^{-}$	β^—衰變
$_{11}^{22}{\hbox{Na}}\to _{10}^{22}{\hbox{Ne}}+_{1}^{0}e^{+}$	β⁺衰變