高中化學/鑭系元素和錒系元素

為了完成我們對元素週期表的回顧，我們必須考慮另一組元素。這組元素在元素週期表中佔據著獨特的空間。通常放在主元素週期表下方兩行的元素被稱為鑭系元素和錒系元素，也就是鑭系元素和錒系元素。這兩行元素是由於電子填充f軌道而產生的。因此，這塊元素被稱為“f區”。鑭系元素有時也被稱為稀土元素。f區，如圖所示，是黃色的兩行。

課程目標

• 定義鑭系元素和錒系元素。
• 在元素週期表中定位鑭系元素和錒系元素。
• 解釋鑭系元素和錒系元素的重要性。
• 寫出鑭系元素和錒系元素的電子構型。

原子填充f亞層的元素

在本章中，我們忽略了一組元素。這組元素屬於一個特殊的組，與元素週期表幾乎分離。它們被稱為鑭系元素和錒系元素，或者稱為鑭系元素和錒系元素。鑭系元素是一組重要的元素。它們中的大多數是在鈾和鈽發生核反應時形成的。鑭系元素系列的元素也稱為稀土元素。鑭系元素和錒系元素共同構成內過渡元素。f區被稱為f區，是因為如果f區放在元素週期表中正確的位置，它將在第2組和第3組之間的過渡金屬中。

鑭系元素系列包括從元素58到71，共14個元素。f亞層包含7個軌道，每個軌道可以容納兩個電子。因此，在4f亞層中可以容納14個電子。

鑭系元素系列隨著你從鈰 (Ce) 到鎦 (Lu) 的移動，填充了4f亞層。同樣的情況也適用於錒系元素系列，它從原子序數90到103，同樣是14個元素。因此，當你從元素序數90的釷 (Th) 開始，你就開始填充5f亞層，並繼續填充5f亞層，直到你完成從錒系元素系列的鐒 (Lr)。

組 →	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16	17	18
↓ 週期
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
鑭系元素					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
錒系元素					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
	鹼金屬2 鹼土金屬2 鑭系元素1,2 錒系元素2 過渡金屬2 其他金屬 類金屬 其他非金屬 鹵素3 惰性氣體3 1天然鑭系元素也稱為“稀土”或“稀土元素”。 2鹼金屬、鹼土金屬、過渡金屬、錒系元素、鑭系元素和貧金屬統稱為“金屬”。 3鹵素和惰性氣體也是非金屬。

鑭系元素和錒系元素在電子填充順序上有所不同

鑭系元素和錒系元素構成元素週期表的f區。鑭系元素是在4f亞層填充電子時產生的元素，而錒系元素是在填充5f亞層時形成的。一般來說，鑭系元素的電子構型遵循泡利不相容原理。然而，在一些鑭系元素中存在一些變化。我們將在下面擴大元素週期表的一小部分，以展示鑭系元素和錒系元素系列中一些電子構型的變化情況。

鑭系元素	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
錒系元素	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，看看鈰的電子構型，鈰是鑭系元素系列的第一個元素。鈰 (Ce) 是元素序數58。

₅₈Ce: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹⁰4p⁶5s²4d¹⁰5p⁶6s²5d¹4f¹

或

₅₈Ce: [Xe]6s²5d¹4f¹

現在看看鐠的電子構型，鐠是一種用於製造飛機發動機和電影燈光中製作電影的元素。鐠 (Pr) 是元素序數59，具有以下電子構型。

₅₉Pr: 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²3d¹⁰4p⁶5s²4d¹⁰5p⁶6s²4f³

或

₅₉Pr: [Xe]6s²4f³

注意d電子不再是電子構型的一部分。有三種鑭系金屬具有類似於d區的性質。它們是鈰 (Ce)、鎦 (Lu) 和釓 (Gd)。所有這些金屬在其電子構型中都包含一個d電子。其餘的，比如鐠，只是在原子序數增加時簡單地填充了4f亞層。

與鑭系元素家族成員不同，錒系元素系列中的大多數元素都是放射性的。錒系元素系列中的大多數元素具有與d區相同的性質。錒系元素系列的成員可以失去多個電子以形成各種不同的離子。表9.14顯示了錒系元素系列元素的惰性氣體電子構型。

表 9.14: 錒系元素系列的惰性氣體電子構型

元素	電子構型
釷 (Th)	[Rn]7s26d2
鏷 (Pa)	[Rn]7s25f26d1
鈾 (U)	[Rn]7s25f36d1
錼 (Np)	[Rn]7s25f46d1
鈽 (Pu)	[Rn]7s25f6
鋂 (Am)	[Rn]7s25f7
鋦 (Cm)	[Rn]7s25f76d1
鉳 (Bk)	[Rn]7s25f9
鉲 (Cf)	[Rn]7s25f10
鑀 (Es)	[Rn]7s25f11
鐨 (Fm)	[Rn]7s25f12
鍆 (Md)	[Rn]7s25f13
鍩 (No)	[Rn]7s25f14
鐒 (Lr)	[Rn]7s25f146d1

課程總結

• 鑭系元素和錒系元素構成內過渡金屬。
• 鑭系元素填充了4f亞層，錒系元素填充了5f亞層。
• 鑭系元素系列的第一、中間和最後一個成員具有f區和d區的性質。
• 許多錒系元素同時具有d 區和f 區元素的性質。

複習問題

1. 為什麼f 區元素被一些人稱為內過渡元素？
2. 就電子構型而言，銪和鋂有什麼共同點？
3. 鉳的電子構型是什麼？

   (a) [Xe]7s²5f⁹

   (b) [Xe]7s²5f⁹6'd¹

   (c) [Rn]7s²5f⁹

   (d) [Rn]7s²5f⁹6d¹

4. 鑀的電子構型中有多少個f 電子？

   (a) 0

   (b) 11

   (c) 14

   (d) 25

5. 寫出鐿（Yb）的電子構型。
6. 鐿（Yb）的價電子是什麼？它們位於哪個週期和亞層？
7. 寫出鈾（U）的惰性氣體電子構型。
8. 鈾（U）的價電子是什麼？它們位於哪個週期和亞層？
9. 寫出錼和鈽的電子構型。然後解釋一下似乎正在發生的事情。

詞彙

錒系元素

f 區元素第二週期中的元素。這些元素填充5f 亞層。

鑭系元素

f 區元素第一週期中的稀土元素。這些元素填充4f 亞層。

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