无机化学第二版课件 教学课件 ppt 作者 古国榜 李朴 主编 华南理工大学无机化学教研室 编 中篇　元素化学第16章　镧系和锕系元素

1、镧系元素,放射性元素,锕系元素,第16章 镧系和锕系元素,原子核反应,化学工业出版社,16.1 镧系元素,镧系元素的通性,稀土元素的提取和分离,稀土元素的重要化合物,稀土元素的应用,16.1.1 镧系元素的通性,包括第六周期从57号La到70号Yb，共14个元素,镧系元素：以Ln表示,为了便于比较，列出71号镥元素。,双峰效应和镧系收缩,镧系元素的原子半径，随着原子序数的增加， 不是逐渐地变化，而是在铕(Eu)和镱(Yb)处出 现骤升的峰值或陡降的谷值的现象,双峰效应,氧化态,镧系元素的特征氧化态为3。,对于La、Gd两元素，由于具有5d16s2电子层结构， 失去3个电子后形成稳定的结构（La为4f 0，Gd为 4f7），所以，它们的氧化态只有3。其他镧系元 素也有形成f 0、f 7、f 14稳定结构的趋势。其中某些 元素还能表现出其它氧化态。,离子的颜色,磁性,除镧、镥外，几乎所有镧系元素都有顺磁性,化学活泼性,镧系元素都是化学性质活泼的金属（是较强的还原 剂）。其还原能力随原子序数的增加而减弱。,根据稀土元素性质的递变情况，分为两组：,稀土元素的分类,按照稀土硫酸复盐溶解度的大小，

2、分为： 难溶的铈组或轻稀土(La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm)； 微溶的铽组或中重稀土（Eu、Gd、Tb、Dy）； 钇组或重稀土（Y、Ho、Er、Tm、Tb、Lu）。,16.1.2 稀土元素的重要化合物,氧化物和氢氧化物,稀土元素氧化物RE2O3的颜色基本上和RE3+的颜色 一致。所有稀土元素氧化物RE2O3具有很高的化学 稳定性。它们在2000C左右才熔化，而且不分解。 它们不溶于水，但能和水反应生成水合氧化物。 RE2O3都具有碱性，易溶于酸，并能从空气中吸收 CO2生成碱式碳酸盐，但它们的碱性随原子序数递 增而递减，碱性越小，溶于酸的反应越难。,稀土元素氢氧化物，都不溶于水和碱液中。在稀土 盐溶液中加入氨水即可得到稀土氢氧化物沉淀。,盐类,稀土元素的硫酸盐可溶于水， 硝酸盐和氯化物溶解度很大。,稀土硫酸盐在水中的溶解是放热的，所以其溶解度 随温度的升高而降低。利用这种现象可分离稀土元 素和其它金属元素。,稀土硫酸盐与碱金属硫酸盐可形成硫酸复盐。 其溶解度由镧至镥依原子序数的增加而增大。,硝酸复盐的稳定性随原子序数的增加而减小。,稀土元素碳酸盐、氟化物、草酸盐、磷酸盐 在水中溶解

3、度很小,配合物,与d区过渡元素比较，RE（III）离子形成配合 能力并不很强。因为RE3+离子的4f电子位于内 层，被外层5s、5p轨道上的电子有效地屏蔽起 来，成为一种稀有气体构型的离子，成键能力 弱。它们一般通过静电引力吸引配体，在金属 与配体之间的作用力具有相当程度离子性。其 配位能力与Ca2+、Mg2+相接近，只有某些强场 配体或螯合剂所形成的配合物才是稳定的。,16.1. 3 稀土元素的提取和分离,稀土元素的提取,根据矿物性质的 不同，可采用酸 法、碱法、氯化 法和电解质溶液 浸泡取法等，从 稀土矿中提取混 合稀土化合物。,稀土元素的分离,溶剂萃取法,离子交换法,RE3+离子具有稀有气体最外电子层构型，电荷多， 因而不易被极化变形。它们对氧和氮的配位能力 较强，所以绝大多数的稀土萃取剂是含氧配体。 例如，国内常用的稀土萃取剂有磷酸三丁酯（TBP） 、二-2-乙基己基磷酸（P204）、环烷酸、2-乙基己 基膦酸单2-乙基己酯（P507）等。,离子交换反应是在固相和液相中进行的。首先使 稀土离子吸附于阳离子交换树脂的上部；接着用 配合剂依次淋洗出个别稀土离子。,16.1.4 稀土

4、元素的应用,（1）在冶金工业中的应用,（2）在石油化工方面的应用,（3）在玻璃陶瓷工业中的应用,（4）在新材料方面的应用,16.2 锕系元素,锕系元素的通性,铀和钍的化合物,16.2.1 锕系元素的通性,包括第六周期从89号Ac到102号No，共14个元素,锕系元素：以An表示,为了便于比较，列出103号镥元素。,氧化态,Ac、Pa、Np、Pu、Am、Cm都是还原剂， 在酸性介质中容易形成M，其中以Ac的还原性最强， 其次是Am，再次是Pu。,锕系元素最突出的特性就是放射性。,16.2.2 钍和铀的化合物,钍的化合物,Th4+离子无色，它比其他+4价离子较难水解。,钍的可溶性盐有硝酸盐、硫酸盐和氯化物等。,硝酸钍Th(NO3)5H2O在水中溶解度很大，还能 溶于醇、酮和酯等有机溶剂中。,硝酸钍与碱金属元素（MI）或碱土金属元素 （MII）的硝酸盐可生成Th(NO3)42MINO3或 Th(NO3)4.MIINO38H2O型的复盐。,钍的难溶化合物有氢氧化钍、草酸钍、碳酸钍、 磷酸钍、氟化钍等。,钍的氢氧化物在pH=3.53.6的范围内从溶液中 呈白色无定形沉淀析出，,在Th（IV）盐溶

5、液中加入草酸就能析出 Th(C2O4)26H2O沉淀。,在Th（IV）盐溶液中加入碱金属的碳酸盐或碳酸 铵就沉淀出碱式碳酸钍ThOCO38H2O，它能溶在 过量沉淀剂中生成M6ITh(CO3)5配盐。,铀的化合物,铀的主要氧化物有UO3、U3O8和UO2。三氧化 铀UO3具有两性，溶于酸生成铀酰阳离子,溶液中可析出柠檬黄色的硝酸铀酰晶体 UO2(NO3)6H2O。它易溶于水、乙醚、丙酮 等溶剂中。它与碱金属（M）硝酸盐生成组成为 MNO3UO2(NO3)2的复盐。 硝酸铀酰溶于水中时因水解而显酸性。,16.3 放射性同位素,同一元素原子核中质子数相同而中子数不同的原子。,元素的同位素,同种元素的同位素具有相同的化学性质，但由于中 子数不同，使得其原子核性能相差很大。,原子核是稳定的，属于稳定同位素， 在自然界中，多数是这一类同位素。,就属于放射性同位素。,（氚）,不稳定，会自发地从原子核放出射线，,天然放射性元素可从原子核不断地、自发地发 出或射线，有时还伴随着 射线放出。,16.4 原子核反应,放射性蜕变,粒子轰击原子核,用高速粒子（如质子p、中子n等）或简单原子核 （如氘d、氦等）轰击原子核使之变为另一种原 子核，与此同时放出另一种粒子的核反应，称为人 工核反应。这些高速粒子可以是天然的粒子，但主 要是经过加速器的质子流、氘核流等带电粒子流及 反应堆产生的中子流等。,核裂变反应,用中子轰击较重原子核使之分裂成 较轻原子核的反应。,核裂变反应会释放出巨大能量,首先发现的是235U的裂变反应。235U是自然界仅 有的能由慢中子（热中子）引起裂变的核素。 用慢中子轰击235U时，引起裂变反应：,考虑各种不同类型可能的裂变方式，平均一次裂 变放出2 4个中子（第二代中子）；第二代中子 又能使其他235U发生裂变，同时再产生几个中子， 并再使235U裂变，这样就形成了链式反应。,热核反应,由很轻的原子核在极高温度（2107）下， 聚合成较重核的反应叫做热核反应或聚变反应。,引起这类核反应所需的高温是由原子弹爆炸时 产生的。在太阳内部就进行着这一类型的核反应。 与重核裂变相比，轻核聚变时放出的能量更为巨大。,

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