稀土元素的性质

稀土元素的性质
稀土元素一直默默地在我们生活的各个领域发挥着重要作用。那么，稀土元素究竟具有哪些性质呢？
要将稀土元素向或之间进行分离是极端困难的事，这是因为各稀土离子之间的化学性质酷似所致。
三价稀土离子外层电子的排布皆为S2P6型，特别是从镧到镥这些镧系元素都是5S25P6型，完全相同。这是它们性质相互类似的根本原因。此外，由于外层电子排布相同。使得其离子半径数值极为相近，难以区分其大小。 此图是按原子序数顺序排列的稀土离子半径。配位数不同半径有些变化，但三价稀土离子中，钪以外的 16 个稀土元素，其离子半径之间的差别充其量只在0.2A 的范围内（1A=10-7mm）。在顺便提一下，稀土离子与钙离子Ca2+、子半径Sr2+ 碱土金属离子半径大小也相近，因此稀土与这些碱土金属的性质也相似。此外，稀土离子与铋离子 Bi3+、铊离子Tl3+的离子半径亦相近。所有这些，对于后面将要讲到的氧化物高温超导体具有重要意义。

除特别指出离子的数值外，皆为三价离子。此外,为进行比较,还给出了碱土金属离子,以及个锆(Zr4+）、铋（Bi3+）、铊（Tl3+）等离子半径。
看一下此表中离子外层的电子排布.5S25P6的内层有4f电子轨道，从铈（ce）开始,电子一个接一个依次填充到4f轨道上去，一直到鲁（lu）,一共填充了14个电子.共有7个4f轨道，每一个轨道可以容纳2个电子，14个电子正好正好把所有轨道填满.稀土元素内层4f轨道具有不充满性，留有填充电子的空位。可以说，这就是稀土元素具有其独特性质的根源。如稀土离子的颜色、磁性等方面的特性几乎都是 4f电子的行为决定的。
此图为4f空间扩展的直观图像。4f轨道处于5s和5p轨道的内侧，与外界接触少，这一点很容易理解。

这样一来，未充满的4f轨道在内部，而最外层的电子排布都是一样的，这就意味着配位体场等外部因素影响不到4f电子。因此，即使改变阴离子和配位体的种类，稀土离子中电子的能量也几乎不变。也就是说，同一种稀土离子的各种化合物的颜色和磁矩都几乎一样。稀土离子的硫酸盐 Ln2(SO4)3前者是典型的离子健化合物，而后者是稀土离子直接与碳键合的所谓金属有机化合物。再拿铁族元素离子的情况来看一看。它们也可以制成以上两种盐类，但二者之间的颜色和磁矩数值却大相径庭。这是由于铁族离子的特征是d轨道未充满电子，而d轨道又处于原子的最外层，因此直接受到外界的影响，于是各种离子中电子的能量就有很大变化。

在讨论含稀土元素的材料时，至关重要的是，必须弄清楚想要有效地利用稀土元素那些性质?也就是说，为便于理解，可把稀土材料分为以下两种来考虑：利用取决于4f电子的物理性质材料；利用与4f电子没有直接关系的稀土特有的化学性质（与离子半径、电荷等有关的性质）的材料。

与4f电子性质直接有关的材料有荧光体、激光等发光材料和磁性材料。磁性材料是利用不成对的4f电子的自旋排列；而发光材料是利用4f轨道内电子的能级跃迁。归根结底，都是利用4f轨道未充满的性质。用在玻璃的着色与消色 、陶瓷上釉中的稀土元素化合物也是利用4f电子对光的吸收性质。

与此相反，在催化、固体电解质、氧化物高温超导体、贮氢合金和发光材料的基质等方面使用的稀土元素，是由于它们的电荷、离子半径等适合形成具有某种结构的化合物，不一定要利用 4f 电子的性质。