稀土元素化学习题答案.doc

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1、1．简要回答下列问题：(1)什么叫稀土元素？什么叫镧系元素？答：稀土元素：镧系元素以及与镧系密切相关的钪(Sc)、钇(Y)共17种元素，称为稀土元素。镧系元素：镧(La）、铈(Ce）、镨(Pr）、钕(Nd）、钷(Pm）、钐(Sm）、铕(Eu）、钆(Gd）、铽(Tb）、镝(Dy）、钬(Ho）、铒(Er）、铥(Tm）、镱(Yb）、镥(Lu）等15种元素。(2)何谓“镧系收缩”，说明其产生的原因。答：镧系收缩是指从镧到镥随着原子序数的增加，它们的原子半径、离子半径均逐渐减小的现象。原因：镧系元素中每增加一个质子，相应的一个电子进入4f轨道，而

2、4f电子对原子核的屏蔽作用与内层电子相比较小，有效核电荷数增加较大，核对最外层电子的吸引力增加。(3)为什么镧系元素的电子结构在固态和气态不同？这对元素的特性会造成什么影响？答：金属由气态变为固态，原子间通过金属键的形式结合为金属晶体，该过程价层轨道重叠，由于镧系原子外层轨道的伸展程度是按4f-5d-6s的顺序增大的，即4f轨道的相互重叠比5d、6s轨道困难得多，当镧系元素的原子间形成金属键时，主要是通过6s及5d轨道的重叠，而4f轨道并不参与。由于，电子迁跃需要吸收能量（激发能），但迁跃的结果，增加了一个成键电子，可以释放出一份成键能

3、。对于大多数镧系元素的原子，成键能大于激发能，从而导致4f电子向5d的跃迁。影响：使镧系金属键的成键电子数除Eu、Yb外其余都为3。为什么镧系元素彼此间化学性质的差别比锕系元素彼此间的差别要小得多？答：锕系的收缩一般比镧系的收缩要小一些。(5)镧系离子的电子光谱同d区过渡金属离子相比有什么不同？为什么？答：镧系离子可以观察到的光谱线大约有30000条，而具有未充满d电子壳层的过渡金属元素的谱线约有7000条。镧系离子的电子光谱呈窄的线状，光谱的位移和劈裂受环境的影响较小，而d区过渡金属离子吸收光谱为带状光谱。原因：f层内的f→f跃迁受外

4、界晶场和环境的影响比d过渡元素的离子小。(6)镧系离子的磁性变化有什么规律性，解释这种规律。答：从镧系离子磁性对原子序数所作的图中可以看出一个呈现双峰形状的变化规律。之所以呈双峰形状是因为镧系离子的总角动量随原子序数呈周期性变化所致。(7)写出Pr3+的基态光谱项，并指出其超灵敏f-f跃迁对应的光谱项及波长。答：Pr3＋，4f2，L=5，S=1，J=4，故基态光谱项为3H4。超灵敏f-f跃迁对应的光谱项为3P2，波长为444nm。(8)LaCl3常见的水合物有LaCl3·7H2O、LaCl3·3H2O、LaCl3·H2O；试设计一实验方

5、案从LaCl3·7H2O制取LaCl3·3H2O与LaCl3。答:采用分段恒温，并向试样通入1333Pa分压水气的方法。，化学方程式：。2．镧系元素电子层结构的最大特点是什么？用电子层结构说明镧系元素有哪些可能的价态，其中非三价价态的稳定性顺序如何？并加以解释。写出La、Ce、Pr、Tb、Tm、Yb的氧化物的分子式，并说明其中价态情况。答:镧系原子的电子构型为，当电子填充到4f轨道时，n由0→14，m为0或1，并取和排列。由电子构型可知外层价电子为，故可能的价态有+2，+3，+4。由于还原态的二价稀土离子的越低，越易被还原，故二价价态的

6、稳定性顺序为；由于氧化态的四价稀土离子的越高，越易被氧化，故四价价态的稳定性顺序为。LaO、CeO、PrO、TbO、TmO、YbO为+2价，La2O3、Ce2O3、Pr2O3、Tb2O3、Tm2O3、Yb2O3中为+3价，LaO2、CeO2、PrO2、TbO2、TmO2、YbO2中为+4价。3．简述造成下列稀土元素性质变化的原因。(1)单向变化；(2)奇偶变化；(3)周期变化；(4)四分组效应；(5)Gd断效应；(6)斜W规律；(7)峰谷效应。答：(1)镧系元素+3价离子从f0的La3＋到f14的Lu3＋，依次增加4f电子，因而随着原子

7、序数的增加离子的半径依次单调减小。(2)由于核的结合能和稳定性的改变取决于中子数（N）和质子数（Z)是奇数或偶数，N和Z都是偶数的核最稳定，N和Z都是奇数的稳定性最小。(3)镧系离子的电子排布4f7以Gd3＋为中心，随着原子序数的增加，电子依次周期性充填。(4)在4f轨道中，除半满和全满是稳定结构外，它的1/4满和3/4满也是一种稳定结构。(5)Gd3＋具有f7半满稳定结构,屏蔽稍大,半径略有增大。(6)总角动量是影响镧系元素性质的因素。(7)原子半径的收缩趋势存在不规则现象，Eu、Yb的4f亚层分别处于半满、全满状态。4．对照说明稀土

8、元素与过渡元素形成配合物的特点及差异；三价稀土离子可能有哪些配位数，并各举一例说明其配位结构类型。答：与过渡元素相比，镧系离子在形成配位键时，键的方向性不强，空间因素对配位数起着主要作用，在配体与金属离子相