为什么镧系和锕系元素位于元素周期表的底部?
镧系元素(57–71号)和锕系元素(89–103号)印在主周期表下方的两行里,只是为了让周期表保持实用的宽度。它们真正属于第6和第7周期,紧跟在钡(56)和镭(88)之后。如果把它们放回原位,周期表会拉宽到32列,宽得无法舒适地放进一页纸或一个屏幕。
它们真正的位置
沿着第6周期依次看原子序数:铯(55)、钡(56),然后跳到铪(72)。从镧(57)到镥(71)的15种元素填补了这个空缺。第7周期在镭(88)和𬬻(104)之间也有同样的空缺,由从锕(89)到铹(103)的15种元素填补。
许多周期表在第3族的相应位置用标有57–71或89–103的占位格来标记。如果把这两行移回原位,第6和第7周期各有32种元素,周期表就有32列,而不是18列。这种宽版的排列称为长式周期表或32列周期表。
f区
镧系和锕系元素构成f区。沿着这些行,电子主要填入比最外层深两层的f亚层:镧系是4f,锕系是5f。一个f亚层可容纳14个电子,这就是f区有14列宽的原因。
每一行列出15种元素,比f区的14列多一个。这是因为镧和镥都算作镧系,锕和铹都算作锕系,而每一对中只有一个真正属于第3族。化学家们至今仍在争论应该是哪一对。
由于增加的电子位于原子的很深处,每一行中最外层电子几乎没有变化。每种镧系元素都以6s²结尾;例如钕是 [Xe] 4f⁴ 6s²。这就是镧系元素彼此化学性质如此相似、又如此难以分离的原因。
镧系元素
镧系元素连同钪和钇,常被称为稀土元素。尽管名字叫“稀土”,但大多数在地壳中并不特别稀少;只是分布分散,而且很难彼此分离。
它们大多是柔软的银白色金属,通常形成+3价离子。许多镧系元素对现代技术至关重要:钕用于制造电动机、耳机和风力涡轮机中的强力永磁体,钐用于耐热的钐钴磁体,铕用于屏幕和灯具的荧光粉,钆用于核磁共振成像的造影剂。在整个系列中,原子会略微缩小,按本站的数据,从镧的240 pm缩小到镥的221 pm,这种效应称为镧系收缩。
锕系元素
所有锕系元素都具有放射性。只有钍和铀在自然界中大量存在。锕和镤以极微量存在于铀矿和钍矿中,镎和钚也有微量,但铀之后的元素几乎都是在核反应堆或粒子加速器中制造出来的。
铀和钚是核能的燃料,镅-241用于许多家用烟雾探测器。锕系元素比镧系元素表现出更广泛的价态:例如,铀可以是+3、+4、+5或+6价。最重的锕系元素,如锘和铹,迄今只制得过极少的量。
在周期表上如何查看它们
查找镧系或锕系元素时,请记住,尽管它印在下面一行,它的周期数仍是6或7。钕(60)在第6周期,铀(92)在第7周期。许多周期表对这些元素的族号留空,因为f区的列不在18个编号的族之中。
有一个快速记住范围的方法:镧系这一行紧接在钡(56)之后开始,锕系这一行紧接在镭(88)之后开始,钡和镭是各自那一列最底部的两种第2族金属。
要点
- 镧系元素(57–71号)和锕系元素(89–103号)属于第6和第7周期,紧跟在钡和镭之后。
- 它们印在主表下方,使周期表保持18列宽,而不是32列。
- 它们构成f区,电子在其中填充4f和5f亚层。
- 镧系元素彼此化学性质相似,通常形成+3价离子;所有锕系元素都具有放射性。
- 钕等镧系元素是制造强力磁体的关键,铀和钚是核反应堆的燃料。
自我检测
关于本课的三道小测验题。
1. 镧系元素在元素周期表上真正属于哪里?
显示答案
第6周期,紧跟在钡之后 — 镧系元素(57–71号)填补了第6周期中钡(56)与铪(72)之间的空缺。2. 为什么镧系元素彼此的化学性质如此相似?
显示答案
增加的电子进入很深的4f亚层,所以外层电子几乎没有变化 — 沿着这一行,电子填入原子深处的4f亚层,所以每种镧系元素都以6s²结尾,反应性质与相邻元素很相似。3. 关于所有锕系元素,下列哪个说法是正确的?