為什麼鑭系元素和錒系元素位於週期表的底部?
鑭系元素(57–71 號)和錒系元素(89–103 號)印在主週期表下方的兩列,只是為了讓週期表維持實用的寬度。它們其實屬於第 6 和第 7 週期,緊接在鋇(56)和鐳(88)之後。若把它們放回原位,週期表會變成 32 行,寬到無法舒適地放進一頁紙或一個螢幕。
它們真正的位置
沿著第 6 週期追蹤原子序:銫(55)、鋇(56),然後跳到鉿(72)。從鑭(57)到鎦(71)的 15 種元素就填補了這個缺口。第 7 週期在鐳(88)和鑪(104)之間也有同樣的缺口,由從錒(89)到鐒(103)的 15 種元素填補。
許多週期表會在第 3 族的位置放一個標示為 57–71 或 89–103 的佔位格。如果把這兩列滑回原位,第 6 和第 7 週期各會有 32 種元素,週期表就會有 32 行,而不是 18 行。這種寬版的排列稱為長式週期表或 32 行週期表。
f 區
鑭系元素和錒系元素構成 f 區。沿著這兩列,電子主要加入比最外層殼層低兩層的 f 次殼層:鑭系是 4f,錒系是 5f。一個 f 次殼層可容納 14 個電子,這就是 f 區寬度為 14 行的原因。
每一列列出 15 種元素,比 f 區的 14 行多一種。這是因為鑭和鎦都算鑭系元素,錒和鐒都算錒系元素,但每一對中只有一個真正屬於第 3 族。化學家至今仍在爭論該是哪一對。
由於加入的電子位於原子很深處,沿著每一列,最外層電子幾乎沒有改變。每一種鑭系元素都以 6s² 結尾;例如釹是 [Xe] 4f⁴ 6s²。這就是鑭系元素在化學上彼此如此相似、又如此難以分離的原因。
鑭系元素
鑭系元素連同鈧和釔,常被稱為稀土元素。儘管名稱如此,大多數在地殼中並不特別稀少;它們只是分散各處,而且難以彼此分離。
它們大多是柔軟的銀色金屬,通常形成 +3 離子。許多鑭系元素對現代科技至關重要:釹用於馬達、耳機和風力發電機中的強力永久磁鐵,釤用於耐熱的釤鈷磁鐵,銪用於螢幕和燈具的螢光粉,釓則用於 MRI 掃描的顯影劑。沿著這個系列,原子會略微縮小,在本站的資料中,從鑭的 240 pm 縮小到鎦的 221 pm,這種效應稱為鑭系收縮。
錒系元素
所有錒系元素都具有放射性。只有釷和鈾在自然界中大量存在。錒和鏷以極微量存在於鈾礦和釷礦中,錼和鈽也有微量存在,但鈾之後的幾乎所有元素都是在核反應爐或粒子加速器中製造出來的。
鈾和鈽是核能的燃料,鋂-241 則用於許多家用煙霧偵測器。錒系元素比鑭系元素展現出更廣泛的電荷範圍:例如鈾可以是 +3、+4、+5 或 +6。最重的錒系元素,如鍩和鐒,至今只製造出極少量。
在週期表上如何閱讀它們
查詢鑭系或錒系元素時,要記住它的週期是 6 或 7,雖然它被印在較下方的橫列。釹(60)在第 6 週期,鈾(92)在第 7 週期。許多週期表會把這些元素的族數留白,因為 f 區的行不在 18 個有編號的族之中。
有個快速記住範圍的方法:鑭系的橫列緊接在鋇(56)之後,錒系的橫列緊接在鐳(88)之後,它們都是位於第 2 族底部的兩種金屬。
重點
- 鑭系元素(57–71)和錒系元素(89–103)屬於第 6 和第 7 週期,緊接在鋇和鐳之後。
- 它們被印在主表下方,使週期表維持 18 行寬,而不是 32 行。
- 它們構成 f 區,電子在此填入 4f 和 5f 次殼層。
- 鑭系元素在化學上彼此相似,通常形成 +3 離子;所有錒系元素都具有放射性。
- 釹等鑭系元素是強力磁鐵的關鍵,鈾和鈽則是核反應爐的燃料。
自我檢測
三道關於這堂課的小測驗。
1. 鑭系元素在週期表上真正的位置在哪裡?
顯示答案
第 6 週期,緊接在鋇之後 — 鑭系元素(57–71)填補了第 6 週期中鋇(56)和鉿(72)之間的缺口。2. 為什麼鑭系元素在化學上彼此如此相似?
顯示答案
加入的電子進入深層的 4f 次殼層,所以外層電子幾乎沒有改變 — 沿著這一列,電子填入原子深處的 4f 次殼層,所以每種鑭系元素都以 6s² 結尾,反應方式與鄰近元素非常相似。3. 下列哪一項敘述適用於所有錒系元素?