镧系元素及其特殊特性

常温下，铯的硬度是所有固体元素中最低的。铯是化学性质极其活泼的元素之一。

介 绍

●铯原子最外层的电子绕着原子核旋转，总是极其精确地在几十亿分之一秒的时间内转完一圈，稳定性甚至比地球自转还要高得多。人们根据铯的这个特点，制成了一种新型的钟—铯原子钟。铯原子钟的准确性极高，2000万年内仅偏差1秒，而且不会受到外界环境的影响。但铯原子钟并不直接显示钟点，它的任务是提供“秒”这个时间单位的准确计量。

钡得名于希腊语“重”（barys）。钡单质的密度在金属中并不算高，但钡的化合物往往具有较高的密度。

介 绍

●人们去医院做胃肠道X射线检查前，通常需要服用一种白色黏稠物质—钡餐。钡餐是硫酸钡的悬浊液，它的密度比人体组织大，可作为造影剂让消化道的X射线成像更清晰。虽然钡离子有毒，但硫酸钡难溶于水且不与胃酸反应，可认为对人体无害。

●钛酸钡（BaTiO3）具有高介电常数、低介电损耗，还具有优良的铁电性、压电性、耐压性和绝缘性等性能，广泛应用在电子陶瓷领域，用于制造多层陶瓷电容器、热电元件、压电陶瓷等，被誉为电子陶瓷业的支柱。

●重晶石是钡元素的最常见矿物，它的成分是硫酸钡。重晶石加工而成的锌钡白颜料是一种常用的优质白色颜料，俗称“立德粉”。重晶石的另一个重要用途是作为钻井泥浆的加重剂。在地下压力较高的情况下，常需要密度较高的泥浆。往泥浆中加入重晶石粉是增加泥浆密度的有效措施。

重要反应

钡在空气中会缓慢氧化，生成氧化钡：

氧化钡在空气中点燃会发出绿色的火焰，生成过氧化钡：

钡能与水发生反应，生成氢氧化钡与氢气：

氢氧化钡可与硫酸反应，生成硫酸钡沉淀和水：

元素周期表中57号元素镧到71号元素镥的这15种元素统称为“镧系元素”，它们因性质接近而被归为同一族。所有镧系元素都是稀土元素。

介 绍

●元素周期表第六周期的原子内层电子轨道的可容纳电子数比上一个周期多了14个，由此诞生了“镧系元素”。在元素周期表中，镧系元素通常被单独安排在表的最下方，这样既能避免元素周期表过于冗长，也能很好地体现镧系元素原子结构的特殊性。

●镧系玻璃中含有较多的氧化镧（La2O3），具有高折射率、低色散的特性。镧系玻璃大量用于摄像机、扫描仪、投影仪以及潜望镜的镜头上。

铈是自然界中储量最多的一种稀土元素。我国拥有着十分丰富的铈资源，是铈的主要出口国。

介 绍

●铈可以形成三价或者四价的铈离子，这种变价特性使铈具有很好的氧化还原性能。二氧化铈（CeO2）是稀土氧化物中活性最高的一种，在汽车尾气催化剂和石油裂化催化剂中有着广泛的应用。

●铈活泼的化学性质使得它在冶金领域中也能大展身手。例如，添加1%左右的铈就能改善镁合金强度低、韧性差的情况。铈元素的加入能够细化合金组织，使金属微粒的分布更加均匀，起到“点石成金”的效果。

镨的盐类呈现漂亮的青苹果色，因此它的英文名称来自希腊语“绿色”（praseo）。

介 绍

●镨是一种用量较大的稀土元素，可广泛用于掺镨光纤放大器、塑料改性添加剂、磁性改性、化工催化剂等领域，是一种优秀的“协同元素”。

●历史上，科学家们曾一度未继续分离镨钕混合物，故认为镨和钕是同一种元素。因为这一渊源，镨和钕两种元素的英文名称词尾都是“dymium”，来自希腊语“孪生兄弟”（didymos）。

钕在稀土元素中具有重要的地位，与我们的生活密切相关，它是制造稀土永磁体的重要材料。

介 绍

●永磁材料是指磁化后能长时间保持磁性的材料。钕铁硼磁铁（Nd2Fe14B）是一种永磁材料，被认为是世界上最强的磁铁之一。钕铁硼磁铁被广泛用于硬盘、手机等电子产品和汽车工业中。例如，硬盘中使用钕铁硼磁铁，可以大幅提升硬盘的数据存储密度；电机中使用钕铁硼磁铁，在不牺牲输出功率的前提下可以将电机的质量和体积同时减小约30%。

●在玻璃熔体中添加氧化钕（Nd2O3）可以制备得到钕玻璃。在日光照射下，钕玻璃会呈现出薰衣草色；在荧光灯照射下，它则呈现出淡蓝色。

自然界中几乎不存在含钷矿物，地球上天然存在的钷甚至不到1千克。

介 绍

●钷是继43号元素锝之后第二个人工合成的元素。天然的钷会随时间流逝而衰变为其他元素，因此它在自然界中的含量微乎其微。人们起初想模仿锝元素的发现过程，尝试使用回旋加速器制造钷，却是竹篮打水一场空。直到1945年，美国科学家们才在放射性元素铀的裂变产物中找到了钷，并以希腊神话中的普罗米修斯（Prometheus）的名字来命名它。

钐得名于一位俄罗斯矿业官员，他提供了一种以他自己名字命名的矿石（Samalskite），后由科学家从中分离并发现了钐。

介 绍

●钐钴磁铁（SmCo5和Sm2Co17）是一种稀土永磁体。相较于钕铁硼磁铁，钐钴磁铁有着更好的高温稳定性和化学稳定性，所以经常在军工和航空等领域中使用。搭载人类首次登上月球的“阿波罗11号”宇宙飞船的导航系统就使用了钐钴磁铁，是稀土元素用于尖端技术的典范。

铕元素最初在欧洲（Europe）被发现并以此命名。铕是最活泼的镧系元素。

介 绍

●有机发光二极管（OLED）是一种在电场驱动下可以使有机半导体和发光材料发光的元件。基于OLED的显示屏具有色彩鲜艳的特点，主要使用在手机、电视和宣传大屏幕中，尤其是可弯曲折叠显示屏。OLED显示需要高色纯度的红、绿、蓝三色光，其中的红光发射主要依赖铕的化合物。Eu3+的化合物是一种非常优质的有机电致红光发光材料。此外，Eu2+的化合物还能用于发射蓝光。

钆的命名是为了纪念约翰·加多林（J. Gadolin）—发现了钇，并为稀土元素的研究做出了首创性贡献的芬兰化学家。

介 绍

●金属钆具有一种奇特的“磁热效应”：将钆放入磁场中会放热；移去磁场后，钆又会吸热使外界降温。应用这一特点可以制造磁制冷机。与传统的气体压缩制冷技术相比，磁制冷技术属于固态制冷，不需要制冷剂，不会对环境造成污染，是一项极富前景的未来科技。

●核磁共振成像是一种医疗诊断工具，通过外加磁场检测人体的内部结构。顺磁性钆螯合物（Gd-DTPA）被用作核磁共振成像的对比剂，它通过静脉注射进入人体，能使核磁共振图像对比更为明显，有利于病情的诊断。

铽的应用大多涉及包括军事领域在内的高科技领域。

介 绍

●含有铽、铁、镝元素的Terfenol-D是一种铽合金。这种材料能在磁场作用下发生膨胀或者收缩，具有磁致伸缩的效应，被用于制造精密仪器部件，包括声呐元件、机械微定位器、太空望远镜的调节系统和飞机机翼的调节器等。

●总共有七种稀土元素在瑞典首都斯德哥尔摩附近的伊特比（Ytterby）被发现，其中四个元素得名于伊特比的地名，分别是钇（Y）、铽（Tb）、铒（Er）和镱（Yb）。

镝的名称来自希腊语“难以获得”（dysprositos），因为它曾一度难以与其他稀土元素分离。

介 绍

●镝的卤化物（如碘化镝）是镝灯中的发光材料。镝灯有着亮度大、寿命长等优点。舞台、电影、印刷的照明都使用镝灯作光源。

●镝铁钴薄膜是一种磁光存储材料。用镝铁钴薄膜制造的磁光盘具有存储密度高、读取速度快的优势。目前主要的磁光材料中都含有镝和铽，镝的价格优势使它被更广泛地应用。

钬是从伊特比的矿石中发现的七个稀土元素之一，它以发现者佩雷·克莱夫的出生地—瑞典首都斯德哥尔摩（拉丁语“Holmia”）命名。

介 绍

●钬激光具有极好的切割能力，在医疗领域被广泛应用。钬激光在临床上常用于结石的碎解，包括坚硬的肾结石和输尿管结石的碎解等。钬激光的发热较少，使用过程中不会产生过多的热量，能减少对人体健康组织的热损伤。

铒的氧化物刚被发现时，曾被错误地命名为“氧化铽”，直到1860年后才得到更正。

介 绍

●我们在介绍硅元素时提到过光纤。需要补充的是，光纤中的信号强度会随传输距离的增加而衰减。为解决这个问题，人们在光纤中加入微量的铒离子（Er3+），制成掺铒光纤放大器（EDFA）。在激光器的配合下，放大器可以产生与入射光特征相同，但强度增加的新信号。每隔一段距离使用放大器，就能延长信号传输距离，从而实现远程通信。虽然铒元素在全世界光纤中的用量极少，仅为千克级，但它却在长距离通信的应用中不可或缺。

铥的命名和钬类似，它的名称用于纪念发现者佩雷·克莱夫的祖国瑞典所在地斯堪的纳维亚半岛（Thulia）。

介 绍

●铥有三十多种同位素，但天然稳定存在的只有铥-169。另外，铥-170是一种低能放射性同位素，能放出X射线，可以制成便携式X射线的辐射源，用于材料的探伤及癌症的放射性治疗。

●铥是激光材料的重要掺杂元素。掺杂铥元素的激光器用于人体组织表面的消融术。此外，掺铥激光器在精细切割、气象和军事方面也有着一定的应用潜力。

镱属于重稀土元素，可利用资源非常有限。镱的产品价格昂贵，限制了其用途。

介 绍

●镱最重要的用途是加工优质的激光材料。大部分掺镱的激光晶体是高功率的激光材料，在导弹探测等军事国防领域有一定的应用。

●镱（Ytterbium，Yb）和钇（Yttrium, Y）都属于稀土元素。它们不仅英文名称十分类似，而且中文发音也很相近，分别读作和。因此，在查阅相关资料或使用时要注意区分。

镥的密度、硬度以及熔点是“镧系家族”中最大的。但由于生产困难，镥的商业用途很少。

介 绍

●镧系元素中，镥的原子半径最小。元素周期表中的原子半径遵循怎样的规律呢？整体来说，同一周期的元素，原子半径变化的总趋势是自左向右逐渐缩小的（稀有气体除外）；而同一主族的元素，从上到下由于电子层数递增，原子半径显著增大。但第六周期由于镧系元素的加入，存在一定的例外。第六周期从第IIIB族到第IVB族的元素原子半径收缩格外显著，导致第六周期的副族元素与第五周期同族元素的原子半径接近，这一现象被称为“镧系收缩”。(www.xing528.com)

铪在丹麦格陵兰岛的矿石中被发现，故以发现地丹麦的首都哥本哈根（拉丁名“Hafnia”）命名。

介 绍

●铪是耐热合金中常见的添加元素。钨、钼、钽的耐热合金中都会添加铪。碳化钽铪合金（Ta4HfC5）的熔点接近4000℃，是目前已知的熔点最高的化合物。

●二氧化铪（HfO2）具有很高的折射率和很好的热稳定性及化学稳定性，常用于激光系统中的薄膜材料。二氧化铪在处理器芯片中也有一定的应用。

钽是一种稀有的金属矿产，它也是电子工业和空间技术发展不可缺少的战略原料。

介 绍

●钽具有极高的抗腐蚀性，在金属元素中非常罕见。在常温下，碱溶液、氯气、溴水、稀硫酸等化学试剂与钽均不发生化学反应。钽仅在氢氟酸和热的浓硫酸作用下发生化学反应。

●钽最重要的用途是制造电子元件，尤其是电容器。钽电容器具有电容量高、漏电流小、高低温特性好、使用寿命长等一系列优异性能，被广泛用在通信、计算机、航空航天、国防军工等工业领域。世界上钽产量的50%～70%被用于制造钽电容器。

钨的熔点是所有金属元素中最高的，同时它还有着非常高的密度与硬度。

介 绍

●钨的熔点高、升华速度慢，而且成本不高，是理想的白炽灯灯丝材料。但21世纪以来，白炽灯已经逐渐被节能环保的LED所取代。

●钨合金是一类具有很高硬度和很强耐磨性的硬质合金，被大规模应用于切削工具、穿甲弹、钻头、超硬模具等。最常见的硬质钨合金是钨钢，钢中加入9%～17%的钨后，硬度会得到大幅度的提升。

铼是一种稀有的难熔金属，具有良好的耐磨性和抗腐蚀性，是少数能适应极冷和极热环境的金属材料。

介 绍

●铼最重要的用途是制造飞机发动机。全球铼产量的70%都用于制造飞机喷气发动机的高温合金部件。

●在化学研究的早期，科学家尚不清楚原子内部的奥秘，只能直观地根据相对原子质量安排元素在周期表中的位置。1908年，日本化学家小川正孝曾宣称发现了43号元素，后被取消。因为小川在测量相对原子质量时出现了偏差，他测量的其实是75号元素铼，而并不是43号元素锝。

锇是地球上已知的密度最大的金属。

介 绍

●铱锇合金是一种非常重要的硬质合金，常用于制造一些要承受高磨损的器具，如钢笔笔尖、圆珠笔笔尖以及仪器的轴承，它能抵抗频繁操作所造成的磨损。

●锇曾是合成氨反应的第一代催化剂，具有里程碑式的意义。18世纪末，化学家们意识到需要将空气中丰富的氮元素固定并转化为可利用的形态，尤其是将氮元素转化为氮肥，这样就能解决子孙后代的粮食问题。许多科学家都致力于以氮、氢为原料合成氨，但屡战屡败。直到德国人弗里茨·哈伯选取锇作为催化剂，才成功实现了氨的合成。但由于锇的储量稀少、价格高昂，后来被铁催化剂所取代。

铱的化学性质很稳定，是最耐腐蚀的金属之一。

介 绍

●铂铱合金的稳定性极高。最初的长度单位“米”和质量单位“千克”的标准原器就是由铂铱合金制成的。如今为了提高测量的准确度，基本单位不再参考人工制品的实物，而是基于物理常数。例如，“1米”被定义为“1/299792458秒内光在真空中移动的距离”。

●铱元素虽然在地壳中含量极少，但在宇宙中并不罕见，陨石中通常含有较为丰富的铱。科学家们发现，在白垩纪末期（约6500万年前）的黏土层中有着远高于周围地层中含量的铱。由于该时期对应于恐龙的突然灭绝，人们便由此推测出“小行星撞击地球造成了恐龙灭绝”的假说。

铂俗称“白金”，因储量稀有而被用于制作昂贵的首饰。同时，铂也是重要的催化剂。

介 绍

●铂是一种非常稀有、外表闪亮的贵金属。铂不易受侵蚀。铂的冶炼提纯过程相比于金更为困难，因此铂具有比金更高的价格。

●尽管铂具有较大的化学惰性，但它有着很好的催化性能。汽车尾气净化的三元催化器中就含有铂，它促进废气完全燃烧，减少环境污染；铂铑合金丝网则是目前氨氧化反应制硝酸的常用催化剂。

●含铂药物在癌症治疗方面发挥着中流砥柱的作用，让人们看到攻克癌症的曙光。第一代抗癌药顺铂和第二代抗癌药卡铂都是铂的配合物。

金俗称“黄金”，除了作为财富的象征之外，也是一种导电、导热性质非常优异的材料。

介 绍

●金具有极高的抗腐蚀性，良好的导电性、导热性，以及很好的延展性。金被广泛应用在电子工业上，用作关键部位的触点及连接线。仪器的接头也会镀金以防止氧化。

●金的含量以开（K）来量度。纯金为24K，1K的含金量约为4.167%。由于纯金太软，所以常将金与其他金属制成合金来增加硬度，用于珠宝首饰，常见的包括18K金或14K金。

汞俗称“水银”，是常温下唯一一种呈液态的金属，也是已知密度最大的液体。汞有剧毒，对人体和环境均有害。

介 绍

●汞灯是利用汞放电时产生汞蒸气实现发光的电光源。我们生活中常见的日光灯就是一种低压汞灯。在现代集成电路的加工过程中，经常需要进行光刻操作，汞灯被用作光刻胶曝光的紫外线发射源。

●20世纪50年代，日本水俣湾的居民由于附近化工厂排放的含汞废水而中毒，这就是轰动世界的“水俣病”。汞和无机汞化合物被世界卫生组织癌症研究机构列为3类致癌物质。

汞与中国

●为了降低汞对人体和环境的毒害，中国将于2026年禁止生产含汞的体温计和血压计。

铊是一种剧毒的元素，其可怕的毒性限制了铊的实际应用。

介 绍

●铊化合物是致命的毒药，历史上曾出现过多起铊投毒的案件。铊中毒的症状有腹痛、斑秃、四肢疼痛无力等。除此以外，铊还有潜在的致癌性，会诱发基因突变。

●硫化铊（Tl2S）是一种对红外线特别敏感的半导体材料，用它制作的红外光敏光电管可以在黑夜或浓雾天气中接收信号。

铅是原子序数最大的非放射性元素。铅硬度低、易加工，是人类最早使用的金属之一。

介 绍

●铅与汞、铬、镉、砷一起并称为“五毒元素”。其中，铅污染对儿童的威胁最大，它会损害儿童的中枢神经系统功能并影响儿童的生长发育，还会导致儿童智力低下。

●铅酸蓄电池是一种应用非常广泛的储能器件，它利用铅不同价态的固相反应实现充放电，主要用作大型工业设备或者汽车的电源。但铅酸蓄电池主要有两方面的限制：一方面是使用了危害性较大的铅和浓硫酸；另一方面，铅酸蓄电池受到结构的限制，尺寸难以缩小。

●物质阻挡核辐射的能力主要取决于两个方面：首先是原子序数高，其次是物质的密度高。但原子序数很高的元素本身具有放射性，不适合做辐射屏蔽材料；而密度很高的金或者锇，价格过于昂贵。铅的原子序数、密度相对较高，而成本相对较低，是首选的辐射屏蔽材料，可用作铅玻璃、防护铅门和铅防护服等辐射屏蔽产品。

重要反应

铅酸电池是以铅及其氧化物为电极，硫酸为电解液的电池。充电时，电极上发生的化学反应：

铋在元素周期表中处于剧毒元素铅、钋、锑的“包围”中，但它却是极其温和的“绿色金属”，可替代铅、镉等有毒金属制造合金。

介 绍

●铋的主要用途之一是制造低熔点的易熔合金。铋可与锑、铟、锡、钛等金属制成易熔合金，它们的熔点大都在200℃以下，用于在预定温度熔化的安全装置、保险丝、易熔片等。

●铋晶体在缓慢冷却过程中会呈现出规则的阶梯状结构，表面的氧化膜会导致光的干涉，这使得铋金属通常都带有彩虹色的光泽，极具观赏性。

铋与中国

●铋的化合物都是非常重要的半导体材料。以铋为原料制造超导体和催化材料大有潜力。中国的铋储量和产量均居世界第一，充分利用铋资源将推动工业和能源领域发展。

钋得名于其发现者居里夫人的祖国波兰（Poland）。钋在自然界中的含量微乎其微，主要依靠人工合成。

介 绍

●钋是第一个因放射性而被发现的元素。在钋之前，铀的放射性已经得到了关注。1898年，居里夫人观察到沥青铀矿中异常高的射线强度，便大胆推断其中含有一种新元素，并将它命名为“钋”。仅凭射线便宣布发现了新元素，这在化学研究中是史无前例的。

砹是一种短寿命的放射性卤素，地壳中含量极少，它的名称源于希腊语“不稳定”（astator）。

介 绍

●不稳定的原子核会自发分裂成更稳定的原子核并放出射线，这一过程称为“放射性衰变”。原子主要有三种放射性衰变方式：α衰变、β衰变和γ衰变。它们所放出的射线的穿透性依次加强：一张纸就能挡住α射线，而γ射线则需用铅板才能阻隔。砹-211主要发生的是α衰变，穿透力弱，能用作肿瘤的放射性治疗物质，而不会对目标物以外的人体组织产生伤害。

氡是密度最大的稀有气体。氡是常温下唯一的放射性气体，是主要的天然放射源。

介 绍

●氡作为一种放射性气体，很容易被人体吸入并在肺中沉积。氡放出的辐射会损害肺管，诱发癌变。曾有长期处于高氡环境的矿工患上肺癌的事件。如今，氡在许多国家都被认为是引起肺癌的第二大因素，仅次于吸烟。日常生活中的氡主要来自地质环境和部分建筑材料，尤其是天然石材。