普通化学：镧锕系元素及其应用

f 区元素又被称为内过渡元素，位于元素周期表的下方，由镧系元素和锕系元素组成，共有30 个元素，其价电子构型为（n-2）f1~14（n-1）d0~2ns2，除了90Th 元素外，其他都具有f 电子。其中，15 个镧系元素以及ⅢB 族的钪（Sc）、钇（Y）共计17 种元素又被称为“稀土元素”。在历史上，“稀土”（rare earth）这个名词首先是那些稀有的、难以获取的金属氧化物和金属的统称。但后来被用来专指镧系元素及Sc、Y 元素。实际上，这些元素并不稀少，如Sc 的地壳丰度是Hg 的260 倍，而La 的丰度比Pb 还要高，所以有“稀土不稀”的说法。镧系元素中的钷（61Pm）最早是于1946 年由美国橡树岭国家实验室在反应堆裂变生成物中得到的，也可通过人工的方法由中子轰击Nd 来合成，它曾一度被认为是人造元素，但1965 年在处理天然高品位铀矿中获得了钷（147Pm）。从此，它便不再属于人造元素了。

15 个锕系元素在元素周期表中位于镧系元素之下。在1940 年之前，人们只发现了锕（89Ac）、钍（90Th）、镤（91Pa）和铀（92U）这几种存在于自然界的锕系元素，其他锕系元素是在1940~1961 年间人工合成的。1789 年，德国化学家克拉普罗特（M.H.Klaproth）在分析沥青铀矿中的混生矿石时发现了第一个锕系元素，并把这个新元素命名为铀（Uranium），意为天王星（Uranus），这是因为天王星当时刚被人类发现。1923 年，Bohr 曾预言元素周期表的最后一部分元素可能与镧系元素相似，存在一组性质相近的锕系元素。20 世纪40年代，Seaborg 提出锕系理论：与镧系元素相似，在锕后面有14 个锕系元素。锕系理论的建立为锕系新元素的发现提供了理论依据。与镧系元素相比，锕系元素要稀少得多，而且它们中的大多数都是人工合成元素，有些元素的同位素只有在巨型回旋加速器中才能短期微量存在。例如，260Lr 是元素铹的最稳定同位素，它的半衰期只有3 min。但是相对于258Fm 的3.8×10-4s 来说，这个半衰期已经算很长的了。

镧系元素一般呈银灰色，其金属光泽介于铁和银之间，质地柔软，但随着原子序数增大有逐渐变硬的趋势。此外，镧系元素具有延展性，抗拉强度低，导电性良好，是典型的金属元素。镧系元素在一般温度下的顺磁性都相当强，具有很高的磁化率。镧系元素的密度、熔点除铕（Eu）和镱（Yb）之外，基本上随着原子序数的增加而增加，这与原子半径的变化趋势相反。

镧系元素的活泼性仅次于碱金属和碱土金属。镧系元素能与大部分非金属元素反应，如O2、N2、X2（Cl2、F2、Br2）等；镧系元素能与水或稀酸反应，放出氢气；与大多数金属一样，镧系金属不和碱作用。在化学反应中通常表现为易失去电子作还原剂，在大多数化合物中呈+3 价。由于镧系元素的化学性质很活泼，从它们的化合物制取金属时，通常采用热还原法（如钠、钾、钙、镁等还原无水卤化物）和熔融盐电解法（如氯化物熔融盐体系）。(www.xing528.com)

锕系元素外观像银，具有银白色光泽，都是有放射性的金属，在暗处遇到荧光物质能发光。与镧系元素相比，锕系元素熔点稍高，密度稍大，而且金属结构的变体多，这可能是锕系元素导带中的电子数目可以变动的缘故。锕系元素也是活泼金属，它们在空气中迅速变暗，生成一种氧化膜，其中钍（Th）的氧化膜有保护性，其他的较差。锕系元素可与大多数非金属元素反应，特别是在加热时；能与酸反应，但与碱不作用；容易与H2反应生成氢化物，所以元素与水能迅速反应（特别是与沸水或蒸气反应）生成氧化物，同时放出H2。

镧系元素和锕系元素的分离提取都具有较大难度，主要是由于这些元素的物理性质和化学性质极为相似，它们在矿石中总是共生在一起，且锕系元素都有放射性同位素，所以给提取和分析造成了很大困难。尽管成功获得镧系和锕系元素不容易，但它们都有着重要的应用价值。目前，镧系元素已经广泛应用于各种新材料和功能材料中，而锕系元素因与核燃料有关，其战略意义更显重要。