內過渡元素

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引言

內過渡金屬的價電子位於f軌道。錒系元素和鑭系元素構成內過渡金屬。錒系元素是軟金屬，具有放射性，主要為人工合成。內過渡元素的原子序數範圍為58到71以及90到103。內過渡金屬佔據元素週期表底部一行。由於這些元素的稀有性，它們有時被稱為稀土元素。鑭系元素被歸類為第6週期，而錒系元素被歸類為第7週期。

什麼是內過渡元素？

內過渡元素是指最後一個電子進入f軌道的元素。f區元素由最終佔據4f和5f軌道的元素組成。由於這些元素正式被認為屬於第三族，因此在元素週期表中顯示為f區。它們也被稱為**f區元素**。

它們分為兩個族：錒系元素和鑭系元素。它們分別來自第6和第7週期。錒系元素由14種**元素**（Z=90-103）組成，從釷到鐨。鑭系元素的14種元素為鈰到鎦（Z=58-71）。

內過渡元素的主要特性

鑭系元素

• 它們是可延展的金屬，可以用刀切割。

• 它們具有光澤，並且**外觀呈銀色**。

• 這些元素的反應性根據其鹼性而不同。有些反應迅速，而另一些則緩慢。

• 它們與其他金屬或非金屬結合時，可能會腐蝕或變脆。

• 幾乎所有鑭系元素都形成**三價化合物**。它們很少形成二價或四價化合物。

• 它們具有磁性。

錒系元素

• 它們是放射性元素。

• 它們具有較高的電正性。

• 金屬暴露在空氣中會迅速失去光澤。

• 它們是具有獨特結構和高密度的金屬。

• 它們與熱水或稀酸反應時會釋放氫氣$\mathrm{H_{2}}$。

• 錒系金屬通常較軟。

電子構型

鑭系元素 − $\mathrm{[Xe]4f^{1\:-\:14}5d^{0\:-\:1}6s^{2}}$

錒系元素 − $\mathrm{[Rn]5f^{1\:-\:14}6d^{0\:-\:1}7s^{2}}$

• 對於從鈰（原子序數58）開始到鎦（原子序數71）的鑭系元素，這些元素的電子構型為$\mathrm{4f^{1\:-\:14}5d^{0\:-\:1}6s^{2}}$，而對於從釷（原子序數90）開始到鐨（原子序數103）的錒系元素，其電子構型為$\mathrm{5f^{1\:-\:14}6d^{0\:-\:1}7s^{2}}$。

• 由於f軌道𝑒−具有**相同的價電子層構型**和能量，因此鑭系元素和錒系元素都預期會產生+3氧化態。由於價電子層設計和尺寸相同，系列中的所有元素都將具有相似的特性，這使得分離變得困難。

鑭系元素和錒系元素的相似之處

• 最後一個引入4f軌道的$\mathrm{e^{-}}$被認為屬於過渡元素的**第一系列**。鑭系元素系列在鑭之後有十四個元素。由於它們在元素週期表中緊隨鑭之後出現，因此被稱為鑭系元素或鑭系。

• 錒系元素是透過依次填充5f軌道形成的$\mathrm{e^{-}}$。之所以這樣稱呼它們，是因為它們出現在元素週期表中actinium元素之後。錒系元素系列由十四種元素組成，範圍從釷到鐨，也被稱為內過渡元素的**第二系列**。

鑭系元素和錒系元素的區別

鑭系元素	錒系元素
氧化態 − +3是最常見的氧化態。其他氧化態包括+2、+4和+6。	氧化態 − +3是最常見的氧化態。其他氧化態包括+4、+5和+6。
最後一個$\mathrm{e^{-}}$進入4f軌道。	最後一個$\mathrm{e^{-}}$進入5f軌道。
由於三正離子（𝐿𝑛3+）的尺寸規律性減小，原子尺寸的減小並不恆定。	原子和離子（三正離子）尺寸逐漸減小。
它們的化合物鹼性較低。	它們的化合物鹼性較高。
形成配合物的傾向較小。	它們形成配合物的傾向高得多。
除鉕以外，這些元素是非放射性的。	這些元素都是放射性的。

內過渡元素的應用

鑭系元素

• 鑭系元素主要用於**雷射器**。

• 由於它們能夠偏轉紫外線和紅外波長，因此它們經常用於眼鏡鏡片。

• 許多鑭系元素可以透過將釹、釤、鈰等金屬與其他金屬合金化來形成強大的永磁體。

• 此外，兩種鑭系元素具有長**半衰期**的放射性同位素（147𝑆𝑚和176𝐿𝑢），可用於提取地球、月球和隕石中的礦物和岩石。

錒系元素

• 核武器和反應堆使用鈾和鈽同位素作為燃料，而其他核反應堆設計則使用釷。釷也用於塗覆**電氣裝置**中的鎢絲。

• 一種型別的煙霧探測器包含鋂，它會發出電離輻射。

• 核武器和**核電站**都使用了鈾和鈽。

結論

內過渡元素是指最後一個電子進入f軌道的元素。f區元素由最終佔據4f和5f軌道的元素組成。鑭系元素是軟金屬，可以用刀切割。它們具有光澤，外觀呈銀色。錒系元素是放射性元素。

它們具有較高的電正性。鑭系元素通常具有+3的氧化態。此外，在某些情況下，一些鑭系元素表現出+2或+4的氧化態。錒系元素最常見的氧化態是+3。錒系元素還具有多種氧化態，包括+2、+3、+4、+5、+6和+7。

常見問題

1. 請確定最常見的鑭系元素？

最常見的鑭系元素是鈰。因為鈰有四種天然存在的同位素，分別是136𝐶𝑒、138𝐶𝑒、140𝐶𝑒和142𝐶𝑒。140𝐶𝑒約佔自然界中所有鈰的88.48%。因此，它是存在的最常見的鑭系元素。

2. f區元素的不同性質是什麼？

以下是f區元素的特性：

• 這些元素是重金屬。

• 它們都具有高熔點和沸點。

• 它們具有多種氧化態。

• 它們產生有色離子。

• 它們具有形成複雜分子的傾向。

3. 為什麼f區元素也被稱為內過渡元素？

f區元素的電子構型是獨特的。這些元素的價電子進入(n-2)f區，即“倒數第二個能級”，並位於f軌道中。這就是為什麼'內過渡元素'也被稱為f區元素的原因。

4. 鑭系收縮的原因是什麼？

由於4f電子的遮蔽作用差或遮蔽作用弱，導致鑭系收縮。

5. 哪些元素的化合物具有最多變的氧化態，為什麼？

鋂元素的化合物具有最多的氧化態，包括+2、+3、+4、+5、+6和+7。沒有其他元素的化合物具有如此多的氧化態。