学习要求
　　(1) 明确稀土元素概念以及混合稀土元素分组命名。
　　(2) 熟悉镧系元素和锕系元素的名称、存在、电子结构特征、制备及用途。
　　(3) 熟悉镧系元素性质通性和特点，了解其光谱和磁性特征。
　　(4) 了解稀土元素的一般性质、结构和制备方法。
　　(5) 熟悉镧系元素的重要化合物，重点掌握氧化物和氢氧化物的性质及特点。
　　(6) 了解镧系元素的结构特点、配位化合物特点及其热力学性质。
　　(7) 了解镧系元素的矿物提取工艺及分离方法，熟悉溶剂萃取法及离子交换法的原理。
　　(8) 了解锕系元素的一般性质、重要反应和化合物、分离、应用和毒性，理解与镧系元素的异同点。
　　　背景问题提示　
　　(1) 稀土元素具有“工业维生素”和“新材料之母”的称号，作为多种功能材料的关键元素，被广泛应用于科技、**等领域。海湾战争中，加入稀土元素镧的夜视仪成为美军坦克压倒性优势的来源，请谈谈其中的原因。
　　(2) 镧系元素和锕系元素两个系列共30种元素，构成两大平行系列。在周期表中，为什么镧系元素和锕系元素开辟了一个“新区”？
　　(3) 我国作为主要的稀土储藏国和生产国，以占世界约36%的稀土资源量供应全球约90%的稀土产品。在稀土资源利用方面，我国的稀土资源现状和发展状况如何？
　　(4) 北京大学徐光宪院士获得2008年度国家*高科学技术奖，被誉为“中国稀土之父”，请谈谈徐光宪院士对于中国稀土发展的影响。
　　(5) 2020?年发现一类具有新的几何结构的金属硼球烯，它的稳定结构为D3h对称的空心笼；2022年我国科学家*次在月球上发现的嫦娥石是一种富含稀土元素的磷酸盐矿物。除此之外，你还了解哪些新的稀土元素材料？
　　金属硼球烯La3B?18结构
　　参考文献
　　Chen T T， Li W L， Chen W J， et al. 2020. Nature Comm， 11: 2766.
　　第1章f区元素概述
　　1.1　f区元素、镧系元素和稀土元素的概念
　　1.1.1　f区元素
　　f区元素(f-block element)包含镧系元素和锕系元素，属于周期表ⅢB族元素。这些元素的*后1个电子填充在(n?2)f亚层上，为了区别于d区过渡元素，将镧系元素及锕系元素合称为内过渡元素(inner transition element)。因为它们都是金属，又可以统称为f区金属[1]。
　　1.1.2　镧系元素
　　镧系元素(lanthanide，用Ln表示)是第57号元素镧到第71号元素镥共15种元素的统称，与d区ⅢB族元素外层和次外层的电子构型基本相同，新增加的电子大多填入从外侧数第三个电子层，即4f电子层中，基态原子的电子构型为4f0～145d0～16s2，又称为4f系元素。
　　镧的电子构型为4f05d16s2，无f电子，长期以来就有“镧系元素成员是否包括镧”的争论，至今仍在讨论中[2]。本书立足于性质的相似性，采取将镧至镥15种元素全部归入镧系元素的观点，这与1968年国际纯粹与应用化学联合会(International Union of Pure and Applied Chemistry，IUPAC)的**[3]和部分专著、教科书一致[4-7]。
　　在漫长的镧系元素发现史中，人们利用分级结晶和分级沉淀等古老的分离方法发现新的镧系元素。1913年莫塞莱(H. G. J. Moseley，1887—1915)提出莫塞莱定律[8]，即
　　(1-1)
　　式中，a、b为常数；为元素的X射线波长；Z为元素的原子序数。
　　例题1-1
　　在莫塞莱定律之后，人们逐渐澄清了有关镧系元素数目问题中的一些错误，并明确了镧(La)和铪(Hf)之间只有14种镧系元素存在。
　　为什么在La和Hf之间只有14种镧系元素存在？
　　解　从目前的理论来看，因为镧系元素属内过渡元素，其未充满的轨道处于内层的4f层，对于f轨道来说，其角量子数l = 3，磁量子数m = 2l+1 = 7，可容纳的电子数是2×7 = 14，故从4f电子数为0的镧至4f电子数全充满的铪之间只能容纳从铈至镥的14种元素。
　　思考题
　　1-1　查阅相关文献，解释为什么元素镧没有f电子，但是仍把它放在镧系，而且它与其他镧系元素的性质很相似。
　　1.1.3　稀土元素
　　稀土元素(rare earth element，用Re表示，注意与铼元素区分)或称稀土金属(rare earth metal)是元素周期表第3列钪、钇和镧系元素共17种金属元素的合称，都属于副族元素。钪和钇因为经常与镧系元素在矿床中共生，具有相似的化学性质，也被认为是稀土元素。
　　稀土元素在地壳中的丰度相当高(钷除外)，其中铈在地壳元素丰度排名第25，为0.0068%(与铜接近)，是含量*高的稀土元素。虽然稀土元素并不稀有，但其倾向于两两或多种一起生成合金，难以被单*分离，且稀土元素在地壳中的分布相当分散。直至18世纪末，人们都是将元素的氧化物(称为“土”，主要是指有碱性、不溶于水、加热不易熔化也不发生变化的物质)当作元素。“钇土”和“铈土”的发现即被认为是发现了钇元素和铈元素。因此，“稀土”只是一种沿用名称。
　　我国稀土资源丰富，在稀土元素研究领域有很多杰出的贡献。钪和钇与稀土元素化学性质相似，且f区元素完全包含在稀土元素中，因此本分册中以稀土元素代替f区元素讲解其整体性质。
　　1.2　稀土元素的发现和命名
　　人类发现的**种稀土矿物是从瑞典伊特比(Ytterby)镇的矿山中提取出的硅铍钇矿，许多稀土元素的英文名称源于此地。从1794年芬兰著名化学家加多林(J. Gadolin，1760—1852)发现**种稀土元素钇[9]，到1945年*后一种稀土元素钷被美国橡树岭国家实验室马林斯基(J. A. Marinsky)等发现，跨越了三个世纪、历经150多年[10-11]。稀土元素的发现和命名见表1-1。
　　表1-1稀土元素的发现和命名
　　1.3　稀土元素在自然界中的存在
　　1.3.1　稀土元素的丰度
　　稀土元素在自然界中广泛存在。通过获得的陨星、陨石和对太阳和太阳系的光谱分析，发现宇宙中存在稀土元素(表1-2)[14-15]。球粒陨石是太阳和地球的原始物质，对其中稀土元素丰度的研究，有助于了解地球和行星的形成与演化。稀土元素在岩石和矿物中的丰度通常用相对于球粒陨石或北美页岩中稀土的丰度来表示[16]。

目录
序
丛书出版说明
前言
第1章 f区元素概述 3
1.1 f区元素、镧系元素和稀土元素的概念 3
1.1.1 f区元素 3
1.1.2 镧系元素 3
1.1.3 稀土元素 4
1.2 稀土元素的发现和命名 5
1.3 稀土元素在自然界中的存在 6
1.3.1 稀土元素的丰度 6
1.3.2 稀土元素在地壳中分布的特点 7
1.3.3 稀土元素的存在状态 8
1.3.4 稀土元素资源的分布 9
1.3.5 我国稀土资源的分布和特点 9
1.4 稀土元素的一般性质 10
1.4.1 稀土元素的电子构型及成键情况 10
1.4.2 稀土离子的价态 11
1.4.3 稀土元素的原子半径和离子半径 12
1.4.4 镧系离子的颜色 16
1.4.5 稀土元素单质 17
历史事件回顾 1 混合稀土的分组命名 27
历史事件回顾 2 有关f区元素定义的争论 32
参考文献 38
第2章 稀土元素的光谱性质和磁学性质 42
2.1 稀土元素的光谱性质 42
2.1.1 镧系离子的电子构型及基态光谱项 42
2.1.2 镧系三价离子的能级 44
2.1.3 稀土离子的吸收光谱 48
2.2 稀土元素的磁学性质 53
2.2.1 稀土元素的磁性来源 53
2.2.2 稀土元素的磁学基础知识 54
2.2.3 稀土元素与3d过渡元素磁性的对比 59
参考文献 62
第3章 稀土元素的重要化合物 63
3.1 氧化数为+3的化合物 63
3.1.1 重要的稀土盐类 63
3.1.2 氧化物和氢氧化物 70
3.2 氧化数为+2和+4的化合物 72
3.2.1 氧化数为+2的化合物 73
3.2.2 氧化数为+4的化合物 76
3.3 纳米稀土氧化物 78
3.3.1 纳米氧化镧 78
3.3.2 纳米氧化铈 79
3.3.3 纳米氧化钇 80
参考文献 80
第4章 稀土元素配位化学简介 83
4.1 稀土元素结构化学 83
4.1.1 稀土元素的结构特征 83
4.1.2 f电子的配位场效应 83
4.2 稀土元素配合物简介 84
4.2.1 稀土元素配合物 84
4.2.2 稀土元素配合物与d过渡金属配合物的比较 85
4.3 稀土元素配合物的一般合成 88
4.3.1 直接反应 88
4.3.2 交换反应 88
4.3.3 模板反应 89
4.3.4 水/溶剂热反应 89
4.3.5 离子热反应 89
4.4 稀土元素配合物的热力学性质 91
4.4.1 稀土元素配合物的稳定性 91
4.4.2 稀土元素配合物的焓和熵 93
4.5 稀土元素配合物的构筑 94
4.5.1 稀土离子的影响 94
4.5.2 配体的影响 97
4.6 稀土元素与大环配体及其开链类似物生成的配合物 103
4.7 稀土元素生物配合物 104
参考文献 104
第5章 稀土元素的提取和分离 108
5.1 提取稀土元素的概况 108
5.1.1 摇篮时代 108
5.1.2 启蒙时代 109
5.1.3 黄金时代 110
5.2 提取稀土元素的工业原料及工艺 110
5.3 稀土精矿的分解 113
5.3.1 *居石精矿的分解 113
5.3.2 氟碳铈精矿的分解 117
5.3.3 混合型稀土精矿的分解 120
5.3.4 风化壳淋积型稀土矿的分解 121
5.4 稀土元素的化学法分离 123
5.4.1 化学法分离的基本原理 123
5.4.2 化学法分离的方法概述 125
5.5 稀土元素的离子交换法分离 134
5.5.1 离子交换法分离的基本原理 134
5.5.2 离子交换法分离的影响因素 137
5.6 稀土元素的溶剂萃取法分离 142
5.6.1 溶剂萃取法分离的基本原理 142
5.6.2 溶剂萃取法分离的影响因素 146
5.6.3 溶剂萃取法分离在稀土生产中的应用 150
历史事件回顾 3 徐光宪发展串联萃取理论 152
参考文献 156
第6章 稀土元素的应用简介 160
6.1 磁性材料 160
6.1.1 稀土永磁材料 160
6.1.2 单分子磁体材料 161
6.1.3 光致发光单分子磁体材料 162
6.2 荧光和激光材料 163
6.2.1 荧光材料 163
6.2.2 激光材料 167
6.3 玻璃和陶瓷材料 168
6.3.1 稀土玻璃材料 168
6.3.2 稀土陶瓷材料 168
6.4 储氢和超导材料 168
6.4.1 稀土储氢材料 168
6.4.2 稀土超导材料 169
6.5 冶金工业中的应用 169
6.6 催化中的应用 170
6.6.1 单原子位点催化剂 170
6.6.2 稀土合金催化剂 171
6.7 农业中的应用 172
6.8 医药中的应用 172
6.8.1 生物成像 172
6.8.2 光动力疗法 173
6.8.3 光热疗法 174
6.8.4 化学药物治疗 174
6.8.5 放射治疗 175
6.8.6 光遗传刺激 175
6.8.7 哺乳动物的近红外图像视觉 176
6.8.8 传感和检测 176
参考文献 176
第7章 锕系元素概述 187
7.1 锕系元素的概念 187
7.1.1 锕系元素的数目 187
7.1.2 锕系元素的存在和发现 188
7.2 锕系元素的性质 191
7.2.1 锕系元素的电子构型和氧化态 191
7.2.2 锕系元素的离子 194
7.2.3 锕系元素单质 196
7.3 锕系元素的几种重要反应 201
7.3.1 水溶液中的稳定性 201
7.3.2 水溶液中的氧化还原反应 203
7.3.3 配位平衡 206
7.3.4 水解反应 208
7.4 锕系元素的重要化合物 209
7.4.1 锕系元素共线的O—An—O单元 209
7.4.2 钍的重要化合物 210
7.4.3 铀的重要化合物 213
7.4.4 镎、钚和镅的重要化合物 217
7.5 锕系元素的分离 218
7.5.1 萃取法 219
7.5.2 离子交换法 223
7.5.3 其他分离方法 224
7.5.4 分离方法的研究进展简介 225
7.6 锕系元素的应用和毒性 226
7.6.1 锕系元素的应用 226
7.6.2 锕系元素的毒性 228
参考文献 230
练习题 234
**类：学生自测练习题 234
第二类：课后习题 236
第三类：英文选做题 237
参考答案 238
学生自测练习题答案 238
课后习题答案 240
英文选做题答案 243