副族元素

IIIB族: 稀土元素 (III 副族元素 )

由於相鄰的兩個稀土元素其性質極為相似, 而存在自然界中的鑭系元素卻往往共生在一起, 這使分離它們產生極大的困難, 其中以鑭系元素尤甚者 
這族元素非常特殊, 它是由鈧(Sc)、釔(Y)、鑭(La)和鑭系元素、錒(Ac)和錒系元素共32個元素構成, 其中鑭系元素及錒系元素共28個( 有人認為鑭及錒本身不被納入其系統內, 見下段解釋 )又構成內過渡金屬系統(Inner-transition metal system),  它們的氧化物被稱為"土", 而且非常分散, 在研究這類元素時在學術上產生很大的混淆, 它們被統稱為稀土元素 
鈧(Sc) [Ar]3d14s2 
釔(Y) [Kr]4d15s2 
鑭(La) [Xe]5d16s2 
錒(Ac) [Rn]6d17s2, 外層電子構型通式為 nd1(n+1)s2, 3</=n</=7, 釷(Th) [Rn]6d27s2

鑭系元素基態電子構型通式為 [Xe]4fn 6s2,(Pr, 59)~(Er, 63) 3</=n</=7,(Tb, 65)~(Yb, 70)為  9</=n</=14, [Xe] 4fn 5s16s2 , (Ce, 58):n=1,(Gd, 64):n=7,(Lu, 71):n=14。從電子構型可以看出這14個元素皆有f電子, 而鑭因不含f電子, 因此有人把鈰至鑥的14個元素稱為鑭系元素 但是自鑭~鑥在化學性質及物理性質上皆有相似性及連續性, 一般而言: 鑭仍作為鑭系的一員

鑭系元素基態電子構型通式為 [Rn]5fn 7s2 (Pu, 94) ~ (Am, 95):n=6 ~7, (Bk, 97)~(No, 102): n=9 ~14, [Rn]5fn 6d17s2 (Pa, 91) ~ (Np, 93) n=2 ~4, (Cm, 96):n=7 , (Lr, 103):n=14 錒和釷兩元素不含f電子, 按鑭系的分類理應不在錒系之列, 但是它們確實和其他錒系成員共同構成完整的內過渡系統, 故不應將之擱開 (筆者謹識)

元素: 

鈧      Sc 釔     Y 鑭     La
拉丁文學名: Scandium Ytterium Lanthanum
命名辭源(含意): Scandia (斯堪的納維亞半島) Ytterby (瑞典首都的乙特比鎮) lanthanein (隱藏)
發現者(國家), 年代: L.F.Nilson (瑞典), 1879 Gadolin (芬蘭), 1794 Mosander (瑞典), 1839
原子序數:  21 39 57
原子量: 44.9559 88.9059 138.9055
熔點(凱氏 K, 0K= -273 oC): 1814 1795 1194
沸點(凱氏 K, 0K= -273 oC): 3104 3611 3730
密度(克/厘米3):   2.989 (273K) 4.469 (293K) 6.145 (298K)
主要光譜線波長(nm): 391.181 410.24 550.134
己知同位素數目(個):  15 21 19
同位素質量範圍: 40 - 50 82 - 96 126 - 144
地表中豐度(ppm): 25 31 35
海水中豐度(ppm): 4x 10-5 0.0003 0.0003
生物學上的角色:  無(毒性未瞭) 無(可能低毒性) 無(中度毒性)

 館 藏 概 要

樣本狀態:(一般採用玻璃熔封) 塊狀, 99.9% 片狀, 99.9%, 表面略有氧化膜 塊狀,>99.5%,雜質(Pr 0.1%, Ce 0.01%)於氦(He)氣氛中保護以防表面氧化
首次收集的日期: 11/05/1991 09/01/1991 12/10/1990
館藏編號: NGE-75 NGE-66 NGE-54

 

化合物

鈧(Sc)唯一的化合價為+3, 從化合物得知: Sc+3是中性原子失去 3d14s2而形成的, 故此它不具有過渡元素的特性, 它的性質與 IIIA族的鋁元素較為相近。釔(Y)和鑭(La)則具較強烈的過渡金屬性質。

ScIII    (Sc+3 )     :     氯化鈧 (ScCl3)
YIII      (Y+3 )      :     氯化釔 (YCl3)
LaIII    (La+3)     :     硝酸鑭 [ La(NO3)3 . 6H2O ]


鑭系元素 (Lanthanides), Ln

這族共有14個(如將鑭併入, 共15個)元素, 隨著原子序數的順次増加, 電子填入次外層(4f殼層)中, 而最外層價電子(即5s及5p層電子, 參與化學反應的電子)仍然保持不變, 這一來引致它們的化學性質極為相似的主因。由於鑭系收縮(Lanthanide contraction: 鑭系元素原子半徑和離子半徑隨原子序數増大而減少)的影響, 使它們性質呈規律性變化, 其中銪(Eu)和鐿(Yb)較為反常, 而致出現本系元素中較為特殊的成員, 它有+2價化合物很穩定。鑭系金屬的活潑性和 IIA族元素相似: 鑭、鈰和銪在空氣迅速氧化, 銪是鑭系最活潑的金屬, 與冷水已發生激烈反應(甚至較IIA族重元素更甚), 鐠、釹和釤在空氣緩慢地氧化, 其他鑭系金屬在空氣中穩定 所有鑭系元素都易溶於稀酸中

 


 
 
 鑭 (La): 明顯但緩地反應;   鐠 (Pr)及釹 (Nd): 反應很緩慢;   釤(Sm): 反應較明顯; 銪 (Eu): 猛烈地反應; 銩(Tm)、鐿 (Yb) 及釔(Y): 無反應]

元素: 

鈰   Ce 鐠    Pr 釹     Nd 釤    Sm 銪     Eu 釓      Gd
拉丁文學名: Cerium Praseodymium Neodymium Samarium Europium Gadolinium
命名辭源(含意): Ceres (谷神星) prasios didymos(綠色 孿生) neos didymos
(新的孿生)
samarskite                         
(鈮酸釔礦)
Europe (歐洲) Gadolin(加多林, 芬蘭化學家)
發現者(國家), 年代: Berzelius et Hisinger (瑞典), 1803 Welsbach                       
(奧地利), 1885
Pr Boisbaudran (), 1879  Damarcay(), 1901 Marignac (瑞士), 1880
原子序數:  58 59 60 62 63 64
原子量: 140.12 140.9077 144.24 150.36 151.96 157.25
熔點(凱氏 K, 0K= -273 oC): 1072 1204 1294 1350 1095 1586
沸點(凱氏 K, 0K= -273 oC): 3699 3785 3341 2064 1870 3539
密度(克/厘米3):   8.240  6.773 (293K) 7.007 (293K)  7.520 (293K)  5.243 (293K) 7.9004 (298K)
主要光譜線波長(nm): 520.004 495.136 463.424  429.674 459.403 368.413
己知同位素數目(個):  19 15  16  17  21 17
同位素質量範圍: 132 - 148 134 - 148 138 - 151 142 - 157 144 - 160 145 - 161
地表中豐度(ppm): 66 9.1 40 7.0 2.1 6.1
海水中豐度(ppm): 0.0004 2x 10-7  3x 10-6 2x 10-7 4x 10-8  2x 10-7
生物學上的角色:  無(低毒性) 無(中度毒性) 無(毒性未瞭) 無(低毒性) 無(毒性未瞭)

 館 藏 概 要

樣本狀態:(一般採用玻璃熔封) 塊狀, 99.5%, 雜質(Fe及其他稀土金屬合共約 0.5%),於氬(Ar)氣氛中保護以防表面氧化 塊狀 (>99%) 塊狀 (>99%) 塊狀, 純度99.9%, 雜質(Pr, Nd,Eu, Gd, Y,以氧化物計:0.1%, CaO+MgO0.05%) 塊狀,純度: 99%, 於液狀石蠟中以防氧化 塊狀, 純度99.5%, 雜質(Sm, Eu, Tb, Dy, Y, 以氧化物計0.1%, CaO+MgO: 0.3%)
首次收集的日期: 05/12/1990 03/11/1990 12/10/1990 09/01/1991 06/1994 03/02/1991
館藏編號: NGE-63 NGE-62 NGE-56 NGE-67 NGE-77 NGE-69

元素: 

鋱     Tb 鏑     Dy 鈥     Ho 鉺     Er 銩     Tm 鐿     Yb 鑥     Lu
拉丁文學名: Terbium Dysprosium Holmium Erbium Thulium Ytterbium Lutetium
命名辭源(含意): Ytterby (乙特比鎮, 見釔) dysprositos (難以取得) Holmia (斯德哥爾摩古稱 Ytterby                       
 (乙特比鎮), 見釔
Thule(斯堪的納維亞半島古稱 Ytterby (乙特比鎮, 見釔) Lutetia (巴黎古稱)
發現者(國家), 年代: Mosander (瑞典), 1843 Boisbaudran(), 1886 Cleve(瑞典)et Soret(瑞士),1878 Mosander (瑞典), 1842 Cleve(瑞典), 1879 Marignac (瑞士), 1878 Urbain(), 1907
原子序數:  65 66 67 68 69 70 71
原子量: 158.9254 162.50 164.9304 167.26 168.93 173.04 174.97
熔點(凱氏K 0K= -273 oC): 1629 1685 1747 1802 1818 1097 1936
沸點(凱氏K,0K= -273 oC): 3396 2835 2968 3136 2220 1466 3668
密度(克/厘米3):   8.229 (293K) 8.550 (293K) 8.795 (298K) 9.066 (298K) 9.321 (293K) 6.965 (293K)  9.840 (298K)
主要光譜線波長(nm): 432.647 421.172 410.384 400.797 409.419 398.799 335.956
己知同位素數目(個):  24 21 29 16 18 16 22
同位素質量範圍: 147 - 164 149 - 167 151 - 170 158 - 172 161 - 176 164 - 177 167 - 180
地表中豐度(ppm): 1.2 4.5 1.3 3.5 0.5 3.1 0.8
海水中豐度(ppm): 2x 10-7 2x 10-7 8x 10-8 2x 10-7 4x 10-8  2x 10-7 4x 10-8
生物學上的角色:  無(毒性未瞭) 無(毒性未瞭) 無(低毒性) 無(低毒性) 無(低毒性) 無(無毒) 無(低毒性)

 館 藏 概 要

樣本狀態:(一般採用玻璃熔封) 塊狀, 真空重熔, 純度99.9% 塊狀, 純度: 99.9% 雜質(Ho, Y及其他稀土):0.1% 塊狀, 99.9% 塊狀, 純度:99.5%, 雜質(Dy, Ho,Tm,Yb, Y,以拿化物計: 0.1%, CaO+MgO: 0.3%) 塊狀, 99.9% 塊狀 純度:99.9% 塊狀, 純度: 99.9%
首次收集的日期: 01/06/1991 06/12/1990 13/04/1991 03/02/1991 29/09/2000 06/1994 17/11/2000
館藏編號: NGE-76 NGE-65 NGE-73 NGE-68 NGE-81 NGE-78 NGE-82

化合物

稀土元素的氧化態多呈 +3價, 鑭系中銪鐿有+2價, 鈰有 +4價

 

CeIII    (Ce+3)    :  三氯化鈰 (CeCl3)                                                     CeIV    (Ce+4)   :  硫酸高鈰 [Ce(SO4)2 . 4H2O ]
PrIII     (Pr+3)     :  氯化鐠 (PrCl3)                                                          NdIII   (Nd+3)   :  氯化釹 (NdCl3)
SmIII    (Sm+3)   :  氯化釤 (SmCl3)                                                        EuIII    (Eu+3)    :  氯化銪 (EuCl3)
GdIII    (Gd+3)    :  氯化釓 (GdCl3)                                                        TbIII    (Tb+3)   :  氯化鋱 (TbCl3)
DyIII    (Dy+3)     :  氯化鏑 (DyCl3)                                                        HoIII    (Ho+3)  :  氯化鈥 (HoCl3)
ErIII    (Er+3)      :  氯化鉺 (ErCl3)                                                         TmIII   (Tm+3)  :  氯化銩 (TmCl3)
YbIII    (Yb+3)    :  氯化鐿 (YbCl3)                                                         LuIII    (Lu+3)   :  氯化鑥 (LuCl3)


錒系元素 (Actinides), An
這族共有14個(如將錒併入, 共15個)元素, 它們全為放射性金屬, 它包括一系列由錒~鐒, 錒、釷、鏷和鈾存在於自然界, 鈾(U, 92)以後的元素稱為超鈾元素, 由於它們的半衰期較短, 天然產生的超鈾元素很可能隨著地球發展歲月而消失, 現時祗能以人工合成的方法重現 
根據G.T.西博格博士的理論: 錒以後的元素逐次充填5f內層電子, 直至充滿14個5f個電子為止, 由於原子的最外層電子構型相同, 與鑭系元素一般, 錒系亦組成了特殊的群類

這組元素亦有錒系收縮現象, 錒系金屬性質與週期表內相應的元素相似。釷在空氣中較穩定, 鈾則迅速氧化, 生成黑色的氧化層。

請按此參閱 鎇(Americium)元素的專題

 


二氧化鎇( AmO2)在金屬鉗堝中

 

圖片來源: 

  http://www.apsidium.com/


硝酸鈾銑(硝酸氧鈾) UO2(NO3)2.6H2O, 本室以鈾金屬為原料合成的一種重要鈾化合物, 輻射活度: 平均 5.8 kBq/g

右圖為受紫外光照射時發出強烈的螢光現象

[最右側圖] 二次世界大戰時軍在廣島投下的"小男孩"鈾原子彈的模型, 模型旁側放置鈾元素的樣本 (延陵博物館, 館藏編號: NG-027-A-REF)

 IIIB族元素的保存: 本族部分元素在空氣中很穩定, 採取一般的方法便可長期收藏。而鑭、鈰、鐠、釹、釤、銪、鈾和鎇在空氣不穩定, 必須密封或浸入煤油保存, 其他稀土則儲存於密閉容器中即可, 本室目前收集的錒系元素, 全為α發射核素, 其射線可用玻璃遮擋

、釔及大多數鑭系元素對人體的影響不明, 但錒系元素不僅具化學毒性, 更甚者, 它們全是有放射性, 長期接受會引致癌症, 所以操作這些元素應先作評估, 并自行佩帶安全設備。使用完畢產生具有放射性的廢液必需妥善處理,  以確保環境不受污染。

元素: 

釷      Th 鈾      U 鎇     Am
拉丁文學名: Thorium Uranium Americium
命名辭源(含意): Thor (神話中雷神) Uranus (天王星 America (美洲)
發現者(國家), 年代: Berzelius(瑞典), 1815 Klaproth (), 1789 Seaborg et al. (), 1944
原子序數:  90 92 95
原子量: 232.0381 238.028 (243)
熔點(凱氏 K, 0K= -273 oC): 2023 1405.5 1267
沸點(凱氏 K, 0K= -273 oC): 約 5060 4018 2880
密度(克/厘米3):   11.720 (293K) 18.950 (293K) 13.670 (293K)
主要光譜線波長(nm): 324.445 358.488 605.464
己知同位素數目(個):  12 15 13
同位素質量範圍: 223 - 234 227 - 240 237 - 247
地表中豐度(ppm): 8.1 2.3 無 (人工元素)
海水中豐度(ppm): 0.0007 0.003
生物學上的角色:  無(低毒性, 但具放射危害性) 無(放射危害性) 放射危害性
館 藏 概 要
樣本狀態:(一般採用玻璃熔封) 1. 片狀, 99.95%, 2.純度99.8%, 以20篩目粉末壓塊, 浸於液狀石蠟中以防氧化 碎屑狀,純度99.98%,  除氧化層後嚴封於充氬氣氛中保護 粒狀, 保存於氬氣(不排除有微量空氣)的氣氛中, 純度>98%, 主要雜質約1%的鎿(Np, 93號元素),為鎇的放射產物
首次收集的日期: 27/02/1991 27/07/2000 22/05/2003
館藏編號: NGE-70 NGE-80 NGE-83

 

化合物

與鑭系元素相比, 錒系存在更高的氧化態化合物, 由+3 至 +6價, 其中釷和鏷沒有+3價的化合物, 鈾和鎿的+3不穩定

  

ThIV    (Th+4)    :  硝酸釷 [ Th(NO3)4 ]                                                     UVI    (UO2+2)   :  硝酸氧鈾 [UO2(NO3)2.6H2O ]


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