f區:鑭系與錒系

鑭系元素(lanthanides,4f 系)

/ LAN-thuh-nides /

在主週期表下方單獨的一行裡,藏著十五種銀白色金屬,多數人從未叫得出它們的名字,卻天天與之打交道——手機揚聲器、相機鏡頭、LED 螢幕上紅綠的光點、耳機裡的磁鐵。這就是鑭系元素:從鈰到鑥共十四個元素,再加上鑭本身,它們的共同點是一組深埋在內部、名為 4f 殼層的軌道正被一個一個地填滿電子。

把它們聯繫在一起的,是新加進來的電子填入的 4f 軌道,位於外層的 5s、5p、6s 電子之下——好比往地下室添置傢俱,而一樓始終原封不動。由於一個原子的化學性質主要由它最外層的電子決定,而鑭系元素總是交出同樣的外層電子(生成著名的 +3 離子),這十五個元素表現得驚人地相似:它們形成無色到淺色、以離子性為主的化合物,與水和酸反應,整行從頭到尾一再呈現 +3 氧化態。週期表通常承諾,橫跨一行時元素性格會改變;鑭系元素卻悄悄打破了這個承諾。

它們之所以重要,正因為這種近乎雷同的性質既是福也是禍。這意味著少數幾種相近的金屬可以分別為磁鐵(釹)、螢光粉與雷射(銪、釹、鉺)以及催化劑(鈰)量身定製——但也使它們彼此極難分離,因為化學幾乎分辨不出它們。一個該明說的提醒:「稀土」是個歷史誤稱。多數鑭系元素在地殼中並不特別稀少(鈰比銅還多),它們只是分散、難以提純而已。

鑭到鑥被寫成週期表下方單獨的一條,好讓主表格保持合適的寬度。把它們當中幾乎任何一個溶於酸,都得到 +3 水合離子:La3+ 與 Lu3+ 無色,而 Nd3+ 呈淡紫、Pr3+ 呈綠——這些顏色正是各自 4f 電子數目的指紋。

十五種近乎相同的金屬;它們 +3 離子的顏色隨 4f 電子數而變。

鑭和鑥到底算不算 f 區元素,是個長期爭論的問題;鑭沒有 4f 電子,鑥的 4f 殼層已滿,所以有些化學家把它們歸入 d 區。出於實用考慮,這十五個元素被放在一起研究。

又稱
lanthanoidsrare earth metals4f elements镧系稀土金属