鑭系元素

**鑭系元素**是第 57 號元素鑭到 71 號元素鎦（或稱鑥）共 15 種化學元素的統稱。鑭系元素位於元素週期表第 6 週期的鋇與鉿之間，位於錒系元素上方，但通常為了避免週期表形狀過寬影響觀看，而將鑭系和錒系元素移至週期表下方獨立列出。鑭系元素可用符號 **Ln** 來表示。

除了屬於 d 區的鎦之外，所有鑭系元素都是 f 區元素，鑭系元素原子基態的電子組態是 4f0~145d0~16s2，其原子的外層和次外層的電子組態基本相同，新增加的電子則大都填入從外側數進來的第三個電子層（即 4f 電子層）中，所以鑭系元素又可以稱為 4f 系。由於鑭系元素都是金屬，故可和錒系元素統稱為 f 區金屬。為了區別於週期表中的 d 區過渡元素，故又將鑭系元素及錒系元素合稱為內過渡元素。

鑭系元素和 3 族的釔、鈧兩元素合稱為稀土元素，由於它們外層的電子組態基本相同，都傾向形成 + 3 價的陽離子，故彼此之間具有非常相似的化學性質，經常在礦物中共生存在，難以相互分離，再加上它們在地殼中的分布相當分散，因而造成開採上的困難。由於外層電子組態的高度相同性，鑭系元素物理和化學性質的相異性主要透過原子半徑的差異來展現，鑭系收縮現象使得鑭系元素的熔點、硬度、密度和金屬活動性等性質隨著原子序的漸增而有趨勢性的變化。此外，由於電子組態的差異，雖然所有鑭系元素都能形成化學性質類似的 + 3 價化合物，個別鑭系元素如鈰、釤、銪等也能生成穩定性不一的 + 2 價或 + 4 價化合物，所以 15 個鑭系元素之間的化學性質並不完全相同。此外每個鑭系元素在光學、電磁學等物理性質方面也有各自的特殊性。

由於鎦在週期表中屬於 d 區，而其他鑭系元素位於 f 區，因此有人認為鎦應該是過渡金屬而非鑭系元素。但為了方便敘述，現今仍習慣將其與鑭系合稱。參見錒系元素中關於鐒的地位的爭議，以及有關 3 族元素定義的爭論。

## 性質

鑭系元素皆為銀灰色有光澤的金屬，晶體結構多為六方最密堆積（HCP）或面心立方（FCC）。鑭系元素的性質較軟，彼此之間具有相似的化學性質，在潮濕空氣中不易保存，易溶於稀酸。

鑭系元素的原子半徑隨著原子序增加而逐漸縮小，稱作鑭系收縮現象，因此越重的鑭系元素其硬度、密度及熔點越高，鹼性及化學活潑性越低。較輕的鑭系元素（如鑭、鈰、鐠等）暴露在空氣中表層會快速氧化，在表面形成疏鬆易碎的氧化層，並持續往內侵蝕，因此需要保存在礦物油中；而較重的鑭系元素（如鈥、鉺、銩等）則可穩定存在於空氣中。不過 63 號的銪是鑭系收縮現象最顯著的一大例外，是原子半徑最大、密度最低且最活潑的鑭系元素，在空氣中會迅速氧化，就算浸在礦物油中，表面也總是被氧化層覆蓋而失去金屬光澤。鐿是鑭系收縮現象的另一例外。

鑭系元素的化合價主要是 + 3 價（鈰的 + 4 價較其他鑭系元素來得穩定，鐠和鋱也有極個別的 + 4 價氧化物，釤、銪、鐿有 + 2 價化合物），能形成穩定的錯合物及微溶於水的草酸鹽、氟化物、碳酸鹽、磷酸鹽及氫氧化物等。

在鑭系元素的 + 3 價氧化物中，氧化鑭的吸水性和鹼性與氧化鈣相似，其餘則隨著原子序增加依次轉弱。+3 價鑭系元素的化學性質彼此都很相似，所以難以將它們相互分離。

鑭系元素具有順磁性（鑭的化合物除外），而鑭的化合物則呈反磁性。釓在溫度低於 16°C（釓的居禮點）時會變為鐵磁性，是除了鐵系元素（鐵、鈷和鎳）外唯一能在接近室溫的環境下產生鐵磁性的金屬元素。至於其他較重的鑭系元素 —— 鋱、鏑、鈥、鉺、銩和鐿 —— 在更低的溫度下也會呈現出鐵磁性。

鉕是唯一一個沒有穩定同位素的鑭系元素，其壽命最長的同位素 145Pm 的半衰期為 17.7 年，會衰變成接近穩定的 145Nd，再衰變成 141Ce，最後衰變成穩定的 141Pr。

## 氧化態

鑭系元素在固態、水溶液中或其他溶劑中的特徵氧化態是 + 3。由於鑭系元素在氣態時，失去兩個 6s 電子和一個 5d 電子或失去兩個 6s 電子和一個 4f 電子所需的游離能比較低，所以一般能形成穩定的 + 3 氧化態。除 + 3 特徵氧化態外，鑭系元素還存在著一些不常見的氧化態。例如：鈰、鐠、釹、鋱、鏑存在 + 4 氧化態，原因是它們的 4f 層保持或接近全空、半滿或全充滿的狀態比較穩定，但只有 + 4 氧化態的鈰能存在於溶液中，它是很強的氧化劑。

同理，釹、釤、銪、銩、鐿還存在 + 2 氧化態，其中 + 2 態銪的穩定性是最高的。

## 原子半徑和離子半徑（鑭系收縮）

鑭系元素的原子半徑和離子半徑隨原子序數的增加而逐漸減小，這種的現象稱為**鑭系收縮**。

鑭系收縮現象的存在讓鑭系元素之間的原子半徑與離子半徑產生不同，從而讓它們的物理及化學性質呈現趨勢性的差異。如果沒有鑭系收縮現象，鑭系元素的分離將會變得極為困難。

## 離子的顏色

 

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## 分布

鑭系元素在地殼中常和釔一同出現在獨居石、氟碳鈰礦、磷釔礦和矽鈹釔礦等稀土礦物中，而豐度也和大部份過渡金屬相當，不過由於它們彼此之間的化學性質非常相似，因此不易從其礦石中萃取。這些礦物中通常也含有不少的錒系元素釷。

具放射性的鉕由於半衰期很短，在自然界中僅痕量存在，任何時刻地殼中其總存量都不到 1 公斤，因此通常由人工合成的方式生產。

## 用途

* **參見：**稀土元素

鑭系元素及其化合物在工業上有很多重要用途，但與其他元素相比用量相對較小。每年約有 15000 噸鑭系元素被用作催化劑和用於玻璃生產，相當於 85% 左右的鑭系元素年產量。但從價值的角度來看，鑭系元素在磁鐵和磷光體方面的應用更為重要。

鑭系元素在工業上的常見應用包括稀土磁鐵（如釹磁鐵、釤鈷磁鐵）、超導體（如釔鋇銅氧高溫超導體）、高折射率光學玻璃、拋光粉、精煉催化劑、鎂合金和混合動力汽車部件（主要為電池和磁鐵）等。鑭系元素離子被用作雷射器發光材料中的活性界質，例如摻釹釔鋁石榴石（Nd:YAG）雷射器等，廣泛用於醫學、牙科和工業等領域。摻鉺光纖放大器是光纖通訊系統中的重要器件。摻雜銪、鋱等鑭系元素離子的磷光體在陰極射線管中作為顯色材料，在上個世紀廣泛用於彩色電視機。將二氧化鈰等鑭系元素氧化物與鎢混合後作為電極可改善鎢極氣體保護電弧焊在高溫下的焊接性能，以取代因其微放射性而有安全疑慮的二氧化釷。由於釓化合物具有高度的順磁性，釓的螯合物被廣泛用作磁振造影的顯影劑。

隨著近年來鑭系元素的用途、應用和需求不斷增長，價格也不斷水漲船高。在石油流化催化裂化過程中用作催化劑的氧化鑭價格從 2010 年初的每公斤 5 美元上漲到 2011 年 6 月的每公斤 140 美元。釹磁鐵作為目前最主要的永久磁鐵類型，用於混合動力汽車、插電式混合動力車、電動汽車、風力發電機等機具之高效率馬達，其市場需求量每年以 20%~30% 的幅度遞增，其中所需的釹、鐠、鏑及鋱等鑭系元素將可能成為世界上地緣政治競爭的主要資源對象之一，尤其豐度較低的重鑭系元素鏑及鋱將很快面臨資源短缺的困境。

## 對生物的影響

鑭系元素在生物圈中的利用度很低。除了少數嗜甲烷菌外，目前沒有發現鑭系元素在其他生物體中發揮任何生物學作用。但與大多數其他非礦物質元素相比，鑭系元素被認為毒性較低。

鑭、鈰等輕鑭系元素對於火山泥溫泉中的嗜甲烷菌（如 _Methylacidiphilum fumariolicum_、_Methylorubrum extorquens_ 和 _Methylobacterium radiotolerans_ 等）至關重要，是其體內甲醇脫氫酶的重要輔助因子。由於輕鑭系元素間彼此化學性質的高度相似性，菌體內的鑭、鈰、鐠和釹可以相互取代而不會對菌體產生任何不良影響。若以釤、銪或釓等質量稍重的鑭系元素取代，除了使它們生長緩慢外亦沒有其他副作用。

儘管放射性的鉕可能和其他鑭系元素一樣化學毒性較低，由於其衰變時釋放的 γ 射線可能引發輻射中毒，因此對生物而言是高毒性的物質。

## 參考文獻

## 參見

* 稀土元素
* 錒系元素
* 鉑系元素
* 鐵系元素