在我们学习化学的时候，我们或许会很少接触到副族元素化合物本身的物理~化学性质。所以相当一部分人对于副族元素还是一片空白的，今天就让我来介绍一下副族元素之中的其中一员 —— f区元素兄弟们的一些性质。

f区元素包括周期系中第57～70号（镧系，用符号Ln表示）和89～102号（锕系，用符号An表示）共28种元素。它们原子的价电子层构型为：(n-2)f0-14(n-1)d0-2ns2，新增电子主要排布在(n-2)f亚层，因而又称内过渡元素。Ln元素是我国丰产的希土元素的主要成员，本章作一概述。An元素是放射性元素，并且从95号元素镅Am开始均为人工合成元素，至今尚未在自然界发现。对于放射性和核反应，这里不作讨论。

17．1  镧系元素通性  
17．1．1  价层电子构型  
Ln元素原子最后填充的电子大都进入4f亚层。由于洪特规则，并且4f和5d能级的能量比较接近，使得57号La（4f05d16s2）、58号Ce（4f15d16s2）、64号Gd（4f75d16s2）的原子都在5d能级上填充1个电子。71号元素Lu（4f145d16s2）原子在完成4f填充后增加1个5d电子，应属d区元素。但Lu的性质与Ln很相似，过去也把它作为Ln元素，这里也将Lu与Ln元素放在一起讨论。

由原子和离子的电子层结构可知，除La以外，其它Ln元素的原子和Ln3+离子都有4f电子。La原子没有4f电子，有一种看法是由于4f和5d能级的能量较接近，并且La的原子实[Xe]具有较大的屏蔽作用，使其外能级组受原子核的作用较小而尽量排在离核较远的5d亚层，因此造成La原子的价层电子构型不是4f15d06s2，而是4f05d16s2。同样，Ce原子的价层电子构型也不是4f25d06s2，而是4f15d16s2。但是，La和Ce与其它Ln元素的性质仍十分相似。例如它们常见的氧化值都是+3等。

17．1．2  原子半径和离子半径、镧系收缩  
Ln元素的原子半径及Ln3+离子半径，在总的趋势上都随原子核电荷数的增大而减小，这一现象称为镧系收缩。

镧系收缩的产生与其原子的电子层结构密切相关。在Ln元素的原子中，电子逐个填充4f亚层，由于f电子云对原子核的屏蔽并不完全。造成随核电荷的递增，每增加一个4f电子，有效核电荷逐渐增大，结果使原子半径逐渐缩小。尽管每增加一个f电子，原子半径的缩小并不大，但依次填充14个f电子后整个镧系收缩却是可观的。在Ln原子半径的收缩过程中，有两处突跃，即Eu（4f75d06s2）和Yb（4f145d06s2）的原子半径突然增大，这是由于Eu和Yb各自具有半充满和全充满的4f亚层，这一相对稳定结构对核电荷屏蔽增大，它们的原子半径明显增大。对于Ln3+离子，其半径收缩更为明显，而且4f亚层已暴露为最外层，电子结构单调变化使Ln3+离子半径呈有规律的收缩。

镧系收缩结果之一，就是使得Ln以后的各元素Lu、Hf、Ta、W等的原子半径相应缩小，与第五周期的同族元素Y、Zr、Nb、Mo非常接近，造成Zr和Hf、Nb和Ta、Mo和W的性质非常相似。而Zr、Nb、Mo与第四周期的同族元素Ti、V、Cr则因原子或离子半径相差较大而性质差异也较大。这一后果在ⅧB族元素中也有反映，在ⅧB族中Fe、Co、Ni与Ru、Rh、Pd的性质大不相似，而Ru、Rh、Pd与Ln以后同族的Os、Ir、Pt的性质则很接近。因而通常把这六个元素合称为铂系元素；Fe、Co、Ni三个元素合称为铁系元素。

镧系收缩重要后果，使得第五周期的ⅢB族中的Y原子半径和Y3+离子半径落在Ln元素中间，造成Y性质与Ln元素非常相似，在自然界中也常与Ln元素共生在一起（包括Lu）。

镧系收缩是无机化学中的一个重要现象。压不仅表明Ln元素的原子半径和Ln3+离子半径既逐渐缩小、又比较接近，使Ln元素及其化合物的性质十分相似，而且受镧系收缩影响，使得具有4dn和5dn电子的原子半径也较接近，造成它们的元素和化合物性质也相似。