[科普] 稀土元素单质及化合物
镧系元素单质外观差不多，它们都是银白色略带黄色的金属。它们在空气中都容易氧化，以Gd为界可以分为轻稀土和重稀土。轻稀土易与水反应，以Eu最剧烈，并且在空气中会迅速氧化。重稀土空气中可以保持较长时间不氧化，常温下不与水反应。
镧系元素都有稳定的+3氧化态，并且大多是有色的(绿色，粉色，黄色)。Sm，Eu，Yb有+2氧化态，除了Eu2+以外，其他都可以将水还原而难以稳定存在溶液中。Tm也有二价，但更不稳定。Ce，Pr，Tb有四价，除了Ce4+外都可以氧化水，不能稳定在水溶液中，氧化物中比较稳定。Nd和Dy也有四价，更不稳定。
可以看出，氧化态的排布和离子的颜色基本呈周期性，而且一个二价离子的颜色与前一号元素三价离子颜色相近。稀土氧化物Ln2O3常用于工业制造中。稀土化合物有很多有意思的性质，有的稀土盐(Sm,Eu,Tb等)有荧光性，有的稀土盐(Nd,Er,Ho)有光致变色效应。
可以看出，氧化态的排布和离子的颜色基本呈周期性，而且一个二价离子的颜色与前一号元素三价离子颜色相近。稀土氧化物Ln2O3常用于工业制造中。稀土化合物有很多有意思的性质，有的稀土盐(Sm,Eu,Tb等)有荧光性，有的稀土盐(Nd,Er,Ho)有光致变色效应。
21号元素钪是最轻的稀土元素，价格也是稀土中最高的。它在自然界中非常分散，很少有独立矿物。除了水磷钪石和钪钇矿等极少几个矿物含有10%以上的Sc2O3，大多钪混杂在稀土矿物中，需要分离。钪在空气中会缓慢氧化。它主要应用在钪钠灯，轻质合金，太阳能电池，半导体材料，荧光粉等中，应用不多。
钪的化合物主要都是三价的。ScX3,ScPO4,Sc2(SO4)3,KScF4,Na3ScF6等都是很稳定的白色固体。卤化钪主要以二聚体存在。水溶液中有六水合钪离子，Sc(OH)2+,Sc(OH)2 +等存在。Sc的低氧化态主要是+2,比如黑色的ScH2,紫色的CsScCl3。
钪的化合物主要都是三价的。ScX3,ScPO4,Sc2(SO4)3,KScF4,Na3ScF6等都是很稳定的白色固体。卤化钪主要以二聚体存在。水溶液中有六水合钪离子，Sc(OH)2+,Sc(OH)2 +等存在。Sc的低氧化态主要是+2,比如黑色的ScH2,紫色的CsScCl3。
39号元素钇，是一种和钪很相似的金属，但是价格相比钪低很多。它性质与钇相似，也容易氧化，溶于稀酸，形成无色化合物。它是制造著名的钇钡铜氧(YBCO。)超导体的原料
来到第六周期的IIIB族，我们就进入了镧系元素。打头的57号元素镧也是一种性质和前面的钪，钇差不多的元素。它主要化合价就是+3，但低价不稳定化合物如LaI2也已经制得。它在地壳中含量很高，价格也十分便宜。与前两种不同的是，它更容易氧化，在空气中会迅速失去光泽而成黑色的块状。它会缓慢与水作用，生成白色的La(OH)3。
镧的三价化合物几乎都是白色的。但是，将带有氧化的金属镧溶于中等浓度硫酸或者硝酸，生成镧盐的同时还会生成一种粉红色的沉淀。镧和乙酸反应时也有类似现象，会生成棕色物。推测这是金属与氧化物的混合物
镧的三价化合物几乎都是白色的。但是，将带有氧化的金属镧溶于中等浓度硫酸或者硝酸，生成镧盐的同时还会生成一种粉红色的沉淀。镧和乙酸反应时也有类似现象，会生成棕色物。推测这是金属与氧化物的混合物
从铈开始，之后的稀土元素相对性质更丰富了一点。Ce储量很大，是镧系金属中价格最低的。铈主要用在打火石，特殊合金，荧光粉等中，生活中较常见。
就金属来讲，铈和其他镧系元素看起来没什么不同，都是活泼的，易溶于酸的金属。Ce溶于各种强酸，得到无色的Ce3+。Ce的特殊性在于它可以形成稳定的+4氧化态化合物。CeF4,CeO2,Ce(OH)4等都是浅橙色粉末，Ce(SO4)2,CeCl4都是黄色的，水合硝酸铈，硝酸铈铵等都是橙色晶体。加热下，还可以形成BaCeO3等固体。Ce(Ⅳ)是强氧化剂强度类似PbO2，与盐酸反应得到氯气，因此CeCl4与CeCl62-必须在较低温下制备。在氧化还原滴定中，硫酸高铈是常用的材料。
就金属来讲，铈和其他镧系元素看起来没什么不同，都是活泼的，易溶于酸的金属。Ce溶于各种强酸，得到无色的Ce3+。Ce的特殊性在于它可以形成稳定的+4氧化态化合物。CeF4,CeO2,Ce(OH)4等都是浅橙色粉末，Ce(SO4)2,CeCl4都是黄色的，水合硝酸铈，硝酸铈铵等都是橙色晶体。加热下，还可以形成BaCeO3等固体。Ce(Ⅳ)是强氧化剂强度类似PbO2，与盐酸反应得到氯气，因此CeCl4与CeCl62-必须在较低温下制备。在氧化还原滴定中，硫酸高铈是常用的材料。
镨，镧系元素的第三个。镨为略带黄色的银白色金属，易与酸反应，空气中会很快氧化得到黄绿色的粉末。镨主要用于有色镜片，打火石，磁性合金等。
Pr(III)为镨的主要氧化态，Pr 3+特征颜色为绿色。镨溶于酸十分迅速，得到绿色溶液。八水合的硫酸镨或者氯化镨呈现漂亮的苹果绿色，在水中溶解度不大，而且有水解性。在镨盐溶液中加入氟化钠，氢氧化钠等都可以形成浅绿色的沉淀。
Pr(IV)，镨的强氧化性氧化态，Pr 4+特征颜色为黄色。已成功制备的简单高镨盐很少，只有PrF4,Pr(SO4)2,Pr(NO3)4，它们都在极端条件下得到。比如Pr与F2反应无法得到PrF4，必须用低温下氧化性更强的KrF2才可以。它们都是白色或黄色固体，溶于水先显黄色之后氧化水迅速褪色。但是在六偏磷酸钠，碲酸盐等配体存在下，用过硫酸盐等可以氧化Pr(III)得到一些棕黄色的Pr(IV)配合物。PrO2是最容易制备的，用过硫酸盐氧化Pr(OH)3可以得到它，它是棕黑色的，氧化性比PbO2更强。
Pr(III)为镨的主要氧化态，Pr 3+特征颜色为绿色。镨溶于酸十分迅速，得到绿色溶液。八水合的硫酸镨或者氯化镨呈现漂亮的苹果绿色，在水中溶解度不大，而且有水解性。在镨盐溶液中加入氟化钠，氢氧化钠等都可以形成浅绿色的沉淀。
Pr(IV)，镨的强氧化性氧化态，Pr 4+特征颜色为黄色。已成功制备的简单高镨盐很少，只有PrF4,Pr(SO4)2,Pr(NO3)4，它们都在极端条件下得到。比如Pr与F2反应无法得到PrF4，必须用低温下氧化性更强的KrF2才可以。它们都是白色或黄色固体，溶于水先显黄色之后氧化水迅速褪色。但是在六偏磷酸钠，碲酸盐等配体存在下，用过硫酸盐等可以氧化Pr(III)得到一些棕黄色的Pr(IV)配合物。PrO2是最容易制备的，用过硫酸盐氧化Pr(OH)3可以得到它，它是棕黑色的，氧化性比PbO2更强。
镧系第四个金属－钕Nd，是活泼容易氧化，在空气中放置就变为灰色。溶于强酸时，它形成粉红色的溶液。Nd3+是镧系离子中第一个有光致变色效果的。
Nd(III):钕作为镧系元素的本征价态。水合的钕盐有美丽的紫红色，硫酸盐可以做晶体。由于4f电子的存在，它有光致变色效果。当不同波长光照射水合钕盐时，Nd(III)的电子结构会发生不同的改变，产生不同的跃迁，使其吸收光谱发生改变。所以，钕盐通常有粉紫色与浅灰色两种颜色。
Nd(IV):镧系的四价除了Ce,Pr,Tb的之外都是很不稳定的，但是在剩下的元素中Nd,Dy相对更稳定。因此曾经有过NdO2与水溶液中Nd(IV)化合物的报道，虽然未能重复。将BaCeO3与Nd2O3共热，固体变黑，表明有少量Nd(IV)取代了Ce(IV)。
Nd(III):钕作为镧系元素的本征价态。水合的钕盐有美丽的紫红色，硫酸盐可以做晶体。由于4f电子的存在，它有光致变色效果。当不同波长光照射水合钕盐时，Nd(III)的电子结构会发生不同的改变，产生不同的跃迁，使其吸收光谱发生改变。所以，钕盐通常有粉紫色与浅灰色两种颜色。
Nd(IV):镧系的四价除了Ce,Pr,Tb的之外都是很不稳定的，但是在剩下的元素中Nd,Dy相对更稳定。因此曾经有过NdO2与水溶液中Nd(IV)化合物的报道，虽然未能重复。将BaCeO3与Nd2O3共热，固体变黑，表明有少量Nd(IV)取代了Ce(IV)。
镧系第五个元素－－钷，是一种放射性元素，也是镧系中最稀有的元素，地壳中含量微乎其微，要想看见它的可见量单质几乎是不可能的，除非在世界上少数的顶尖实验室中。它曾经在上世纪短暂的一段时间内做过荧光粉添加剂，那时正值Ra涂料衰落而氚管还没有普及的时期，这也大概是Pm在生活中的唯一用途了。现在留有Pm的物件已经很少，图中的手表指针中可能含有微量Pm。
钷是一种活泼金属，性质与它旁边的Nd,Sm差不多。它几乎没有+2或者+4的化合物，钷盐有类似Ho的光致变色效果(紫色或黄色)。PmF3浅红色，Pm(NO3)3紫色(黄色)，Pm2O3黄色(粉紫色)。
钷是一种活泼金属，性质与它旁边的Nd,Sm差不多。它几乎没有+2或者+4的化合物，钷盐有类似Ho的光致变色效果(紫色或黄色)。PmF3浅红色，Pm(NO3)3紫色(黄色)，Pm2O3黄色(粉紫色)。
镧系第六个元素－钐(Sm),是一种浅黄色金属，市售品通常是条状的蒸馏产物。相比前几个元素单质，钐在空气中氧化较慢，但是久置后也会变为淡黄色粉末Sm2O3。钐主要用于做应用广泛的钐钴磁铁。
Sm(II): 镧系元素+2氧化态稳定性Eu2+>Yb2+>Sm2+>其他，因此钐是第一个有比较稳定二价化合物的镧系元素。Sm(II)特征颜色为红色，还原性非常强，可以把水还原为氢气。水溶液中红色的Sm(II)可以由Sm溶于浓盐酸或者SmCl3电解还原时短暂得到，在这种溶液中加入SO4 2-,沉淀出橙色SmSO4。由它可以得到棕色SmCO3和绿色Sm(OH)2。它们是极易被空气氧化的。含有结晶水的亚钐盐不稳定，因为结晶水会被还原，所以分离得到的固体SmX2都是无水物。如有机中常用的温和还原剂SmI2，就是无水物溶于THF得到蓝色溶液出售的。
Sm(III):钐的本征价态，可以形成各种黄色的盐。含水的钐盐在一定波长的紫外线下发出微弱的红光。
Sm(II): 镧系元素+2氧化态稳定性Eu2+>Yb2+>Sm2+>其他，因此钐是第一个有比较稳定二价化合物的镧系元素。Sm(II)特征颜色为红色，还原性非常强，可以把水还原为氢气。水溶液中红色的Sm(II)可以由Sm溶于浓盐酸或者SmCl3电解还原时短暂得到，在这种溶液中加入SO4 2-,沉淀出橙色SmSO4。由它可以得到棕色SmCO3和绿色Sm(OH)2。它们是极易被空气氧化的。含有结晶水的亚钐盐不稳定，因为结晶水会被还原，所以分离得到的固体SmX2都是无水物。如有机中常用的温和还原剂SmI2，就是无水物溶于THF得到蓝色溶液出售的。
Sm(III):钐的本征价态，可以形成各种黄色的盐。含水的钐盐在一定波长的紫外线下发出微弱的红光。
镧系No.7，铕(Eu)，是一种特殊的元素。它的单质比其他稀土金属都活泼，空气中会迅速被深色的氧化膜覆盖，即使在油中也会变为黄绿色而看不到金属光泽。常温下遇水剧烈反应，类似Ba，并且生成柠檬黄色的沉淀(Eu(OH)2)。因此单质铕必须在油中或者玻封保存。铕主要用于荧光粉。
Eu(II):铕的二价是所有镧系二价中最稳定的，特征颜色为草黄色，它可以形成种类繁多的盐。水溶液中的Eu2+还原性很强，类似Ti3+,可以由锌还原得到。常见的亚铕盐有:EuX2,黄色的EuCl2.2HCl,白色沉淀EuSO4,黄色沉淀EuCO3,橙色沉淀EuC2O4等。水合亚铕盐在紫外线下发蓝色荧光。
Eu(III):铕盐为白色固体有亮粉红色荧光。Eu2O3在白天显很浅的粉红色，大概有荧光的原因。将铕盐制成有机配合物，可以增强发光性能。
Eu(II):铕的二价是所有镧系二价中最稳定的，特征颜色为草黄色，它可以形成种类繁多的盐。水溶液中的Eu2+还原性很强，类似Ti3+,可以由锌还原得到。常见的亚铕盐有:EuX2,黄色的EuCl2.2HCl,白色沉淀EuSO4,黄色沉淀EuCO3,橙色沉淀EuC2O4等。水合亚铕盐在紫外线下发蓝色荧光。
Eu(III):铕盐为白色固体有亮粉红色荧光。Eu2O3在白天显很浅的粉红色，大概有荧光的原因。将铕盐制成有机配合物，可以增强发光性能。
镧系No.8——钆(Gd)是轻稀土和重稀土的分界。从钆开始，后面的稀土金属活泼性显著比前面几个降低。钆是一种光泽比较暗的金属，在稀土金属中铁磁性最强，溶于酸，在空气中氧化很缓慢，遇水常温下是不反应的。钆的作用主要是作为合金添加元素，核磁共振剂，磁性材料。
Gd主要化合态为+3，形成无色的钆盐。它的盐化学性质与其它金属基本一样。
Gd主要化合态为+3，形成无色的钆盐。它的盐化学性质与其它金属基本一样。
镧系第九个元素铽，又是一种可以形成稳定四价的元素。金属铽空气中会缓慢氧化，溶于多数强酸形成无色的盐。
Tb(III):铽的本征价态，盐为无色或很淡的粉红色。水合铽盐在一定波长紫外线下发出黄绿色荧光，比U(VI)的偏黄一点。
Tb(IV):四价铽稳定性不如铈但比镨的容易形成，但是对其研究不如镨的多。文献记载的简单盐只有TbF4。此外，一些配合物，如六偏磷酸钠，碲酸钠等与之在氧化剂作用下配合的，在溶液中显出红棕色，并且久置会分解。类似PrO2，强氧化剂氧化下可以得到棕色的TbO2。市售Tb4O7用醋酸溶解三价的部分，留下的就是TbO2。它是一种强氧化剂
Tb(III):铽的本征价态，盐为无色或很淡的粉红色。水合铽盐在一定波长紫外线下发出黄绿色荧光，比U(VI)的偏黄一点。
Tb(IV):四价铽稳定性不如铈但比镨的容易形成，但是对其研究不如镨的多。文献记载的简单盐只有TbF4。此外，一些配合物，如六偏磷酸钠，碲酸钠等与之在氧化剂作用下配合的，在溶液中显出红棕色，并且久置会分解。类似PrO2，强氧化剂氧化下可以得到棕色的TbO2。市售Tb4O7用醋酸溶解三价的部分，留下的就是TbO2。它是一种强氧化剂
镧系第十个元素，镝(Dy)，单质是一种银白色的金属，空气中缓慢氧化，溶于酸。镝及其化合物主要用作荧光粉，磁致伸缩材料，超导合金，电子元件等。
Dy(III):镝溶于酸随着氢气放出，溶液变为淡黄色。饱和氯化镝溶液或者水合镝盐固体都是柠檬黄色的。镝盐性质与其它稀土几乎一样。
Dy(IV):类似Nd(IV),这个氧化态存在且不稳定。DyO2可能存在，但是目前研究出来的主要是氟配合物Cs3DyF7，它是橘红色固体，空气中逐渐褪色。
(图中的氯化镝固体吸水了，所以呈现饱和溶液状态)
Dy(III):镝溶于酸随着氢气放出，溶液变为淡黄色。饱和氯化镝溶液或者水合镝盐固体都是柠檬黄色的。镝盐性质与其它稀土几乎一样。
Dy(IV):类似Nd(IV),这个氧化态存在且不稳定。DyO2可能存在，但是目前研究出来的主要是氟配合物Cs3DyF7，它是橘红色固体，空气中逐渐褪色。
(图中的氯化镝固体吸水了，所以呈现饱和溶液状态)
接下来的一种元素，钬，是一种化合物会显著随光照变色的元素。银白色的金属钬在空气中很缓慢地氧化，覆盖上一层粉末。它溶于酸，得到黄(粉)色溶液。Ho稳定的价态只有+3。钬盐随光源不同显出桃红色和米黄色，粉橙色等颜色。个人很喜欢钬盐的颜色。
铒是一种稳定，中等活泼，有暗黄色光泽的金属，溶于酸得到粉红色溶液。市面上金属铒主要以块状或者蒸馏晶体出现。铒的作用主要是做合金，磁性材料，有色玻璃添加剂，光电缆等。
铒价态主要是＋3。它的盐呈现粉红色。其实铒也有光致变色，只是不如Pm和Ho明显。日光下，铒盐为浅粉色 而荧光等下，它更偏暗粉。
铒价态主要是＋3。它的盐呈现粉红色。其实铒也有光致变色，只是不如Pm和Ho明显。日光下，铒盐为浅粉色 而荧光等下，它更偏暗粉。
铥，银白色稀土金属，价格偏高，比较稀有，主要用作永磁体，催化剂等。铥用途不多，La更廉价，可以代替它。
Tm(II):不稳定价态，比Eu,Yb,Sm的更不稳定，化合物通常带有红色。化合物有TmX2等，它们溶于水显示很短暂的浅红色。
Tm(III): 可以形成各种浅绿色的盐，颜色很浅。近乎白色的TmF3,Tm(OH)3等是不溶于水的。
Tm(II):不稳定价态，比Eu,Yb,Sm的更不稳定，化合物通常带有红色。化合物有TmX2等，它们溶于水显示很短暂的浅红色。
Tm(III): 可以形成各种浅绿色的盐，颜色很浅。近乎白色的TmF3,Tm(OH)3等是不溶于水的。
70号元素镱，是一种浅黄色的金属，溶于酸得到无色溶液。它在镧系中活泼性不高，价格也偏低。它用处不多，YbBr3用于照明工业。Yb主要有两个价态。
Yb(II):强还原性氧化态，特征颜色为绿色。将金属Yb溶于盐酸的一瞬间，可以观察到黄绿色，这就是产生少量的Yb2+。它可以迅速还原水。电解还原YbCl3溶液也可以看到黄绿色。YbX2由Yb与无水YbCl3反应或者HgX2与Yb反应得到。在硫酸镱溶液中加钠汞齐还原，得到绿色的YbSO4沉淀，分离出后它在空气中容易被氧化变白。YbCO3是苍绿色的。
Yb(III):常规价态，形成类似其他Ln(III)的无色盐
Yb(II):强还原性氧化态，特征颜色为绿色。将金属Yb溶于盐酸的一瞬间，可以观察到黄绿色，这就是产生少量的Yb2+。它可以迅速还原水。电解还原YbCl3溶液也可以看到黄绿色。YbX2由Yb与无水YbCl3反应或者HgX2与Yb反应得到。在硫酸镱溶液中加钠汞齐还原，得到绿色的YbSO4沉淀，分离出后它在空气中容易被氧化变白。YbCO3是苍绿色的。
Yb(III):常规价态，形成类似其他Ln(III)的无色盐
镥(Lu)，是一种坚硬，灰色的金属，是镧系中最稳定最不容易氧化的。它可以溶于酸，活泼性类似于锡和铁。它稀有，价格较高，用处不多，用于照明工业等。化合物性质方面，Lu形成无色的镥盐，和La是类似的。