镧系和锕系：f区元素指南

元素周期表下方单独列出的两行，看起来像是附录，却容纳着现代科技和能源领域中一些最重要的元素。手机和电动汽车电机中的磁体、核电站的燃料、深空探测器的电源，都来自这两行。它们共同构成了 f区，在这里电子填充f轨道。上面一行是镧系元素，下面一行是锕系元素。

f区的结构

f轨道有7个，最多容纳14个电子。按照包括首个元素在内的通常惯例，镧系从镧（57）到镥（71），锕系从锕（89）到铹（103），每个系列各有15种元素。

镧系中被填充的4f轨道深藏在原子内部，被外层的5s和5p电子所屏蔽。参与化学反应的主要是外层电子，因此镧系元素彼此之间极其相似。它们大多以+3价离子的形式存在。例外情况——如+4价的铈和+2价的铕——与f亚层变成全空、半满或全满有关。

从镧到镥，原子序数增加了14，但原子及其+3价离子却略微变小。这就是 镧系收缩。

原因在于4f电子的屏蔽效果很差。每前进一步就增加一个质子和一个4f电子，但f轨道弥散且形状复杂，几乎无法为外层电子屏蔽不断增大的核电荷。因此外层电子感受到的有效核电荷增大，电子云被向内拉。

这一微小的收缩在整张周期表上都留下了印记。

锆和铪像双胞胎：第6周期的铪与它正上方第5周期的锆大小几乎完全相同。通常下一周期的元素会更大，但镧系收缩抵消了这种增大。两者的化学性质极其相似，以致铪一直隐藏在锆矿石中，直到1923年才被发现，而且至今仍难以分离。
第6周期金属密度极大：原子大小几乎不增加，质量却大大增加，这使锇、铱和铂的密度格外大。
难以分离的镧系元素：相邻的镧系元素大小相差极小，这使得用化学方法分离它们成为一项艰苦的工作。在20世纪中叶离子交换法和溶剂萃取法成熟之前，得到一种纯净的镧系元素是极其费力的。

稀土元素 是15种镧系元素加上钪和钇，共17种。钪和钇属于第3族，但它们存在于相同的矿物中，其+3价离子的行为也相似，因此被归为一类。

尽管名字如此，稀土在地壳中并不特别稀缺。铈的含量与铜相当，即使是铥和镥这些较少的稀土，也比金或铂更常见。它们之所以被称为“稀”，是因为具有经济价值的富集矿床不多见，而且分离和精炼这些几乎一模一样的元素非常困难。钷是个例外：它没有稳定同位素，在自然界中只以极微量存在。

稀土的历史很大一部分围绕着瑞典的一个小村庄伊特比展开。附近一个采石场的矿物中发现了钇、铽、铒和镱，这四种元素都以这个村庄命名。

在现代工业中，少量的稀土就能让性能产生巨大差异。

开采和精炼过程常常产生酸性废物以及钍、铀等放射性副产品，环境负担相当沉重。生产和精炼还集中在少数几个国家，这使供应安全在许多地方成为政策议题。这也是从废弃电子产品中回收稀土受到关注的原因之一。

15种锕系元素中没有一种拥有稳定同位素。不过，钍和铀的半衰期极长，自地球形成以来一直留存至今，属于原始元素。钍-232的半衰期约140亿年，铀-238约45亿年，铀-235约7亿年。这些漫长的半衰期使铀同位素成为测定岩石乃至地球本身年龄的关键工具。

与镧系不同，前半段的锕系元素表现出多种多样的氧化态。铀的氧化态从+3到+6，钚则从+3到+7。5f轨道比4f轨道离原子核更远，更容易参与成键。这种行为曾使20世纪初的化学家把这些元素看作d区过渡金属的延伸，这一观点在1945年被格伦·西博格的锕系概念所纠正。

原子序数大于铀（92）的元素称为 超铀元素。它们在自然界中几乎不存在，几乎全部是首先通过人工合成得到的。

随着原子序数增大，半衰期总体上变短，一次能制得的原子数也急剧减少。镄之后的元素从未被收集到肉眼可见的量。

放射性元素是危险的，但只要了解并控制其行为，它们就极其有用。

辐射的危险不仅取决于元素本身，还取决于辐射的类型（α、β或γ）、剂量和接触途径。体外的α辐射体用一张纸就能挡住，但一旦被吸入或吞下，就可能造成严重伤害。这就是锕系元素只能在严格监管下处理的原因。

镧系元素彼此极其相似，难以分离，但它们之间细微的差别决定了磁体、荧光粉和激光器的性能。锕系元素全部具有放射性，是核能、太空探索和放射性测年的核心。这两行虽然与主表分开，却遵循着与表中其他所有元素相同的规则：电子按顺序填充轨道。不妨逐个点击f区元素，比较它们的氧化态和发现年份，亲自看看其中的规律。