填充内层电子壳层
正在填充的4f轨道位于外层电子的*下方*，受到外界屏蔽。化学性质几乎不会察觉占据的是哪一个4f轨道，这就是十五种元素表现几乎完全相同、也极难将它们分离的原因。
稀土元素——十五种近乎相同、却默默驱动现代科技的金属
镧系元素
从镧到镥：15种柔软的银色金属，化学性质极其相似，以至于化学家花了一个多世纪才将它们分离。它们实际上并不稀有。它们存在于你的手机、耳机、风力涡轮机和MRI扫描仪中。
- 成员
- 15
- 族
- f区，第6周期
- 电子构型
- [Xe] 4f¹⁻¹⁴ 5d⁰⁻¹ 6s²
- 放射性
- 1
在元素周期表中突出显示
每个成员
15个镧系元素
57
La
镧
138.905 u
第一种镧系元素，也是藏在铈中36年后才被人发现的元素。
58
Ce
铈
140.116 u
含量最丰富的稀土元素，在地壳中的含量比铜还多。
59
Pr
镨
140.908 u
一种能给焊工护目镜着色的稀土元素，与钕形成合金后可制造强大的磁体。
60
Nd
钕
144.242 u
磁体元素：钕铁硼磁体是迄今制造出的最强永磁体。
61
Pm
钷
145 u
唯一没有稳定同位素的镧系元素，它已衰变殆尽，必须在反应堆中制造。
62
Sm
钐
150.36 u
一种稀土元素，其磁体能在摧毁钕磁体的温度下继续工作。
63
Eu
铕
151.964 u
安全防伪元素：铕荧光粉是欧元纸币上的防伪发光标记。
64
Gd
钆
157.25 u
在所有稳定核素中，中子俘获截面最大的稀土元素。
65
Tb
铽
158.925 u
一种发出绿色荧光的稀土元素，在磁场中还会改变形状。
66
Dy
镝
162.5 u
“难以获取”，如今已成为必须经受发动机舱高温的磁体不可或缺的材料。
67
Ho
钬
164.93 u
在所有天然存在的原子中，具有最强磁矩的元素。
68
Er
铒
167.259 u
让互联网持续运行的稀土元素：铒能放大光纤电缆中的光。
69
Tm
铥
168.934 u
稳定镧系元素中最稀有的一种，受到辐照后可作为便携式X射线源。
70
Yb
镱
173.045 u
一种柔软的稀土元素，在压力下电阻会跃升，因此可用作应力计。
71
Lu
镥
174.967 u
镧系元素中最硬、密度最大且最昂贵的元素。
定义它们的特征
构成镧系元素的三件事
镧系收缩
沿着这一系列，随着质子增加，原子逐渐变小，而弥散的4f电子屏蔽能力很弱。累积效应足以延续到下一个周期：铪最终与其上方的锆大小相同，这就是为什么从化学性质上几乎无法区分二者。
统一为+3
几乎全部形成+3离子。铈还可以呈+4价，铕还可以呈+2价；化学家正是通过这两个例外学会了将它们与其他元素分离。
周期性趋势
它们在家族中的变化方式
离子半径从镧到镥平滑减小。磁矩在该系列中部达到峰值，因为那里可用的未成对f电子最多——这就是钕和镝主导永磁体技术的原因。
现实世界中的应用
它们的用途
钕
有史以来制造的最强永磁体。钕铁硼磁体应用于耳机、硬盘、电动机和风力涡轮机。
镝和铽
添加到钕磁体中，使其能够在发动机舱温度下正常工作。这就是它们成为战略争夺材料的原因。
铕和钇
显示器和荧光照明中的红色和蓝色荧光粉；铕也是欧元纸币上的防伪荧光来源。
钆
使软组织能够在MRI中显现的造影剂，以及所有稳定核素中最高的中子俘获截面。
铈
催化转化器、玻璃抛光，以及每个一次性打火机中的打火石。
铒
掺入光纤后，它能直接放大光信号——这正是洲际互联网电缆得以实用的原因。
处理
安全
作为金属和简单盐时毒性较低至中等，不过细粉具有自燃性且容易燃烧。真正的问题在于提取：稀土矿石含有钍和铀，因此加工会产生放射性尾矿；分离化学过程还会消耗大量酸。钷具有放射性，没有稳定同位素。
值得了解
- 它们并不稀有：铈在地壳中的含量比铜还高，甚至铥的含量也超过金。
- 整个家族是在一个世纪的时间里从两份瑞典矿物样品中陆续发现的——有四种元素以同一个村庄伊特比命名。
- 一块硬币大小的钕磁体可以提起超过自身重量一千倍的物体。
常见问题
关于镧系元素
既然它们并不稀少，为什么还被称为稀土元素？
因为它们被发现时确实很难获得：它们从不以高浓度存在于单一矿石中，而是彼此混杂，几乎不可能分离。“土”是氧化物的旧称。这个名称记录的是18世纪的获取难度，而不是地质上的稀缺性。
为什么镧系元素如此难以分离？
它们的化学性质几乎相同，因为新加入的4f电子埋藏在外层之下，几乎不参与成键。它们每一种都能形成大小非常相近的+3离子。现代分离依靠数百个连续的溶剂萃取阶段，利用离子半径的微小差异——镧系收缩是唯一可利用的手段。
如今哪种镧系元素最重要？
按经济价值计算，钕最为重要。Nd-Fe-B磁体存在于每辆电动汽车的电动机、风力涡轮机发电机、硬盘和每一副耳机中。镝紧随其后，因为正是它让这些磁体在受热时仍能正常工作，而其供应又集中在极少数地方。