– от
лантана (La) до
лютеция (Lu), обычно выносимых в отдельный ряд внизу. Их часто называют «лантанидами», но это не совсем точно, так как сам лантан не входит в эту «внутреннюю» серию. Причина такого «изгнания» пятнадцати элементов проста: если разместить их на «законном» месте между лантаном и гафнием, таблица Менделеева стала бы громоздкой и неудобной, удвоившись в ширину. Учёные предпочли сохранить привычную компактную форму.
Что же объединяет эти семнадцать элементов и придаёт им уникальность? Ответ кроется в их электронной структуре, а именно в постепенном заполнении внутренней 4f-подоболочки. По мере продвижения по ряду лантаноидов от лантана к лютецию, добавляющиеся электроны «прячутся» глубоко внутри атома, на f-уровне, а не на внешней валентной оболочке, как у большинства других элементов. Эти f-электроны частично экранированы внешними электронами, что приводит к двум важным последствиям:
Химическое сходство: Поскольку внешние электронные оболочки, определяющие химические свойства, у лантаноидов очень похожи, их крайне трудно разделить химическими методами. Они ведут себя почти как «химические близнецы».
Уникальные физические свойства: Не полностью экранированные f-электроны взаимодействуют с внешними магнитными и электрическими полями особым образом. Это приводит к появлению замечательных магнитных (особенно у таких элементов, как неодим, самарий, гадолиний, диспрозий, тербий), оптических (узкие и яркие линии поглощения и испускания света, обусловленные переходами f-электронов, как у европия, тербия, эрбия, тулия) и люминесцентных свойств.
Ещё одно следствие постепенного заполнения f-орбитали –лантаноидное сжатие. Из-за недостаточного экранирования растущего заряда ядра f-электронами, внешние электроны притягиваются к ядру сильнее. В результате, при движении по ряду лантаноидов слева направо, радиус атомов (и особенно ионов) не увеличивается, как можно было бы ожидать, а, наоборот, постепенно уменьшается. Это явление, уникальное для лантаноидов, влияет на их плотность, химическую активность и способность образовывать различные кристаллические структуры, что также вносит вклад в их специфические свойства.
Именно эти уникальные физические характеристики, рождённые магией f-электронов, определяют ключевые применения РЗМ: