Lanthanum

镧，原子序数57，符号La，是一种银白色金属，质地柔软且具有延展性。它在空气中会缓慢失去光泽。作为镧系元素中的第一个元素，它是该系列15种相似元素的典型代表，传统上被归类为稀土元素。其最常见的氧化态为+3，但也存在一些+2化合物。镧在人体中没有生物学作用，但某些细菌会利用它；它对人的毒性不大，但确实表现出一定的抗菌活性。这种元素通常与铈及其他稀土元素伴生。瑞典化学家卡尔·古斯塔夫·莫桑德于1839年首次在硝酸铈中将其作为杂质发现，并以其命名，源自古希腊语“lanthanein”，意为“隐藏”。尽管被归类为稀土，镧却是地壳中第28丰富的元素——丰度几乎是铅的三倍。在独居石和氟碳铈矿等矿物中，它约占镧系元素含量的四分之一。从这些矿物中提取镧的过程极为复杂，以至于纯镧金属直到1923年才被分离出来。镧化合物用途广泛：用作催化剂、玻璃添加剂、用于演播室灯光和投影仪的碳弧灯、打火机和火炬的点火元件、电子阴极、闪烁体以及钨极气体保护焊电极。碳酸镧用作磷酸盐结合剂，用于治疗与肾衰竭相关的高血磷水平。镧在元素周期表中位于钡的右侧、铈的左侧，通常被认为是第一个f区元素。其57个电子的排布为[Xe]5d¹6s²，在惰性气体核心外有三个价电子。在化学反应中，它几乎总是失去这三个电子形成+3氧化态，达到稳定的氙构型。存在一些+2化合物，但通常稳定性差得多。一氧化镧（LaO）在某些恒星光谱中产生强吸收带。在镧系元素中，镧的特殊之处在于其单个气相原子没有4f电子。（类似地，锕和钍作为气相原子也没有5f电子。）因此，它仅表现出弱顺磁性，而不同于强顺磁性的后期镧系元素（除镱和镥外，它们的4f壳层已满）。然而，在化学环境中，镧的4f壳层可能部分占据并参与成键。例如，三价镧系元素（除铕和镱外）的熔点与6s、5d和4f电子的杂化程度有关——4f参与越多，熔点越低。镧的熔点为920 °C，是其中第二低的。（铕和镱的熔点更低，因为它们每个原子离域约两个电子而非三个。）这种f轨道的化学可用性证明了将镧置于f区的合理性，尽管其基态构型异常（这是由于强电子间排斥使得占据靠近原子核的小体积4f壳层不太有利）。随着镧系元素的推进，金属变得更硬；镧如预期般柔软。它在室温下的电阻率高达615 nΩm，而铝仅为26.50 nΩm。镧是镧系元素中挥发性最低的。在室温下，它具有六方晶体结构（α-La）。在310 °C时，转变为面心立方（β-La），在865 °C时，转变为体心立方（γ-La）。遵循周期趋势，镧在镧系元素中原子半径最大，因此反应性最强。它在空气中迅速失去光泽，数小时后完全变暗，并容易燃烧形成氧化镧（La₂O₃），其碱性几乎与氧化钙相当。一块厘米大小的样品在一年内完全腐蚀，因为其氧化物像铁锈一样剥落，而非像铝、钪、钇或镥那样形成保护层。在室温下，镧与卤素反应生成三卤化物，加热时，与氮、碳、硫、磷、硼、硒、硅和砷形成二元化合物。它缓慢与水反应生成氢氧化镧（La(OH)₃）。在稀硫酸中，它容易形成无色的水合三正离子[La(H₂O)₉]³⁺，该离子没有d或f电子。镧是稀土元素中最强、最硬的碱，这与其较大的尺寸相符。存在一些镧(II)化合物，但稳定性差得多。因此，在正式命名镧化合物时，必须始终标明其氧化数。天然存在的镧由两种同位素组成：稳定的¹³⁹La和原始的长寿命放射性同位素¹³⁸La。¹³⁹La占绝对优势，占天然镧的99.911%；它通过s过程（慢中子俘获）产生。