镧

镧lán（Lanthanum）是元素周期表中第57号元素，元素符号为La，原子量为138.91，属于第六周期ⅢB族^[1]；外层电子构型为5d16s2，为银白色金属，质软，有延展性和顺磁性，熔点为921℃^[6][3]，沸点为3457℃，密度为6.16 g/cm3^[4][5]。它的化学性质很活泼，在常温下，暴露在空气中时表面会因生成一层白色的氧化膜而失去金属光泽；在氧气中燃烧生成氧化镧，在氢气中加热生成氢化物，也可以与酸反应，在冷水中反应较为缓慢^[1][8]。镧还可直接与卤素、氢、氮、碳硼等非金属物质反应。由于镧的性质活泼，常贮存在煤油中^[1]。

金属镧可用电解氯化镍或用碱金属还原其卤化物来制备，镧是铀yóu、钍tǔ或钚bù裂变的放射性产物之一，镧在地壳中的含量为0.00183%，也是稀土元素中最丰富的元素^[3]，镧以碱性氧化物的形式存在于许多矿物中，如硅铈shì石、独居石、褐帘石、氟fú菱钙铈矿，镧常与铈共生^[6][8]。

镧是1839年由瑞典化学家莫桑德尔（C.G.Mosander）发现并命名的，镧可以用其具有的特殊线状光谱来鉴别^[1]，可以用物理化学方法或原子吸收分光光度法来测定浓缩废水中的镧^[5]。

19世纪初，人们在瑞典发掘出的矿石中发现了氧化铈，后来人们发现，它不是一种单纯的物质，该矿石中还含有镧。随着研究的推进，经过大约100年的时间，从这种矿石中竟然发现了7种元素^[9]。

1803年，瑞典化学家伯采利乌斯（J.J.Berzelius）等人从矿石中分离出了氧化铈，但没有分离出镧元素^[10]。1839年，伯采利乌斯的学生和助手莫桑德尔（Mosander Carl Gustav .1797—1858)将硝酸铈加热分解，发现只有一部分氧化物溶解在硝酸中，他们意识到前面的得到铈土不是纯净物，他把溶解的氧化物称为Lanthana（镧土），元素被称lanthanum，元素符号为La，来自希腊文lanthan，是“隐藏”的意思^[11]，不溶解的那部分氧化物仍称为铈土^[10]。

1842年，莫桑德将他的镧样品分离成两种氧化物；对于其中一个，他保留了镧这个名字，对于另一个，他给了镨pǔ钕nǚ（英语：Didymium，译为“孪生”）这个名字^[12]。

1886年镧的化合物硝酸镧被用以制作煤气灯网罩^[13]。

镧于1923年以相对纯净的形式被分离出来。铁交换和溶剂萃取技术使所谓的“稀土”元素更容易分离^[12]。

1938-1939年中国物理学家钱三强与伊雷娜·居里合作用中子轰击铀和钍，裂变后，得到了放射性镧同位素，这对解释核裂变现象是有力的支持^[14]。

1976年12月14日，美国人博恰雷利（C.V.Bocciarelli）申请的一项专利为发展一种催化材料，是把元素镧分布在担体金属上，以减少发动机排气中污染组分的含量^[15]。

镧的外层电子构型为5d16s2^[1]，镧可以利用它的5d和6s的三个电子，因而可以预期它能生成三价金属离子，镧系元素的特征是所有的金属都均一地呈现（+III）氧化态^[16]。另外，镧有三种晶形，镧在室温下是六方晶系的；在310 °C镧的晶体结构转变成面心立方晶系，温度达到865 °C时则变为体心立方晶系^[17]。

镧为银白色金属，质软，有延展性和较弱的顺磁性，熔点为921℃，沸点为3457℃，密度为6.16 g/cm3^[4]，原子半径为240pm，电离能为5.5769 ± 0.0006 eV，半衰期为1.1×1011年^[12]，氧化物是难溶的粉末，几乎不溶于水，但能剧烈地和水化合，而生成氢氧化物，氢氧化物几乎不溶于水，具有碱性^[8]，其硬度略大于锡，易溶于稀酸^[6]。

镧的化学性质很活泼，几乎能与所有元素起作用，也能与各种金属形成合金，易被氧化，不耐腐蚀；在常温下，暴露在空气中时表面会因生成一层白色的氧化膜而失去金属光泽^[6]。镧与氧气在350℃时燃烧生成氧化镧，在氢气中加热生成氢化物，镧还可直接与卤素、氢、氮、碳硼等非金属物质反应^[1]，在高温下结合，形成二元化合物^[18]。

镧与氧气反应^[1]：

镧与水反应，镧与水蒸汽反应能生成镧的氧化物与氢气^[1]：

镧与卤素反应，镧与卤素在200℃以上时反应生成卤化镧^[19]：

镧与氮气反应，镧与氮气在1000℃以上反应生成氮化镧^[19]：

镧与碳反应，镧与碳在高温时能反应生成碳化镧^[19]：

镧的同位素有40余种，原子质量在116-157之间^[4]，镧有两种稳定同位素即，138La和139La^[17]。在镧的放射性同位素中，半衰期最长是137La，为6×104年，最短的为127La约有5ms^[12][20]。

氧化镧，英文名lanthanum oxide^[21]，它的分子式为La2O3，分子量为325．84，是一种白色无定形粉末，密度为6.51 g/cm3。熔点2217℃。沸点4200℃。微溶于水，易溶于酸而生成相应的盐类^[21]。露置空气中易吸收二氧化碳和水，逐渐变成碳酸镧。灼烧的氧化镧与水化合放出大量的热^[22][23]。

碳酸镧，碳酸镧一般均含有一定的水合水分子。它是斜方晶系，能和大多数酸反应^[24]，在25℃水中溶解度2.38×10-7 mol/L。在900℃时可热分解为三氧化二镧。在热分解过程可产生碱式盐La2O3·2CO2·2H2O。碳酸镧可与碱金属碳酸盐生成可溶于水的碳酸复盐La2(CO3)3·Na2CO3·nH2O。向可溶性的镧盐的稀溶液中加入略过量碳酸铵即可制得碳酸镧沉淀^[25][26]。

卤化镧，可以应用于很多领域，从照明到催化以及核燃料的高温化学再处理^[27]，金属镧可由无水卤化物电解或用碱金属或碱土金属还原卤化镧制备，例如用钙还原氟化镧以制得金属镧^[28]。

氢化镧 金属镧在氢气流中加热则能生成氢化镧（LaH2）^[29]，氢化镧在温度为290K时会进行分解^[30]，过渡型氢化物也称金属型氢化物，这类氢化物组成不符合正常化合价规律，如，LaH2.76等，它们晶格中金属原子的排列基本上保持不变，只是相邻原子间距离稍有增加。因氢原子占据金属晶格中的空隙位置，也称间充型氢化物。过渡型氢化物的形成与金属本性、温度以及氢气分压有关。它们的性质与母体金属性质非常相似，并具有明显的强还原性^[31]。

镧在地壳中的含量为1.83×10-3%，是稀土元素中含量较丰富的一个；主要存在于独居石和氟碳铈矿中，含量分别为25%和38%^[17]。稀土矿物原料一般可分为以轻稀土为主和以重稀土为主两大类；而根据矿物中镧、铈和钇yǐ的相对含量，大致可分为三类：（i）富铈、低钇稀土矿：以轻稀土为主，其中铈，镧含量占65%以上，镧的含量一般为～25%，钇的含量低，约在3%以下。（ii）富钇低镧、稀土矿：其中钇的含量约为60%，镧的含量一般<3%。（iii）富镧、钕、钇稀土矿：镧、钕、钇三种稀土元素的各自含量均在10%以上，三元素的含量可达70%以上^[32]。

以镧为主的无铈混合稀土金属与铁铬铝制成合金，代替镍niè铬作为电热丝，耐热性能好。镧等稀土金属加入铜中可增加铜的高温塑性、抗氧化性，并消除有害杂质的影响。镧与钛作成合金可提高抗张强度十倍^[1]。镧可也用于提高玻璃对光的聚焦能力，但不容易产生色差，如铅晶体会把光分解成各种颜色，镧玻璃常用在照相机和望远镜的镜头上^[33]。另外，镧还可以用以制作精密光学仪器，以及电子显微镜^[1][6]。

镧或含镧混合稀土氯化物广泛运用于石油工业中，在石油裂化反应中，需要用到分子筛催化剂，加入少量（1%～5%)混合稀土后，不仅能使石油裂化的汽油生产率提高50%～80%、辛烷wán值高了一倍^[34]，还可以使分子筛催化剂的效率增加3倍，催化剂的寿命也可得到显著提高，从而提高石油产品的产量^[11]，如，氯化镧可以用于制备石油裂化催化剂、提取单一稀土产品以及冶炼富镧混合稀土金属等^[7]。

镧制成的稀土薄膜电容，比容量相较于硅大10倍，而且比较耐高压，适用于集成电路和微波技术^[1][6]。由镧等稀土元素制成的低温磁致冷装置具有小型化和高效率等独特优点，广泛应用于低温物理、磁共振成像仪、粒子加速器、空间技术、远红外探测及微波接收等领域^[35]。此外，镧作成的半导体，热稳定性能好，适于高温操作^[1][6]。

含镧20%-30%的铈铁合金可做打火石^[17]，镧是用于制造碳弧灯的稀土元素之一，碳弧灯在电影行业用于演播室照明和投影仪灯^[12]，另外，镧的化合物硝酸镧可以用以制作煤气灯网罩^[13]。

稀土金属及其合金对氢气的吸附能力很强，如1kg镍镍合金（LaNi5）在室温和2.5×101.325kPa压力下，可吸收15g氢，相当于标准状态下的180L氢气。并且吸氢和放氢的过程是可逆的，活化能低，速度快，因此可作为氢气储存器。除对氢的吸附以外，稀土及其合金对其它气体也有相当大的吸收能力，因此，在电子工业中可用作产生高真空的吸气材料^[35]。如，氢氧化镍可以作为电极活性材料或作为氢储存材料（稀土金属混合物）使用，稀土金属混合物则是镧、铈和钕含量较高的合金^[36]，利用镧吸收气体的性质，还可以将其用作电子管的除气剂^[1]。

镧可以被添加到钨电极中，以提高电极的耐用性^[33]。锰酸镧具有良好的导电性能和高温稳定性，可广泛用于汽车尾气的净化和各种电池的阴极材料。掺杂后的锰酸还具有巨磁阻效应（GMR）^[37]。

镧的氧化物，即氧化镧具有催化作用，氧化镧的催化作用主要用于汽车尾气净化，汽车排气中的CO，烃类及氮氧化物（NOx）等是有害气体，通过使用催化剂能达到净化的效果^[21]。

镧可以从矿物中提取，富含镧的矿石主要为独居石和氟碳铈矿^[17]。例如，从独居石中提取：在180～200℃下，用浓硫酸分解磨碎的独居石精矿。硫酸用量视精矿成分而定，每吨精矿约需硫酸1.5～2吨，即为理论用量的2.5～3倍。分解时间取决于精矿的破碎程度，一般为2～4小时。对逸出的硫酸蒸气，应考虑用洗涤器或电过滤器全部加以收集^[38]。

化工生产上提取镧系元素化合物，多是先把镧系元素沉淀为草酸盐，然后经烘干、灼烧得其氧化物^[39]，然后可以通过碱金属（首选金属钠）还原氧化镧来制备，反应方程式为：^[19]。

另外，应用氯化铜、氯化钾和氟化钙的混合物作为电解质，使用不溶性阳极电解熔融盐的方法可以制取高纯度的镧（纯度为99.86%）。用同一方法电解熔融盐（但以熔融的锌或镉作阴极），并在真空中再蒸馏，所得的金属镧，纯度可达99.99%^[6][5]。

一般进入组织的镧主要累积在肝脏，特别是经消化道摄入的镧首先在肝脏中累积，然后经血液向其他脏器转移。大量研究表明，镧对肝脏存在伤害。硝酸镧灌胃染毒后，可见肝细胞基质内线粒体肿胀、空泡化，嵴减少或消失；同时，镧对心脏和肾脏也存在一定的伤害^[7][34]，镧的一些化合物有较大毒性，如：硝酸镧对小白鼠的半致死量为0.85 g/kg(以金属计)，硫酸镧为1.45 g/kg体重，氧化镧为2.45 g/kg体重；硝酸镧对大白鼠的半致死量为1.45 g/kg(以金属计)，硫酸镧为2.45g/kg体重，氧化镧为8.5 g/kg体重^[5]。

人们已发现早期镧系元素对生活在火山泥盆中的一些嗜甲烷菌的生长具有重要作用，镧系元素是甲醇脱氢酶的辅助因子，而甲醇脱氢酶作为嗜甲烷菌的关键酶，可提高嗜甲烷菌的活性，镧、铈、镨和钕具有同样的功效。此外也发现镧系元素对产甲烷菌也有重要作用，如在工业废水处理过程中，加入低浓度的稀土元素，对产甲烷菌有激活作用，能促进有机物分解并提高甲烷产率，镧在人体中的生物学作用不明确^[40][41]。

镧系元素：lanthanide element，周期系ⅢB族中原子序数为57～71的15种化学元素的统称。包括镧、铈、镨、钕、钷pǒ、钐、铕yǒu、钆gá、铽tè、镝、钬huǒ、铒、铥diū、镱yì、镥lǔ，它们都是稀土元素的成员^[8]。镧系元素通常是银白色有光泽的金属，比较软，有延展性并具有顺磁性。镧系元素的化学性质比较活泼。新切开的有光泽的金属在空气中迅速变暗，表面形成一层氧化膜，它并不紧密^[1]，会被进一步氧化，金属加热至200～400℃生成氧化物。金属与冷水缓慢作用，与热水反应剧烈，产生氢气，溶于酸，不溶于碱^[8]。镧系元素和锕ā系元素都是f区元素，也就是这些元素的原子在外数第三层的f亚层上进行电子填充。由于镧系元素原子的最外两个电子层结构十分相似，原子半径和离子半径也很接近，所以镧系元素的性质也就十分相似。在自然界里它们总是共生在一起，只含有一种镧系元素的富矿是极少的^[2]。

所谓镧系收缩就是指镧系元素随着原子序数的增加，原子半径在总趋势上有所缩小的现象（从镧到镥的半径总共只缩小了0.11pm）。镧系元素原子半径缩小的幅度虽然远远小于非过渡元素，但它的影响很大，由于镧系收缩的存在，使镧系后面的各过渡元素的原子半径都相应缩小，致使同一副族的第五、六周期过渡元素的原子半径非常接近^[42][43]。