К семейству лантаноидов принадлежат четырнадцать f-элементов, следующих в периодической системе после лантана:
| 58 Церий Ce …4f25s25p66s2 | 59 Празеодим Pr …4f35s25p66s2 | 60 Неодим Nd …4f45s25p66s2 | 61 Прометий Pm …4f55s25p66s2 | 62 Самарий Sm …4f65s25p66s2 |
| 63 Европий Eu …4f75s25p66s2 | 64 Гадолиний Gd …4f75s25p65d16s2 | 65 Тербий Tb …4f95s25p66s2 | 66 Диспрозий Dy …4f105s25p66s2 | 67 Гольмий Ho …4f115s25p66s2 |
| 68 Эрбий Er …4f125s25p66s2 | 69 Тулий Tm …4f135s25p66s2 | 70 Иттербий Yb …4f145s25p66s2 | 71 Лютеций Lu …4f145s25p65d16s2 |
С возрастанием порядкового номера элементов этого семейства происходит заполнение электронами подуровня третьего снаружи электронного слоя (4f-подуровня), строение же наружного, а у большинства элементов и следующего за ним слоев остается неизменным. По этой причине все лантаноиды очень близки друг к другу по химическим свойствам.
Электроны заполняют 4f-, а не 5d-подуровень потому, что в этом случае они обладают меньшей энергией. Однако разница в энергиях 4f- и 5d-состояний очень мала. Благодаря этому один из 4f-электронов (а в некоторых случаях, например, у церия, два 4f-электрона) легко возбуждается, переходя на 5d-подуровень, и становится, таким образом, валентным электроном. Поэтому в большинстве своих соединений лантаноиды имеют степень окисленности +3, а не +2. Это обстоятельство объясняет близость свойств лантаноидов к свойствам элементов подгруппы скандия.
В § 34 говорилось, что в пределах одного периода с возрастанием порядкового номера размеры атомов элементов уменьшаются. Подобная закономерность наблюдается не только для элементов главных подгрупп, но, за немногими исключениями, и для элементов побочных подгрупп. Такое же уменьшение радиусов атомов имеет место и в случае лантаноидов (лантаноидное сжатие).
Это явление имеет одно важное следствие. В результате лантаноидного сжатия размеры атомов и ионов элементов шестого периода, расположенных сразу после лантаноидов (Hf, Ta, W и далее), очень близки к размерам атомов и ионов соответствующих элементов пятого периода (Zr, Nb, Mo и т. д.); в то же время для элементов четвертого и пятого периодов эти характеристики заметно различаются (табл. 37).
Таблица 37. Радиусы атомов (в нм) некоторых элементов побочных подгрупп
| Периоды | Группы | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| IV | V | VI | VII | VIII | I | |||
| IV | Ti 0,146 | V 0,134 | Cr 0,127 | Mn 0,130 | Fe 0,126 | Co 0,125 | Ni 0,124 | Cu 0,128 |
| V | Zr 0,160 | Nb 0,145 | Mo 0,139 | Tc 0,136 | Ru 0,134 | Rh 0,134 | Pd 0,137 | Ag 0,144 |
| VI | Hf 0,159 | Ta 0,146 | W 0,140 | Re 0,137 | Os 0,135 | Ir 0,135 | Pt 0,138 | Au 0,144 |
Благодаря тому, что атомы и ионы аналогичных элементов побочных подгрупп пятого и шестого периодов имеют не только сходное электронное строение, но и практически совпадающие размеры, в их химических свойствах наблюдается гораздо более близкое сходство, чем в случае элементов четвертого и пятого периодов. Так, цирконий по своим свойствам значительно ближе к гафнию, чем к титану, ниобий сходен с танталом в большей степени, чем с ванадием и т. д.
В свободном состоянии лантаноиды представляют собою типичные металлы, сходные с лантаном или с иттрием. Их оксиды нерастворимы в воде, но легко присоединяют воду с образованием гидроксидов. Последние лишь незначительно растворяются в воде и имеют основной характер. Соли лантаноидов по своей растворимости подобны соответствующим солям лантана или иттрия.
Прометий не имеет стабильных изотопов и в природе не обнаружен.
Вследствие очень большой близости химических свойств соединений лантаноидов, выделение их в чистом виде из природных смесей очень затруднено. Лишь в последние 20—30 лет разработаны эффективные методы разделения лантаноидов. В настоящее время все они получены в виде чистых металлов.
Многие лантаноиды и их соединения нашли применение в различных областях науки и техники. Они применяются в производстве стали, чугуна и сплавов цветных металлов. При этом используется главным образом мишметалл — сплав лантаноидов с преобладающим содержанием церия и лантана. Добавка малых количеств редкоземельных металлов повышает качество нержавеющих, быстрорежущих, жаропрочных сталей и чугуна. При введении 0,35 % мишметалла в нихром срок его службы при 1000 °C возрастает в 10 раз. Добавка лантаноидов к сплавам алюминия и магния увеличивает их прочность при высоких температурах.
Один из крупных потребителей редкоземельных металлов — стекольная промышленность. Стекло, содержащее церий, не тускнеет под действием радиоактивных излучений и применяется в атомной технике. Оксиды лантана и неодима входят в состав многих оптических стекол. Небольшие добавки оксидов лантаноидов используются для обесцвечивания стекол и для придания им окраски. Так, Nd2O3 придает стеклу ярко-красный цвет, а Pr2O3 — зеленый. Оксиды лантаноидов используются также для окраски фарфора, глазури, эмали.
Радиоактивный изотоп тулия 170Tm применяется для изготовления портативных генераторов рентгеновских лучей медицинского назначения