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第24章
镧系元素和锕系元素
*
24-1 镧系元素
24-2 锕系元素
*
24-1 镧系元素
24-1-1 镧系元素的基本性质
24-1-2 镧系元素的重要化合物
24-1-3 镧系元素的存在和应用
镧(lán) 铈(shì) 镨(pǔ) 钕(nǚ) 钷(pǒ) 钐(shān) 铕(yǒu)
钆(gá) 铽(tè) 镝(dí) 钬(huǒ) 铒(ěr) 铥(diū) 镱(yì) 镥(lǔ)
*
24-1-1 镧系元素的基本性质
1. 镧系元素的分组
24-1 镧系元素
15 种镧系元素 ( 用 Ln 表示 )， 加上钪 ( Sc ) 和钇 ( Y )，共 17 种元素，称为稀土元素，用 RE 表示 。
La Ce Pr Nd Pm Sm Eu
鑭 铈 镨 釹 鉕 钐 铕
称为铈组稀土或轻稀土。
Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu Sc Y
钆 铽 镝 钬 铒 铥 镱 镥 钪 钇
称为钇组稀土或重稀土
*
另有分组
轻稀土组 重稀土组
轻稀土组 中稀土组 重稀土组
57La58Ce59Pr60Nd 61Pm 62Sm 63Eu 64Gd 65Tb 66Dy 67Ho68Er69Tm70Yb71Lu
镧 铈 镨 钕 钷 钐 铕 钆 铽 镝 钬 铒 铥 镱 镥
钆 铽 镝 钬 铒 铥 镱 镥
四分组：
57La58Ce59Pr60Nd
镧 铈 镨 钕
钷 钐 铕 钆
61Pm 62Sm 63Eu 64Gd
64Gd 65Tb 66Dy 67Ho68Er69Tm70Yb71Lu
*
2. 镧系元素的电子构型和性质
E q
元素 Ln电子组态 Ln3+电子组态 常见氧化态 原子半径/pm Ln3+半径 /pm /V
57La
58Ce
59Pr
60Nd
61Pm
62Sm
63Eu
64Gd
65Tb
66Dy
67Ho
68Er
69Tm
70Yb
71Lu
4f05d16s2
4f15d16s2
4f3 6s2
4f4 6s2
4f5 6s2
4f6 6s2
4f7 6s2
4f75d16s2
4f9 6s2
4f10 6s2
4f11 6s2
4f12 6s2
4f13 6s2 4f145d16s2
4f145d16s2
4f0
4f1
4f2
4f3
4f4
4f5
4f6
4f7
4f8
4f9
4f10
4f11
4f12
4f13
4f14
(3)
(3),4
(3),4
(3),2
(3)
(3),2
(3),2
(3)
(3),4
(3),2
(3)
(3)
(3),2
(3),2
(3)
187.7
182.4
182.8
182.1
181.0
180.2
204.2
180.2
178.2
177.3
176.6
175.7
174.6
194.0
173.4
106.1
103.4
101.3
99.5
97.9
96.4
95.0
93.8
92.3
90.8
89.4
88.1
86.9
85.8
84.8
-2.38
-2.34
-2.35
-2.32
-2.29
-2.30
-1.99
-2.28
-2.31
-2.29
-2.33
-2.32
-2.32
-2.22
-2.30
24-1 镧系元素
*
3. 氧化态特征
镧系元素全部都形成稳定的 + 3 氧化态，同一周期连续 15 个元素形成同一种特征氧化态的现象在周期表中是绝无仅有的 . 非特征氧化态与它们的电子组态稳定性有关 .
+4
+3
+2
Ba2+
Hf4+
Dy Ho Er Tm
La
Ce
Pr
Nd Pm
Sm Eu
Gd
Tb
Yb
Lu
La3+(4f 0), Gd3+(4f 7) 和 Lu3+(4f 14) 已处于稳定结构，获得 +2 和 +4 氧化态是相当困难的； Ce3+(4f 1) 和 Tb3+(4f 8) 失去一个电子即达稳定结构，因而出现 +4 氧化态；Eu3+(4f 6) 和 Yb3+(4f 13) 接受一个电子即达稳定结构，因而易出现 +2 氧化态 .
24-1 镧系元素
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4. 镧系收缩
定义：指镧系元素的离子半径随原子序数的增加而依次减小的现象 . 有人也把这叫做 “单向变化”.
产生原因：随原子序数增大，电子填入4 f 层，f 电子云较分散，对 5d 和 6s 电子屏蔽不完全，Z* 增大，对外层电子吸引力 增大 ，使电子云更靠近核 ，造成了半径逐渐减小而产生 了所谓 “镧系收缩效应”.
原子序数
离子半径/pm
57 59 61 63 65 67 69 71
105
100
95
90
85
80
24-1 镧系元素
*
● 使 Y 的原子半径处于 Ho 和 Er 之间，使其化学性质与
镧系元素非常相似，在矿物中共生，分离困难，故在稀
土元素分离中将其归于重稀土一组.
产生影响
● 收缩缓慢是指相邻两个元素而言，两两之间的减小幅
度不如其他过渡元素两两之间的减小幅度大，使镧系
元素内部性质太相似，增加了分离困难 ；
● 也使镧系元素后的第三过渡系的离子半径接近于第二
过渡系同族，如 Zr4+(80 pm) 和 Hf4+(81 pm), Nb5+(70
pm) 和 Ta5+(73 pm)，Mo6+ (62 pm) 和 W6+(65 pm), 使
其化学性质相似，在矿物中共生，分离困难；
24-1 镧系元素
*
Question 1
为什么在镧系中离子半径会出现单向变化呢？
为什么在 Gd 处出现一种不连续性呢？
由于镧系元素三价离子的外围电子很有规律，由 La 至 Lu 其离子结构为 f 0 至 f 14 ，因此离子半径会出现“单向变化”.
镧系元素三价离子半径的变化中，在 Gd 处出现了微小的可以察觉的不连续性，原因是 Gd3+ 离子具有半充满的 4 f 7电子结构 ，屏蔽能力略有增加，有效核电荷略有减小，所以 Gd3+ 离子半径的减小要略微小些，这叫 “钆断效应”.
正是由于镧系离子的电子结构 ，凡是与 Ln3+离子密切联系的性质，也常呈现单向变化的规律. 而且，在镧系元素化合物的有些性质中，也常常会出现 “钆断效应”，即所谓的 “两分组现象”.
24-1 镧系元素
*
镧系原子4f 电子受核束缚，只有 5d 和 6s 电子才能成为自由电子，RE (g) 有 3 个电子 (5d1 6s2) 参与形成金属键，而 Eu(g) 和 Yb (g) 只
有2个电子 (6s2) 参
与，自然金属键弱
些, 显得半径大些 .
有 人 也 把 这叫做
“双峰效应”.
Question 2
为什么原子半径图中 Eu 和 Yb 出现峰值？
57 59 61 63 65 67 69 71
210
200
190
180
170
160
原子半径/pm
原子序数
24-1 镧系元素
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5. 镧系元素的金属单质
银白色，有金属光泽，软，延展性好 。
化学性质活泼，次于 IA 和 IIA 族元素，比金属铝活泼。
2 La + 6 HCl 2 LaCl3 + 3 H2
2 La + 6 H2O 2 La (OH)3 + 3 H2
24-1 镧系元素
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Sc
Y
La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er
活泼
稀土元素中，金属活性最强的是 La。
Ce + O2 CeO2 (IV)
2Ce + 3Cl2 2CeCl3
△
24-1 镧系元素
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6. 镧系离子的颜色
● 周期性十分明显
24-1 镧系元素
Ln3+ 离子在晶体或水溶液中的颜色
原子序 离子 4f电子数 颜色 颜色 4f电子数 离子 原子序
57
58
59
60
61
62
63
64
La3+
Ce3+
Pr3+
Nd3+
Pm3+
Sm3+
Eu3+
Gd3+
0
1
2
3
4
5
6
7
无
无
黄绿
红紫
粉红
淡黄
浅粉红
无
无
无
淡绿
淡红
淡黄
浅黄绿
浅粉红
无
14
13
12
11
10
9
8
7
Lu3+
Yb3+
Tm3+
Er3+
Ho3+
Dy3+
Tb3+
Gd3+
71
70
69
68
67
66
65
64
*
● 与 f-f 跃迁有关
可以简单地认为离子的颜色与 4f 亚层中的电子跃迁有关：La3+(4f 0) 和 Lu3+(4f 14) 离子为无色，因为不可能发生 f - f 跃迁；另一稳定组态的离子 Gd3+(4f 7) 和接近稳定组态的离子Ce3+(4f 1) ,Eu3+(4f 6) , Tb3+(4f 7) 和 Yb3+(4f 13) 的吸收峰在紫外区或红外区，因而显示无色或浅色.
24-1 镧系元素
玻璃中掺有少许稀土离子，可具有特殊性能及颜色。如掺有 Nd2O3 显红色，掺有 Pr2O3 显绿色。
*
7. 镧系化合物的发光
物质的发光：物质受到外界能量的激发，其电子从基态跃迁到激发态，当电子由激发态返回较低能级时，发射出不同波长的光；
根据外界的激发能量不同，有光致发光，阴极射线发光，电致发光，X 射线发光；
“荧光”：若激发停止发光也立刻停止，
“磷光”：若激发停止发光继续存留。
24-1 镧系元素
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含稀土元素的发光材料已得到应用。
上转换材料：稀土磷光材料中 ，发射光频率高于激发光的频率。如：YF3NaLa(WO4)2 和 -NaYF4 做基质，掺 Eu3＋ 和 Yb3＋ 分别做激活剂和敏化剂。
稀土材料的“上转换”功能在日常生活与军事上得到应用。
如荧光灯：基质是磷灰石，掺Sb3＋发蓝光，掺Eu2＋发桔黄色光，两者均掺得近似于日光的白光。
如彩电：高级三基色灯中的三基色荧光粉是含有稀土金属离子的物质。
24-1 镧系元素
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24-1-2 镧系元素的重要化合物
1. 氢氧化物和氧化物
制备 ● Ln3+ (aq) + NH3 · H2O (或 NaOH) → Ln (OH)3↓
性质 ● 氧化物属碱性氧化物，不溶于碱而溶于酸；高温灼烧过的
CeO2难溶于强酸，需要加入还原剂如以助溶；
● 氧化物是一种盐转化为另一种盐的重要中间体；
● 许多氧化物有重要的用途： Ln2O3 用于制造光学玻璃，
CeO2 是抛光粉， Eu2O3 用于制造彩色荧光粉等.
Ln2O3 Pr2O3 Nb2O3 Er2O3 CeO2
白色 深蓝 浅蓝 粉红 白色
Pr6O11(4 PrO2 Pr2O3 ), Tb4O7(2TbO2 Tb2O3)
棕黑 暗棕
● Ln (OH)3
Ln2(C2O4)3
Ln2(CO3)3
Ln (NO3)3
24-1 镧系元素
*
白
白
浅绿
紫红
黄
白
白
白
黄
黄
浅红
绿
白
白
白
Ln(OH)3 的溶度积和开始沉淀的 pH
La(OH)3
Ce(OH)3
Pr(OH)3
Nd(OH)3
Sm(OH)3
Eu(OH)3
Gd(OH)3
Tb(OH)3
Dy(OH)3
Ho(OH)3
Er(OH)3
Tm(OH)3
Yb(OH)3
Lu(OH)3
Y(OH)3
开始沉淀的 pH
硝酸盐 氯化物 硫酸盐
Ln (OH)3 颜色
7.82
7.60
7.35
7.31
6.92
6.91
6.84
–
–
–
6.76
6.40
6.30
6.30
6.95
8.03
7. 41
7.05
7.02
6.83
–
–
–
–
–
–
–
–
–
6.78
7.41
7.35
7.17
6.95
6.70
6.68
6.75
–
–
–
6.50
6.21
6.18
6.18
6.83
1.0 ×10-19
1.5 ×10-20
2.7 ×10-22
1.9 ×10-21
6.8 ×10-22
3.4 ×10-22
2.1 ×10-22
2.0 ×10-22
1.4 ×10-22
5.0 ×10-23
1.3 ×10-23
3.3 ×10-24
2.9 ×10-24
2.5 ×10-24
–
● 氢氧化物的碱性从上至下依次降低，这是因为 Ln3+ 的离子势 Z/r随原子序数的增大而增大有关.
24-1 镧系元素
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2. Ln (Ⅲ) 的重要盐类化合物
● 可溶盐：LnCl3 · nH2O, Ln(NO3 ) · H2O, Ln2 (SO4)3
● 难溶盐：Ln2 (C2O4)3，Ln2 (CO3)3，LnF3, LnPO4
● Ln2 O3 (或 Pr6O11, Tb4 O7) +相应的酸 (体积比1:1)
慢慢加入到酸中至
相应盐的水合物
24-1 镧系元素
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● 镧系盐的水合数是不同的，硝酸盐最高为 6，硫酸盐为 8，卤化物则不同，见下表：
24-1 镧系元素
*
● 无水盐的制备
镧系无水盐的制备是比较麻烦的，因为直接加热会发生部分水解：
LnCl3· nH2O = LnOCl↓+2HCl + (n-1) H2O
因此，通常要在氯化氢气流中或氯化铵存在下或真空脱水的方法
制备. 氯化铵存在下会抑制 LnOCl 的生成：
LnOCl + NH4Cl = LnCl3 + H2O + 2 NH3
LnCl3 nH2O
HCl
HCl,H2O
24-1 镧系元素
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3. 配位化合物
稀土配合物与 d 过渡金属配合物的比较
● Ln3+因屏蔽稳定化能只有4.18 kJ · mol-1，d 区配合物的
≥ 418 kJ · mol-1；
● 4f 轨道深埋于 充满的 5s 和 5p 轨道之下，被屏蔽，难
以发生导致 d 轨道分裂的那种金属与配体轨道间的强
相互作用，配合时贡献小，与 L 间以离子键为主；
● 配位原子的配位能力顺序为O>N>S，而d区配合物的
顺序为 N>S>O 或 S>N>O；
● 因半径大，对L的静电引力小，键强较弱；
● 配位数大，可是 6~12，而 d 区的配位数常为 4 或 6 .
24-1 镧系元素
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24-1-3 镧系元素的存在和应用
1. 存在
Ln 在地壳中的丰度 E(ppm)呈奇偶变化(服从Odd0-Harkins规则)
42
104
52
13
14
13
8.7
4.7
4.9
2.2
1.8
2.3
0.4
0.6
La
Lu
页岩中镧系元
素的原子丰度
7
31
18
5
7
7
7
6
7
0.2
1
1
1
1.5
La
Lu
稀土矿中镧系元
素的原子丰度
24-1 镧系元素
*
据报道，世界稀土总含量估约 4500 万吨 REO，我国稀土资源丰富，占世界储量 80% . 据中国稀土协会估计，我国稀土总含量高达 1 亿吨. 白云鄂博矿床距包头 150 公里，它是世界上最大的稀土资源，目前的稀土产量占全国的 60%.
三大产地：包头、攀枝花和江西.
五大特点：储量大、 品种全、品位高、多种金属矿物伴生、 综合利用价值大
有代表性的稀土矿物
名 称 主要化学组成 说明
独 居 石 (Ln,Th)PO4 Ln 主要代表 La,Ce 等轻稀土元素
氟碳铈镧矿 LnCO3F Ln 主要代表 La,Ce 等轻稀土元素
磷 钇 矿 YPO4 除 YPO4 外，还含有重镧系元素磷酸盐
24-1 镧系元素
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2 应用
① 磁性材料
● 永磁材料：永磁体最基本的作用是在某一特定空间产生一恒定磁场，维持此磁场并不需要任何外部能源. 图中的磁体能吸起自重的 800倍.
● 磁光材料：指在紫外到红外波段，具有磁光效应的光信息功能.如磁光光盘等.
● 超磁致伸缩材料：指稀土—铁汞化合物，具有比铁、镍等大得多的磁场伸缩值. 可做声纳系统、驱动器等.
24-1 镧系元素
*
发光、激光材料：因 f-f、f-d 跃迁而使发出的光能量差大、波长短而成 为发光宝库.
③ 玻璃陶瓷材料：光学玻璃、光纤
24-1 镧系元素
④ 贮氢、发热、超导材料
LaNi5 3 H2 LaNi5H6
微热
（2—3） × 105 Pa
在冶金工业中的应用：铸铁、钢、有色金属，可 改变结构性 能.
*
⑦ 农业中的应用
汽车尾气处理器：
里面的催化剂是
稀土化合物
不同稀土使用方法对部分农作物增产效果的影响
增产效果，%
稀土使用方法
春小麦 花生 大豆 甜菜 白菜
浸 种 10. 8 10.2
拌 种 8.3 8.3 6.7 10.3 15.5
喷 施 7.1 9.4 6.4 7.0 15.0
24-1 镧系元素
催化中的应用：石油裂化、汽车 尾汽净化、合成橡胶以及石油化工等.
*
⑧ 医药中的应用
● 抗凝血：因 RE 对 Ca2+ 的拮抗作用所致
● 烧伤药物
● 抗炎、杀菌
● 抗动脉硬化作用
● 抗肿瘤
● 降血糖
⑨ 织物纤维染色
皮革鞣制和染色
镀铬技术
塑料助剂
24-1 镧系元素
*
24-2-1 锕系元素都具放射性
24-2-2 氧化态不再单一
24-2-3 重要的单质和化合物
24-2-4 超铀元素与核化学
24-2 锕系元素
锕(ā) 钍(tǔ) 镤(pú) 铀(yóu) 镎(ná) 钚(bù) 镅(méi) 锔(jū) 锫(péi) 锎(kāi) 锿(āi) 镄(fèi) 钔(mén) 锘(nuò) 铹(láo)
*
24-2-1 锕系元素都具放射性
玛丽·居里(Marie S.Curie) 法籍波兰人（1867--1934) 玛丽．居里是举世闻名的女科学家、两次 诺贝尔奖金获得者.她在科学上的巨大成就和 她那崇高的思想品质；赢得了世界人民的普遍 赞誉. 玛丽·届里面强地战斗了一年又一年，头上的白发一天天增 多了，本来就消瘦的面容更清瘦了，可恩她却乐此不疲，决心 “不虚度一生.”她写了许多著名论文，完成了由镭盐分析出金属镭 的精细实验.一九O七年，她提炼出纯氯化镭，精确地测定了它 的原子量。一九一O年，她提炼出纯镭元素，并测出锗元素的各 种特性，完成了她的名著《论放射性》一书.正是由于这些杰出的 贡献，一九一一年，她再次荣获了诺贝尔化学奖.
24-2 锕系元素
*
锕系元素的某些基本性质
名 称 元素符号 质量数 半衰期 An3+离子半径/pm 氧化态
锕
钍
镤
铀
镎
钚
镅
锔
锫
锎
锿
镄
钔
锘
铹
Ac
Th
Pa
U
Np
Pu
Am
Cm
Bk
Cf
Es
Fm
Md
No
Lr
227
232
231
238
237
244
243
247
247
249
254
257
258
259
260
21.8a
1.41 × 1010a
3.28 × 104a
4.47 × 109a
2.41 × 106a
8.1 × 107a
7.38 × 103a
1.6 × 107a
1.38 × 103a
350a
277d
100d
55d
1h
3min
111
108
105
103
100
99
98.5
98
97.7
(3)
(4)
(5),4
(6),3,4,5
(5),3,4,6,7
(4),3,5,6
(3),4,5,6
(3),4
(3),4
(3),4
(3),4
(3),4
(3),3
(3),3
3
24-2 锕系元素
*
24-2-2 氧化态不再单一
★ 虽然锕系元素的前一半容易显示高氧化态，但 +3 价离子的
稳定性随着原子序数的增加而增加，而+3 价是镧系元素的
特征氧化态；
★ 锕系元素的三氯化物，二氧化物以及许多盐与相应的镧系
元素化合物类质同晶；
最稳定氧化态
溶液内不存在
+2
+3
+4
+5
+6
+7
同作为 f 区的元素，锕系与镧系有许多相似之处：
24-2 锕系元素
*
24-2-3 重要的单质和化合物
24-2 锕系元素
① 铀及其化合物
铀： 银灰色活泼金属。空气中易被氧化而变黑，密度大，与金相近。能溶于酸，能与许多非金属单质直接化合。空气中微微受热即燃烧，粉末状的铀在空气中甚至能自燃。
铀的氧化物
U3O8：存在于沥青铀矿中，暗绿色，难溶于水。
UO2： 棕黑色，难溶于水，酸；高温时可被氧化成U3O8 。
*
铀的卤化物一般都有颜色，UF6 特殊。
UO3： 橙黄色；两性。
+6 是铀最稳定的价态。
溶于 NaOH 可析出黄色的重铀酸钠 Na2U2O7 · 6H2O 。加热脱水后，无水盐称铀黄。
溶于 HNO3 则生成硝酸铀酰。
UO3 + 2HNO3 UO2(NO3)2 + H2O
24-2 锕系元素
*
UF6：无色晶体，八面体构型；干燥空气中稳定，遇水气立即水解
UF6 + 2H2O UO2F2 + 4 HF
基于 238UF6 和 235UF6 蒸气扩散速度的差别，可将 235U 从丰度为99％的 238UF6 中分离出来，用于原子能开发。
UCl6：八面体结构；其它卤化物为聚合物，且具有高配位数。
24-2 锕系元素
*
② 钍及其化合物
钍：银白色活泼金属。
在浓硝酸中钝化。
Th + 4 HCl ThCl4 + H2
Th + O2 ThO2
矿物 Th(OH)4 ThO2 Th
Ca
ThO2 + 2 Ca 2 CaO + Th
24-2 锕系元素
*
Th(NO3)4 重要的试剂
Th 受中子照射后转化成核裂变材料，所以钍可用于原子能开发。
Th4+ 易水解；易形成配位数高的配合物，配位数可达12。
ThO2 ：熔点最高的氧化物（ mp 3660 K ）；最好的溶剂是HNO3－HF 的混合酸。
800 K 下加热草酸钍，可得到能溶于酸质的 ThO2 。
24-2 锕系元素
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锕系元素都有很强烈的放射性，元素及其化合物均不易得到，有关化学性质的研究是在微克量级甚至数百个原子的量级上进行的！所有的操作都必须采取防护措施！
24-2 锕系元素
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1 核裂变和核聚变
核裂变：重核受粒子轰击分裂为两个碎片（新核）的核反应。
原子弹
用中子轰击铀核，使之分裂。同时，射出的中子导致其它核的裂变，从而导致一系列的爆炸性的链式核裂变反应，释放巨大的能量。
24 － 2 － 4 超铀元素与核化学
24-2 锕系元素
裂变材料的质量的需要小于临界质量。使用时将两块合并成一块。
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因不受临界体积的限制，氢弹的爆炸力可能比原子弹大千百倍。
利用裂变爆炸所造成的极高温度，使内部的轻原子核发生剧烈而不可控制的聚变反应。
核聚变：较轻原子核聚合为较重的原子核并放出巨大能量的过程称为核聚变。
氢弹
24-2 锕系元素
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2 人造元素的合成
具有 2、8、20、28、50、82 个质子和 2、8、20、28、50、82、126 个中子的核稳定。
这些奇异的数字被称为幻数。
铀以后的元素的质子幻数是 114、164，中子幻数是184、196、228、272、318。
合成超重元素的困难在于合成方法和新核素的寿命。
24-2 锕系元素
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