1. 寫出17種稀土元素的原子電子組態和三價離子電子組態，並分析其規律。 解：如表：
稀土原子的電子組態有三種類型：
①無4f電子組態：鈧Sc [Ar]3d14s2；釔Y[Kr]4d15s2；鑭La[Xe]5d16s2 ②[Xe]4f n5d16s2組態（n=1，7，14）：鈰Ce；釓Gd；鑥Lu ③[Xe]4f n組態（n=3～7，9～14）：鐠Pr；釹Nd；鉕Pm；釤Sm；銪Eu；鋱Tb；鏑Dy； 鈥Ho；鉺Er；銩Tm；鐿Yb 稀土三價離子的電子組態有二種類型：
①惰性氣體組態：Sc 3+[Ar]；Y3+[Kr]；La3+[Xe] ②[Xe]4f n組態（n=1～14）：Ce3+；Pr3+；Nd3+；Pm3+；Sm3+；Eu3+；Gd3+；Tb3+；Dy3+；Ho3+； Er3+；Tm3+；Yb3+；Lu3+
2. 什麼是單向變化？並解釋爲何出現單向變化？
答：單向變化是指鑭系元素的性質隨原子序數增大而逐漸變化(如逐漸增大或減小等)的現象。
原因是鑭系元素的4f亞層的電子隨原子序數增大從0～14單調增大，而f電子雲較分散，對所增加的核電荷不能完全屏蔽，有效核電荷呈單調增加，對外層電子的引力也單調增強，從而使鑭系元素的性質呈單調變化趨勢。
3. 什麼是釓斷效應？並解釋爲何出現釓斷效應？ 答：釓斷效應是指鑭系元素的性質隨原子序數的增大而呈現單調變化的關係中，在釓附近出現不連續的現象。
原因是釓具有半充滿的4f 7電子結構，屏蔽能力略有增加，有效核電荷略有減少，對外層電子吸引力稍弱，從而產生了釓斷效應。
4. 什麼是鑭系收縮？產生的原因是什麼？
答：鑭系收縮是指鑭系元素的原子半徑和離子半徑隨原子序數的增加而依次減小的現象。
原因是隨着原子序數的增大，電子逐一填入4f亞層，f電子雲較分散，對所增加的核電荷不能完全屏蔽，有效核電荷增加，對外層電子的引力也相應增加，使電子雲更靠近核，造成了半徑逐漸減小而產生了所謂的鑭系收縮效應。
5. 什麼是雙峯效應？並加以解釋。 答：雙峯效應是指鑭系元素的性質隨原子序數的增大而呈現單調變化的關係中，在銪和鐿處出現峯值或谷底的現象。
原因是銪和鐿的4f亞層電子處於半充滿和全充滿的穩定狀態，在晶格中只能提供最外層6s亞層的兩個電子形成金屬鍵，從而比金屬鍵爲3電子的其它稀土元素的原子半徑大得多。
6. 計算出17種稀土元素二價和三價離子的`基譜項和基譜支項。 解：
如表1：稀土元素二價離子的基譜項和基譜支項
6. 計算出17種稀土元素自由原子的基譜項和基譜支項。 解：
7. 稀土金屬的製備方法有幾類？分別詳細的說明。 答：兩類。金屬熱還原法和熔鹽電解法。
1. 金屬熱還原法制備稀土金屬（釤、銪和重稀土金屬） 三步驟：
1.1金屬無水鹵化物的製備
（1）金屬的鹵化：2Re + 3X2→2REX32Re + 6HX→2REX3 +3H22Re +3HgX2→2REX3 +3Hg （2）水合物脫水：ReX3·nH2O→ReOX +2HX + (n-1)H2OLnOCl +2NH4Cl→LnCl3+H2O+NH3ReX3·nH2O + nSOCl2→REX3 +nSO2+2nHCl （3）氧化物的鹵化：RE2O3 +6NH4F→2REF3 + 3H2O + 6NH3 RE2O3 +3CaF2→2REF3 + 3CaORE2O3+3Cl2+3C→2RECl3 +3CO RE2O3+3Br2+3CO→2REBr3 +3CO2 1.2金屬熱還原：如 2CeF3+3Ca→3CaF2+2Ce 選擇金屬還原劑很重要，注意幾點：
（1）使還原得到的金屬與還原劑的產物較好的分離；
（2）採用低溫還原，減少雜質污染，延長坩堝使用壽命； （3）還原劑最好不與還原得到的金屬形成合金； （4）還原劑易於提純；
（5）作爲還原劑的金屬熔點和蒸氣壓應比較低(鋰除外)； （6）還原劑應廉價，易於得到。 1.3金屬的純化
（1）真空熔鍊法 用於除去金屬中的Ca、F、H等雜質。方法是在真空條件下把稀土金屬加熱至1450～1900℃(在金屬熔點以上100～1000℃)進行熔鍊，把雜質揮發出去。熔鍊的溫度決定於稀土金屬的蒸氣壓，對於易揮發的金屬採用低溫熔鍊，以減少金屬損耗。熔鍊的時間決定於純化金屬的量。
（2）蒸餾（或昇華） 用於易揮發的金屬如Sm、Eu、Tm、Yb和Er、Lu、Sc、Y等。方法是在真空條件下加熱到稀土金屬有足夠蒸氣壓，把它們蒸餾或昇華出去，從而可以除去O、N、C、Ta等雜質。此法常用於真空熔鍊後的金屬純化。
（3）區域熔鍊 主要用於進一步除去金屬中的H、N、O、C等雜質，得到99.99%或接近於99.999%的金屬。
（4）電傳輸法 原理是在電場的作用下使金屬中雜質離子按順序移動，移向金屬兩端，使金屬得到提純。方法是把正負極固定在金屬棒兩端，在真空和惰性氣氛中，以直流電加熱到金屬熔點以下100～200℃時，進行長時間的電解（幾天至幾周），使雜質向兩極移動，金屬的中間部分純度較高，切去兩端，即得高純金屬。
電傳輸法用於金屬Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Gd、Tb、Dy、Ho、Er和Lu的純化；Sm、Eu、Tm、Yb因其蒸氣壓高，不宜用電傳輸法純化。
2. 熔鹽電解法制備稀土金屬（La、Ce、Pr和Nd等輕稀土）目前採用氯化物熔鹽體系和氧化物-氟化物熔鹽體系。熔鹽體系的條件：
（1）體系中其它鹽的分解電壓在比稀土鹽的分解電壓高（至少差0.2V），否則，在陰極析出稀土的同時，其它金屬也析出；
（2）熔鹽體系要有良好的導電性，熔化溫度要低於操作溫度，黏度要小； （3）稀土金屬在其熔鹽中的溶解度儘可能小，以提高電流效率。 2.1 氯化物熔鹽體系電解稀土金屬
陰極還原反應：RE3++3e-→RE 但Sm3+、Eu3+爲不完全還原反應：RE3++e-→RE2+
陽極氧化反應：2Cl--2e-→2Cl2
氯化物熔鹽體系是由稀土氯化物和氯化鈉或氯化鉀或氯化鈣組成的二元或三元體系，克服單一稀土氯化物熔點高、黏度大、不穩定（易與水和氧作用）和稀土金屬在熔鹽中溶解度較大等缺點。
電解溫度的選擇十分重要。電解溫度偏高，金屬在鹽中溶解度大，電解質揮發大，電流效率低；電解溫度偏低，電解時生成金屬“霧”（金屬在電解質中的膠體懸浮霧），也要降低電流效率。
2.2 氧化物-氟化物熔鹽體系電解稀土金屬
此法是把稀土氧化物溶解在由REF3-LiF或REF3-CaF2（BaF2)組成的熔鹽體系中進行電解。如採用CeF320mol、LiF35mol、BaF25mol組成的熔鹽體系，將CeO2溶解其中，在880～900℃下進行電解，可得99.7%～99.8%的金屬鈰。 陰極還原反應：RE3++3e-→RE
陽極氧化反應：O2-+C-2e-→CO；2O2-+C-4e-→2CO2；2O2--4e-→O2； 電解法只能得到粗金屬，必須純化才能得到純金屬。
8. 稀土金屬的純化方法有幾種？分別詳細的說明。 答：四種。
（1）真空熔鍊法 用於除去金屬中的Ca、F、H等雜質。方法是在真空條件下把稀土金屬加熱至1450～1900℃(在金屬熔點以上100～1000℃)進行熔鍊，把雜質揮發出去。熔鍊的溫度決定於稀土金屬的蒸氣壓，對於易揮發的金屬採用低溫熔鍊，以減少金屬損耗。熔鍊的時間決定於純化金屬的量。
（2）蒸餾（或昇華） 用於易揮發的金屬如Sm、Eu、Tm、Yb和Er、Lu、Sc、Y等。方法是在真空條件下加熱到稀土金屬有足夠蒸氣壓，把它們蒸餾或昇華出去，從而可以除去O、N、C、Ta等雜質。此法常用於真空熔鍊後的金屬純化。
（3）區域熔鍊 主要用於進一步除去金屬中的H、N、O、C等雜質，得到99.99%或接近於99.999%的金屬。
（4）電傳輸法 原理是在電場的作用下使金屬中雜質離子按順序移動，移向金屬兩端，使金屬得到提純。方法是把正負極固定在金屬棒兩端，在真空和惰性氣氛中，以直流電加熱到金屬熔點以下100～200℃時，進行長時間的電解（幾天至幾周），使雜質向兩極移動，金屬的中間部分純度較高，切去兩端，即得高純金屬。
電傳輸法用於金屬Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Gd、Tb、Dy、Ho、Er和Lu的純化；Sm、Eu、Tm、Yb因其蒸氣壓高，不宜用電傳輸法純化。
9. 試述稀土離子吸收光譜的產生原因。
答：稀土離子吸收光譜的產生可歸因於三種情況：來自fn組態內的能級得間的躍遷，即f→f躍遷；組態間的能級躍遷，即f→d躍遷；電荷躍遷，配體向金屬離子的電荷躍遷。 1. f→f躍遷
（1）f→f躍遷是宇稱選擇規則禁阻的，因此次能觀察到氣態的稀土離子的f→f躍遷光譜，由於配體場微攏，溶液和固體稀土化合物中雖能觀察到相應的光譜，但相對於d→d躍遷光譜來說是相當弱的。
