鑭系元素的三氯化物

鑭系元素的三氯化物是一組化學式為LnCl₃的無機化合物，其中Ln代表任何鑭系元素。三氯化物在鑭系元素的應用和學術化學研究中是標準的試劑。它們以無水固體和水合物形式存在。

性質

無水固體的熔點從582 °C（Tb）到925 °C（Lu）不等。它們一般呈淡色，通常是白色。

鑭系元素的三氯化物^[1]
MCl₃	顏色	結構類型	備註
ScCl₃	無色	AlCl₃型	通常不歸類為鑭系元素
YCl₃	無色	AlCl₃型	通常不歸類為鑭系元素
LaCl₃	無色	UCl₃型	抗磁性
CeCl₃	無色	UCl₃型	-
PrCl₃	綠色	UCl₃型	-
NdCl₃	粉紅色	UCl₃型	-
PmCl₃	綠色	UCl₃型	放射性
SmCl₃	黃色	UCl₃型	-
EuCl₃	黃色	UCl₃型	-
GdCl₃	無色	UCl₃型	對稱電子層
TbCl₃	白色	PuBr₃型	-
DyCl₃	白色	AlCl₃型	-
HoCl₃	黃色	AlCl₃型	-
ErCl₃	紫色	AlCl₃型	-
TmCl₃	黃色	AlCl₃型	-
YbCl₃	無色	YCl₃型	-
LuCl₃	無色	AlCl₃型	抗磁性

製備

鑭系元素的氧化物和碳酸鹽在鹽酸中溶解，得出水合陽離子的氯鹽：

M₂O₃ + 6 HCl + n H₂O → 2 [Ln(H₂O)_n]Cl₃

工業途徑

無水三氯化物在工業上通過氧化物的碳熱反應生產：^[2]

M₂O₃ + 3 Cl₂ + 3 C → 2 MCl₃ + 3 CO

氯化銨途徑

氯化銨途徑是指鑭系元素的無水氯化物的一種生產過程。這個方法好處在於，它適用於所有14個鑭系元素，而且可以生成耐水解、對空氣穩定的中間體。使用氯化銨作為試劑相當方便，因為鹽是無水的，即使在空氣中處理也會如此。另一個好處是，氯化銨會在與三氯化物的穩定性相容的溫度，熱分解成揮發性產物。^[3]^[4]^[5]

第一步：製備鑭系元素的氯銨化物

鑭系元素的氧化物和過量氯化銨的混合物進行反應時，會生成五氯化物和六氯化物的無水銨鹽。通常需要讓混合物在230-250 °C下反應數小時。^[4]部分鑭系元素（以及鈧和釔）會形成五氯化物：

M₂O₃ + 10 NH₄Cl → 2 (NH₄)₂MCl₅ + 3 H₂O + 6 NH₃

（M = Dy、Ho、Er、Tm、Lu、Yb、Y、Sc）

Tb₄O₇ + 22 NH₄Cl → 4 (NH₄)₂TbCl₅ + 7 H₂O + 14 NH₃

其他鑭系元素則會形成六氯化物：

M₂O₃ + 12 NH₄Cl → 2 (NH₄)₃MCl₆ + 3 H₂O + 6 NH₃

（M = La、Ce、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd）

Pr₆O₁₁ + 40 NH₄Cl → 6 (NH₄)₃PrCl₆ + 11 H₂O + 22 NH₃

這些反應也可以以金屬開始，例如：^[4]

Y + 5 NH₄Cl → (NH₄)₂YCl₅ + 1.5 H₂ + 3 NH₃

第二步：將鑭系元素的氯銨化物熱分解

鑭系元素的氯銨化物在真空下受熱，轉化為三氯化物。這個反應通常在350–400 °C開始：^[4]

(NH₄)₂MCl₅ → MCl₃ + 2 HCl + 2 NH₃

(NH₄)₃MCl₆ → MCl₃ + 3 HCl + 3 NH₃

其他方法

鑭系元素的三氯化物水合物在氯化氫的熱流下去掉水分。^[3]

結構

如上表所示，無水三氯化物主要有兩種結構，UCl₃和YCl₃。UCl₃結構有配位數為9的金屬原子。只有TbCl₃具有的PuBr3結構，其金屬原子的配位數為8。其餘金屬的配位數為6，與三氯化鋁一樣。^[7]

反應

在商業中，用物質（如鋁）還原鑭系元素的三氯化物，可得所對應的金屬：^[2]

LnCl₃ + Al → Ln + AlCl₃

在某些情況下，三氟化物更常用。

它們與潮濕空氣反應生成氯氧化物：

LnCl₃ + H₂O → LnOCl + 2 HCl

對研究合成的科學家來說，這個反應反而會產生問題，因為氯氧化物的活潑性較低。

參考文獻

^ Greenwood, Norman Neill; Earnshaw, Alan. Chemistry of the elements. 2016. ISBN 978-0-7506-3365-9. OCLC 1040112384 （英語）.
^ ^2.0 ^2.1 I. McGill, Rare Earth Elements, Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, Weinheim: Wiley-VCH, 2005, doi:10.1002/14356007.a22_607
^ ^3.0 ^3.1 Brauer, G. (編). Handbook of Preparative Inorganic Chemistry 2nd. New York: Academic Press. 1963.
^ ^4.0 ^4.1 ^4.2 ^4.3 Meyer, G. The Ammonium Chloride Route to Anhydrous Rare Earth Chlorides-The Example of YCl₃. Inorganic Syntheses 25. 1989: 146–150. ISBN 978-0-470-13256-2. doi:10.1002/9780470132562.ch35.
^ Edelmann, F. T.; Poremba, P. Herrmann, W. A. , 編. Synthetic Methods of Organometallic and Inorganic Chemistry VI. Stuttgart: Georg Thieme Verlag. 1997. ISBN 978-3-13-103021-4.
^ Habenschuss, A.; Spedding, F. H. Dichlorohexaaquagadolinium(III) Chloride (GdCl₂(H₂O)₆)C. Crystal Structure Communications. 1980, 9: 213-218.
^ Cotton, Simon A. Scandium, Yttrium & the Lanthanides: Inorganic & Coordination Chemistry. Encyclopedia of Inorganic and Bioinorganic Chemistry. 2011. ISBN 9781119951438. doi:10.1002/9781119951438.eibc0195.

[1] Greenwood, Norman Neill; Earnshaw, Alan. Chemistry of the elements. 2016. ISBN 978-0-7506-3365-9. OCLC 1040112384 （英語）.

[Ull-2] 2.0 ^2.1 I. McGill, Rare Earth Elements, Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, Weinheim: Wiley-VCH, 2005, doi:10.1002/14356007.a22_607

[Brauer-3] 3.0 ^3.1 Brauer, G. (編). Handbook of Preparative Inorganic Chemistry 2nd. New York: Academic Press. 1963.

[IS-4] 4.0 ^4.1 ^4.2 ^4.3 Meyer, G. The Ammonium Chloride Route to Anhydrous Rare Earth Chlorides-The Example of YCl₃. Inorganic Syntheses 25. 1989: 146–150. ISBN 978-0-470-13256-2. doi:10.1002/9780470132562.ch35.

[EdelmannPoremba1997-5] Edelmann, F. T.; Poremba, P. Herrmann, W. A. , 編. Synthetic Methods of Organometallic and Inorganic Chemistry VI. Stuttgart: Georg Thieme Verlag. 1997. ISBN 978-3-13-103021-4.

[6] Habenschuss, A.; Spedding, F. H. Dichlorohexaaquagadolinium(III) Chloride (GdCl₂(H₂O)₆)C. Crystal Structure Communications. 1980, 9: 213-218.

[7] Cotton, Simon A. Scandium, Yttrium & the Lanthanides: Inorganic & Coordination Chemistry. Encyclopedia of Inorganic and Bioinorganic Chemistry. 2011. ISBN 9781119951438. doi:10.1002/9781119951438.eibc0195.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

閱論編元素化合物專題
鹼金屬鹼土金屬	鋰化合物鈉化合物鉀化合物（哈薩克語：Калий қосылыстары）銣化合物銫化合物鹼化物鹼金屬鹵化物鈹化合物鎂化合物低價鎂化合物鈣化合物（哈薩克語：Кальций қосылыстары）鍶化合物鋇化合物（哈薩克語：Барий қосылыстары）鐳化合物（英語：Radium compounds）鹼土金屬鹵化物
硼族元素	硼化合物（英語：Boron compounds）硼酸鹽氟硼酸鹽硼烷硼氫化物鋁化合物（英語：Aluminium compounds）（一價鋁化合物（英語：Aluminium(I)_compounds））鋁化物鋁酸鹽鎵化合物（英語：Gallium compounds）銦化合物鉈化合物
碳族元素	碳化合物碳化物碳酸鹽硫代碳酸鹽氰化物氰酸鹽矽化合物（哈薩克語：Кремний қосылыстары）（二元矽化合物（英語：Binary compounds of silicon））矽化物矽酸鹽氟矽酸鹽鍺化合物鍺酸鹽亞鍺錯合物（英語：Germanium(II) dicationic complexes）錫化合物錫化物亞錫酸鹽（英語：stannite (ion)）錫酸鹽鉛化合物鉛化物亞鉛酸鹽鉛酸鹽
氮族元素	氮化合物氮化物疊氮化物亞硝酸鹽硝酸鹽銨鹽（四級銨鹽 · 四甲基銨鹽 · 四乙基銨鹽 · 四丙基銨鹽 · 四丁基銨鹽（英語：tetrabutylammonium））𨥙鹽磷化合物磷化物磷酸鹽焦磷酸鹽六氟磷酸鹽鏻鹽砷化合物砷化物亞砷酸鹽砷酸鹽六氟砷酸鹽（英語：Hexafluoroarsenate）銻化合物銻化物六氟銻酸鹽鉍化合物（英語：Bismuth compounds）多鉍陽離子（英語：Bismuth polycations）
氧族元素	氧化合物（英語：Compounds of oxygen）氧化物氫氧化物過氧化物超氧化物臭氧化物二氧基鹽硫化合物硫化物二硫化物多硫化物硫氰酸鹽亞硫酸鹽硫代硫酸鹽硫酸鹽焦硫酸鹽過硫酸鹽三甲基氧化鋶鹽（英語：Trimethylsulfoxonium）硒化合物硒化物硒氰酸鹽亞硒酸鹽硒酸鹽碲化合物（英語：Tellurium compounds）碲化物碲氰酸鹽亞碲酸鹽碲酸鹽釙化合物釙化物硫屬化物硫屬化氫硫屬化銦（英語：Indium chalcogenides）
鹵素、氫惰性氣體	氟化合物氟化物氯化合物氯化物次氯酸鹽亞氯酸鹽氯酸鹽過氯酸鹽六氟合氯(VII)鎓鹽溴化合物（英語：Bromine compounds）溴化物溴酸鹽過溴酸鹽碘化合物（哈薩克語：Йод қосылыстары）碘化物三碘化物多碘化物碘酸鹽過碘酸鹽砈化合物（英語：Astatine compounds）鹵化物（金屬鹵化物 · 非金屬鹵化物 · 鹵化氫 · 鹵化鎵（英語：Gallium halides） · 鹵化銦（英語：Indium halides） · 鹵化鉈（英語：Thallium halides） · 鹵化磷 · 鹵化砷 · 鹵化銀 · 鹵化金 · 鹵化氰）低鹵化物互鹵化物次鹵酸鹽亞鹵酸鹽鹵酸鹽二元氫化合物（英語：binary compounds of hydrogen）氫化物惰性氣體化合物氦化合物（英語：Helium compounds）氖化合物（英語：Neon compounds）氬化合物（英語：Argon compounds）氪化合物氙化合物（英語：Xenon compounds）氙酸鹽過氙酸鹽氡化合物（英語：Radon compounds）
鈧、釔鑭系、錒系	鈧化合物釔化合物鑭化合物鈰化合物（英語：Cerium compounds）鐠化合物釹化合物鉕化合物（英語：Promethium compounds）釤化合物銪化合物釓化合物鋱化合物鏑化合物鈥化合物鉺化合物（英語：Erbium compounds）銩化合物鐿化合物（英語：Ytterbium compounds）鎦化合物錒化合物（英語：Actinium compounds）釷化合物鏷化合物（英語：Protactinium compounds）鈾化合物鈾醯錼化合物（英語：Neptunium compounds）錼醯鈽化合物（英語：Plutonium compounds）鈽醯（英語：Plutonyl）鋂化合物（英語：Americium compounds）鋦化合物（英語：Curium compounds）鉳化合物鉲化合物鑀化合物
鈦族、釩族	鈦化合物（英語：Titanium compounds）鈦酸鹽鋯化合物鋯酸鹽氟鋯酸鹽鉿化合物（英語：Hafnium compounds）鉿酸鹽釩化合物（英語：Vanadium compounds）釩酸鹽釩醯高釩醯鈮化合物鉭化合物
鉻族、錳族	鉻化合物（英語：Chromium compounds）亞鉻酸鹽六價鉻鉻酸鹽重鉻酸鹽鉬化合物鉬酸鹽硫代鉬酸鹽鎢化合物鎢酸鹽硫代鎢酸鹽錳化合物錳酸鹽過錳酸鹽鎝化合物過鎝酸鹽錸化合物（英語：Rhenium compounds）過錸酸鹽
鐵系、鉑系	鐵化合物亞鐵氰酸鹽鐵氰酸鹽鐵酸鹽高價鐵化合物（英語：High-valent iron）鈷化合物鈷氰酸鹽高鈷酸鹽鎳化合物鎳氰酸鹽釕化合物（英語：Ruthenium compounds）銠化合物鈀化合物三價鈀化合物（英語：Palladium(III) compounds）鋨化合物銥化合物（英語：Iridium compounds）鉑化合物氯鉑酸鹽
銅族、鋅族元素	銅化合物銅酸鹽銅(III)酸鹽銅(IV)酸鹽銀化合物（英語：Silver compounds）金化合物鋅化合物鎘化合物汞化合物（西班牙語：Compuestos de mercurio）亞汞化合物