Атомна структура рідкоземельного оксиду

Атомну структуру рідкоземельних елементів можна представити як 4fx5d16s2, де x змінюється від 0 до 14. Після того, як рідкоземельні елементи перетворюються з металів на іони, зовнішня сторона орбіталі 4f все ще оточує електронну хмару 5s25p6, втрачаючи 6s2 електронів і 5d1 або 4f втрачаючи один електрон, утворюючи електронну структуру 4fx5s25p6. У рідкоземельних металах електрони 6s і 5d утворюють зони провідності, тоді як електрони 4f локалізовані всередині атома. Локалізація та неповне заповнення цих 4f-електронів відобразиться на їхніх різних фізичних властивостях.
Електрони 4f розташовані на внутрішніх атомних орбіталях, а електронна хмара 5s25p6 має на них екрануючий ефект. Простір для розширення 4f-орбіталей дуже малий, тому на них менше впливає поле кристалізації, поле ліганду тощо; Навпаки, взаємодія між його спіном (MS) і орбіталлю (ML) є значною, що призводить до зв’язку між ff електронною орбіталлю L і спіном S, що призводить до розщеплення E4f на багато підрівнів енергетичних рівнів з невеликими відмінностями, кожен з яких відповідає спектральному члену 2s+1L.
Валентність рідкоземельних елементів має кілька валентних станів і існує ефект змінної валентності. Церій, самарій, європій та інші сполуки мають атомні валентності 3, 4 або співіснування 2 і 3, і зміни цих атомних валентностей або надзвичайно швидкі, або дуже повільні, що дуже привертає увагу. Рідкоземельні іони мають високі ціни на електроенергію, великі радіуси та чутливі до поляризації. Чим вище сила поляризації, тим більше показник заломлення. У керамічних пігментах високий показник заломлення рідкоземельних іонів використовується, щоб зробити декоративні зображення яскравими та барвистими. У порівнянні зі звичайними глазурними пігментами, пігменти з додаванням рідкоземельних елементів мають більш темний колір.
Рідкоземельні елементи від La до Lu схильні до втрати {{0}} електронів, 1 5d електронів або 4f електронів, утворюючи тривалентні катіони (4fx5s25p6). Тому більшість оксидів рідкоземельних елементів є Ln2O3. Крім того, розташування електронів 4f0, 4f7 і 4f14 (повністю порожній, частково заповнений, повністю заповнений) елементів лантаноїдів є відносно стабільним, а іони з таким структурним типом, як правило, безбарвні.