Известно более 200 изотопов редкоземельных элементов. Из них 54 встречаются в природной смеси элементов, остальные получены искусственно и являются радиоактивными. Редкоземельные металлы отличаются высокой химической активностью и взаимодействуют со всеми элементами. Они образуют весьма прочные окислы, галоидные соединения, сульфиды. Для лантаноидов наиболее характерны соединения трехвалентных элементов. Исключение составляет церий, легко переходящий в четырехвалентное состояние. Кроме церия четырехвалентные соединения образуют празеодим и тербий. Двухвалентные соединения известны у самария, европия и иттербия. По физико-химическим свойствам лантаноиды весьма близки между собой. Это объясняется особенностью строения их электронных оболочек.
Суммарное содержание редкоземельных элементов и тория в земной коре составляет 0,01. Известно более 250 минералов, содержащих редкоземельные элементы. Однако к собственно редкоземельным минералам могут быть отнесены только 60—65 минералов, в которых содержание TR превышает 5—8%. Главнейшие минералы редких земель — монацит (Се, La) [РO4], ксенотим YPO4, бастнезит Се[CO3] (ОН, F), паризит Ca(Ce, La)2[CO3]3 F2, гадолинит Y2FeBe2Si2O10, ортит (Са, Се)2 (Al, Fe)3Si3O12 (О, ОН), лопарит (Na, Ca, Ce) (Ti, Nb)O3, эшинит (Ce, Са, Th) (Ti, Nb)2O6.
Промышленным сырьем смешанных и существенно цериевых редкоземельных элементов служат монацит и бастнезит (в последнее время преимущественно последний).
Поскольку редкие земли в соединениях трехвалентны, то при изоморфном замещении двух- и четырехвалентных элементов с близкими ионными радиусами необходима ионная компенсация, которая может осуществляться по одной из следующих схем:
Mn2+Si+4 ← Y3++Al3+ (спессартин), Ca2++Ca2+ ← Na1+Ce3+ (перовскит, кнопит), Ca2+Nb5+ ← Ce3+Ti4+ (пирохлор), Ca2+Ti4+ ← Y3+Al3+ (ортит), Ca2+F21- ← Y3+O2-F1- (иттрофлюорит), Ca2+P5+ ← Ce3+Si4+ (апатит, бритолит).
Из приведенных схем ясно, что в кальцийсодержащих породах редкие земли будут рассеиваться, несмотря на неограниченный изоморфизм. В группе редких земель в определенных геологических условиях возможна раздельная концентрация элементов иттриевой и цериевой подгрупп. Например, с щелочными породами и связанными с ними постмагматическими продуктами преимущественно развита цериевая подгруппа, а с постмагматическими продуктами гранитоидов с повышенной щелочностью — иттриевая [Хомяков А. П., Семенов Е. И., 1971]. Большинство фторкарбонатов обогащено элементами цериевой подгруппы. Многие ниобо-танталаты содержат иттриевую подгруппу, а титанаты и титано-тантало-ниобаты — цериевую.
Некоторая дифференциация редких земель отмечается и в экзогенных условиях, но причины ее пока неясны. Изоморфное замещение редких земель между собой, несмотря на разницу в их порядковых номерах (от 57 до 71), обусловлено явлениями «лантаноидного сжатия»: с увеличением порядкового номера происходит достройка внутренних, а не внешних электронных орбит, в результате чего объем ионных построек не увеличивается.
Селективное накопление редкоземельных элементов в минералах и горных породах может быть обусловлено различиями в радиусах их ионов (по данным В. В. Щербины). Дело в том, что радиусы ионов лантаноидов закономерно уменьшаются от лантана (0,122 нм). Вследствие этого возможно преимущественное изоморфное замещение в зависимости от степени различия в размерах замещенных ионов редкоземельных элементов. Так, в скандиевых, циркониевых и марганцевых минералах могут присутствовать только редкие земли ряда лютеций — диспрозий; в урановых минералах преимущественно накапливаются элементы средней части ряда (иттрий, диспрозий, гадолиний); в ториевых минералах должны концентрироваться элементы цериевой группы; в состав стронциевых и бариевых минералов могут входить только элементы ряда европий — лантан.