Lanthanoide (Seltenerdmetalle)

Auffüllen der 4f-Unterschale

Entlang der Lanthanoide werden Elektronen in die 4f-Unterschale eingebaut, die tief im Atom unter den 5s- und 5p-Elektronen liegt. Viele Lanthanoide haben die Konfiguration [Xe] 4fⁿ 6s², wie Neodym ([Xe] 4f⁴ 6s²). Lanthan ([Xe] 5d¹ 6s²) hat noch keine 4f-Elektronen, und Lutetium ([Xe] 4f¹⁴ 5d¹ 6s²) hat eine volle 4f-Unterschale.

Würde man alle 15 in die Haupttabelle einfügen, wäre diese 32 Spalten breit, deshalb werden sie getrennt abgebildet. Chemiker streiten noch immer darüber, ob Lanthan oder Lutetium unter Yttrium in Gruppe 3 gehört; diese Seite zeigt beide in der Lanthanoid-Zeile.

Eigenschaften und Reaktionen

Die Lanthanoide sind weiche, silbrige Metalle, die an der Luft anlaufen. Sie reagieren langsam mit kaltem und schneller mit heißem Wasser und setzen dabei Wasserstoff frei: 2La + 6H₂O → 2La(OH)₃ + 3H₂. Weil die tief liegenden 4f-Elektronen kaum an Bindungen beteiligt sind, bilden fast alle Lanthanoide dreifach positiv geladene Ionen und haben eine sehr ähnliche Chemie, auch wenn Cer außerdem +4 und Europium und Ytterbium +2 sein können.

Ungepaarte 4f-Elektronen verleihen vielen Lanthanoid-Ionen starken Magnetismus und scharfe, reine Lichtfarben. Promethium ist das einzige Lanthanoid ohne stabile Isotope und kommt in der Natur kaum vor.

Die Lanthanoidenkontraktion

Von Lanthan bis Lutetium werden die dreifach positiv geladenen Ionen stetig kleiner, weil jedes zusätzliche Proton stärker an den Elektronen zieht, während sich die 4f-Elektronen gegenseitig nur schlecht abschirmen. Chemiker nutzen diese kleinen Größenunterschiede, um die Lanthanoide zu trennen. Die Kontraktion erklärt auch, warum Hafnium und die anderen Übergangsmetalle der 6. Periode fast so groß sind wie die Metalle darüber.

Selten, aber nützlich

Trotz des Namens sind die meisten Seltenen Erden nicht besonders selten: Cer ist in der Erdkruste etwa so häufig wie Kupfer. Sie kommen gemischt in Mineralen wie Monazit und Bastnäsit vor und sind schwer zu trennen.

Neodym-Eisen-Bor-Magnete sind die stärksten verfügbaren Permanentmagnete und stecken in Motoren von Elektroautos, Windkraftanlagen, Kopfhörern und Festplatten. Europium und Terbium liefern rotes und grünes Licht in Bildschirmen und Lampen, Erbium verstärkt Signale in Glasfaserkabeln, Gadolinium ist ein Kontrastmittel für MRT-Untersuchungen, und Cer(IV)-oxid poliert Glas. Lanthan steckt in Kameraobjektiven und Nickel-Metallhydrid-Akkus.