Warum stehen die Lanthanoide und Actinoide unten im Periodensystem?

Wo sie eigentlich hingehören

Folge den Ordnungszahlen durch Periode 6: Caesium (55), Barium (56), dann ein Sprung zu Hafnium (72). Die 15 Elemente von Lanthan (57) bis Lutetium (71) füllen diese Lücke. Periode 7 hat dieselbe Lücke zwischen Radium (88) und Rutherfordium (104), gefüllt von den 15 Elementen von Actinium (89) bis Lawrencium (103).

Viele Tabellen markieren die Stelle in Gruppe 3 mit einem Platzhalter mit der Aufschrift 57–71 oder 89–103. Würdest du die beiden Zeilen an ihren Platz schieben, enthielten die Perioden 6 und 7 jeweils 32 Elemente, und die Tabelle hätte 32 statt 18 Spalten. Dieser breite Aufbau heißt Langform oder 32-Spalten-Periodensystem.

Der f-Block

Die Lanthanoide und Actinoide bilden den f-Block. In diesen Zeilen werden Elektronen hauptsächlich in eine f-Unterschale gefüllt, die zwei Schalen unter der äußersten liegt: 4f bei den Lanthanoiden und 5f bei den Actinoiden. Eine f-Unterschale fasst 14 Elektronen, weshalb der f-Block 14 Spalten breit ist.

Jede Zeile führt 15 Elemente auf, eines mehr als die 14 Spalten des f-Blocks. Das liegt daran, dass sowohl Lanthan als auch Lutetium als Lanthanoide zählen und sowohl Actinium als auch Lawrencium als Actinoide, während nur eines von jedem Paar wirklich in Gruppe 3 gehört. Chemiker streiten noch immer darüber, welches Paar das sein sollte.

Weil die hinzukommenden Elektronen so tief im Atom sitzen, ändern sich die äußersten Elektronen innerhalb jeder Zeile kaum. Jedes Lanthanoid endet auf 6s²; Neodym etwa ist [Xe] 4f⁴ 6s². Deshalb sind die Lanthanoide einander chemisch so ähnlich und so schwer zu trennen.

Die Lanthanoide

Die Lanthanoide werden zusammen mit Scandium und Yttrium oft als Seltenerdelemente bezeichnet. Trotz des Namens sind die meisten in der Erdkruste nicht besonders selten; sie sind nur breit verteilt und schwer voneinander zu trennen.

Sie sind meist weiche, silbrige Metalle, die typischerweise +3-Ionen bilden. Viele sind für moderne Technik unverzichtbar: Neodym steckt in starken Permanentmagneten für Motoren, Kopfhörer und Windturbinen, Samarium in hitzebeständigen Samarium-Cobalt-Magneten, Europium in den Leuchtstoffen von Bildschirmen und Lampen und Gadolinium in Kontrastmitteln für MRT-Untersuchungen. Entlang der Reihe schrumpfen die Atome leicht, in den Daten dieser Website von 240 pm bei Lanthan auf 221 pm bei Lutetium, ein Effekt, der Lanthanoidenkontraktion heißt.

Die Actinoide

Alle Actinoide sind radioaktiv. Nur Thorium und Uran kommen in der Natur in großen Mengen vor. Actinium und Protactinium gibt es in winzigen Spuren in Uran- und Thoriumerzen, ebenso Spuren von Neptunium und Plutonium, doch fast alle Elemente nach Uran werden in Kernreaktoren oder Teilchenbeschleunigern hergestellt.

Uran und Plutonium sind die Brennstoffe der Kernenergie, und Americium-241 steckt in vielen Rauchmeldern im Haushalt. Actinoide zeigen eine größere Bandbreite an Ladungen als Lanthanoide: Uran etwa kann +3, +4, +5 oder +6 sein. Die schwersten Actinoide, etwa Nobelium und Lawrencium, wurden bisher nur in winzigen Mengen hergestellt.

Sie in der Tabelle lesen

Wenn du ein Lanthanoid oder Actinoid nachschlägst, denke daran, dass seine Periode 6 oder 7 ist, auch wenn es in einer unteren Zeile gedruckt wird. Neodym (60) steht in Periode 6, und Uran (92) in Periode 7. Viele Tabellen lassen die Gruppennummer für diese Elemente leer, weil die Spalten des f-Blocks nicht zu den 18 nummerierten Gruppen gehören.

Eine schnelle Merkhilfe für die Bereiche: Die Lanthanoid-Zeile beginnt direkt nach Barium (56) und die Actinoid-Zeile direkt nach Radium (88), den beiden Metallen der Gruppe 2 am unteren Ende ihrer Spalte.