Lanthaniden (zeldzame aardmetalen)

Het vullen van de 4f-subschil

Bij de lanthaniden worden elektronen toegevoegd aan de 4f-subschil, die diep in het atoom ligt, onder de 5s- en 5p-elektronen. Veel lanthaniden hebben de configuratie [Xe] 4fⁿ 6s², zoals neodymium ([Xe] 4f⁴ 6s²). Lanthaan ([Xe] 5d¹ 6s²) heeft nog geen 4f-elektronen en lutetium ([Xe] 4f¹⁴ 5d¹ 6s²) heeft een volle 4f-subschil.

Als je alle 15 in de hoofdtabel zou plaatsen, zou die 32 kolommen breed worden, daarom worden ze apart afgedrukt. Scheikundigen discussiëren nog steeds of lanthaan of lutetium in groep 3 onder yttrium thuishoort; deze site toont beide in de lanthanidenrij.

Eigenschappen en reacties

De lanthaniden zijn zachte, zilverkleurige metalen die aan de lucht aanslaan. Ze reageren langzaam met koud water en sneller met heet water, waarbij waterstof vrijkomt: 2La + 6H₂O → 2La(OH)₃ + 3H₂. Omdat de diep gelegen 4f-elektronen weinig aan de binding deelnemen, vormen bijna alle lanthaniden 3+-ionen en hebben ze een zeer vergelijkbare chemie, hoewel cerium ook +4 kan zijn en europium en ytterbium +2 kunnen zijn.

Ongepaarde 4f-elektronen geven veel lanthanide-ionen sterk magnetisme en scherpe, zuivere kleuren licht. Promethium is het enige lanthanide zonder stabiele isotopen en komt in de natuur bijna niet voor.

De lanthanidecontractie

Van lanthaan tot lutetium worden de 3+-ionen gestaag kleiner, omdat elk extra proton harder aan de elektronen trekt terwijl de 4f-elektronen elkaar slecht afschermen. Scheikundigen gebruiken deze kleine groottes verschillen om de lanthaniden van elkaar te scheiden. De contractie verklaart ook waarom hafnium en de andere overgangsmetalen van periode 6 bijna even groot zijn als de metalen erboven.

Zeldzaam maar nuttig

Ondanks de naam zijn de meeste zeldzame aardmetalen niet bijzonder zeldzaam: cerium komt in de aardkorst ongeveer net zo veel voor als koper. Ze komen gemengd voor in mineralen zoals monaziet en bastnaesiet en zijn moeilijk te scheiden.

Neodymium-ijzer-boormagneten zijn de sterkste permanente magneten die er bestaan en zitten in motoren van elektrische auto's, windturbines, koptelefoons en harde schijven. Europium en terbium zorgen voor rood en groen licht in schermen en lampen, erbium versterkt signalen in glasvezelkabels, gadolinium is een contrastmiddel voor MRI-scans en ceriumoxide wordt gebruikt om glas te polijsten. Lanthaan zit in cameralenzen en nikkel-metaalhydridebatterijen.