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Gliederung: 1. Historie zu den Lanthaniden
2. Vorkommen
2. Allgemeines und Bau der L.
3. Elektronenstruktur, Oxidationsstufen
5. Verwendung
1. Historie zu den Lanthaniden:
- vor 200 Jahren wurden erste Lagerstätten eigenartiger Mineralien entdeckt (Schwed.
Ort Ytterby)
- waren früher nach ihrem Vorkommen in Oxid (früher Erdgemischen) als seltene
Erden bekannt
- sind jedoch keine besonders seltenen Elemente
- namhafte Chemiker ihrer Zeit beteiligten sich an Erforschung der Mineralien
- Trennung und Einordnung der enthaltenen chem. Elemente war auch noch 100 J.
später schwierig
- erst 1907 konnte mit Entdeckung des letzten Elements (Ordnz. 71) Suche
abgeschlossen werden
- Scandium, Yttrium, Lanthan + 14 weiteren Lanthaniden (folgend) = Gruppe von
Elementen die sich in ihren chem. Eigenschaften sehr ähnlich sind
- folgt aus einer Besonderheit des Atombaus in der Gruppe
- Struktur der äußeren Elektronenhülle ist bei allen gleich (Elektronenhüllen
unterscheiden sich nur in inneren Bereichen, die für chem. Reaktivität nicht von
Bedeutung sind)
2. Vorkommen, Lagerstätten:
-größere Vorkommen in Skandinavien, Indien, Russland, Vereinigte Staaten von
Nordamerika
- in Lagerstätten treten zahlreiche Mineralien auf, wichtigste ist Monazit - schwerer
dunkler Sand (Lanthanidorthophosphat)
- in meisten Monazitsanden treten bedeutende Mengen an Thorium (bis zu 30%) auf
- La, Ce, Pr, und Nd machen 90% aus, Yttrium und schwereren Elemente den Rest
- Monazit und andere Mineralien, die Lanthaniden in der dreiwertigen Stufe enthalten,
sind gewöhnlich arm an Europium, das wegen seiner relativ großen Neigung, in die
zweiwertige Stufe überzugehen, oft in Mineralien der Calcium-Gruppe angereichert
ist
- L. kommen in der Natur chemisch gebunden und miteinander vergesellschaftet vor
(am häufigsten als Phosphate in Monazitsand)
- ferner in Zernmineralien wie Zerit und Orthit
- absoluten Häufigkeiten der Lanthaniden in der Litosphäre sind relativ hoch; werden
zwar als selten bezeichnet, kommen aber öfter vor als ein nicht geringer Teil anderer
Elemente ( wie z.B. Wismut, Arsen, Cadmium, Gold, oder Selen)
3. Allgemeines und Bau der Lanthaniden:
- genau genommen umfassen Lanthaniden nur die 14 auf Lanthan folgenden Elemente
(nacheinander werden die 14 4f-Elektronen zur Lanthankonfiguration hinzugefügt)
- Chemie der stark elektropositiven Elemente zeigt weitgehend ionischen Charakter
=> wird durch die Größe der M³+ Ionen bestimmt
- Yttrium gehört zwar nicht zu Lanthaniden, wird aber aufgrund seiner Lagerstätten und
Ähnlichkeit mit dazugezählt
- 14 chem. Elemente, deren Kernladungszahlen zwischen 58 und 71
- Dichten zwischen 5 und 10 g/cm³
- häufigste Wertigkeit ist +III, einige haben außerdem +II (andere +IV)
- L. sind in chem. Verhalten einander sehr ähnlich
liegt an:
- gleiche Besetzung der äußeren Elektronenschale mit 2 Valenzelektronen
- unterscheiden sich nur in der Auffüllung ihres inneren 4f - Niveaus
- daraus ergibt sich kompliziertes Problem der vollständigen Trennung dieser Elemente
(heutzutage durch Extraktions-und Ionenaustauschverfahren möglich)
- meisten L. sind weiche, gut wärmeleitende,. an frischer Schnittstelle Silber glänzende
Metalle, werden an Luft sehr schnell von Oxidschicht überzogen
- Interessant: radioaktives Promethium
- nicht natürlich auftretend (außer in geringen Mengen als Spaltfragment des Urans in
Uranerzen)
- seit 1926 Beweise für Existenz des Elements 61 durch optische und röntgengenographsche
Beweise
- wahrscheinlich alle Isotope instabil und kurze Halbwertszeiten
- heutzutage 11 radioaktive Isotope bekannt
- auch andere Lanthanide sind natürlich radioaktive Isotope (z.B. Lutetium, Lanthan, Neodym und Samarium)
4. Elektronenstruktur und Oxidationsstufen:
- wie schon gesagt: Lanthaniden-Elekrtonenhüllen unterscheiden sich nur in ihren
inneren Bereichen; äußer Struktur aber bei allen gleich
- sind stark elektropositiv
- weitestgehend ionischen Charakter
- durch die Größe der M³+ Ionen bestimmt
- alle Lanthaniden bilden M³+ Ionen
- nicht alle Elektronenkonfgurationen der L. sind wegen der großen Komplexität der
Elektronenspektren bekannt (Schwierigkeiten bei Analyse)
- einige der L. treten auch in anderen Oxidationsstufen auf(sind jedoch stets weniger
beständig als charakt. Gruppenwerigkeiten)
- Auftreten von Oxidationsst. +2 und +4 kann teilweise mit Elektronenstruktur in
Beziehung gebracht werden, wenn man annimmt, dass einer leeren, halbbesetzten
oder aufgefüllten f- Schale eine besonder Stabilität zukommt
- Sc, Y, und La bilden nur M³+ Ionen, da bei der Abgabe von 3 Elektronen die
Edelgaskonfiguration erreicht wird
- Lutetium und Gadolinium bilden nur dreiwertige Ionen, weil dann die stabilen 4f-14
bzw. 4f-17 Konfigurationen vorliegen
- die stabilsten 2- und 4fach positiven Ionen werden von Elementen gebildet die damit
die f-0, f-7 und f14 Konfiuration erlangen
- besondere Stabilität der f-0, f-7 und f-14 Konf. beim Zustandekommen III
abweichenden Oxydationsstufen der Lanthaniden wichtig
- neben der besonderen Stabilität von f-0-7-14 gibt es noch andere thermodynamische
und kinetische Fakroren von gleicher Bedeutung bei der Festlegung der Stabilität der
Oxydationsstufen
- => durch das Vorliegen von Praseodym und Neodym in Kristallgitterstruktur
deutliches Zeichen
Phänomen der Lanthanidenkontraktion:
- ist: die stetige Abnahme der Größe von Atomen und Ionen mit steigender
Ordnungszahl
- Lanthan hat somit größten Atomradius, Lutetium kleinster Radius (Abnahme in
NBG L.-El.)
- Ursache: unvollständige Abschirmung eines Elektrons durch ein anderes in der
gleichen Unterschale
- Fortschreiten: Zunehmen der Kernladung und Zahl der 4f-Eletronen (um eins pro
Element)
- Abschirmung der 4f-Elektronen untereinander schlecht, auf Grund der Form der
Bahnfunktion
- durch steigende Kernladung verkleinert sich Größe der gesamten Schale => das ist
Kontraktion
- allerdings nicht gleichmäßig
- Abweichung meist entsprechend der Ionengröße
5. Verwendung und Anwendungsgebiete:
- Anwendung in Metallurgie
- Glas- und Keramikindustrie
- Erdölchemie
- diverse Legierungen =>magn. Eigenschaften => Herstellung von Dauermagneten
(Samarium in Legierung mit Kobalt zu Dauermagneten)
- Bestandteile von Kleinstmotoren, Magnetlagern, Druckern und andere Elektrogeräte
- Oxide der Lanthanide zum polieren technischer Gläser
- besondere physikalischen Eigenschaften einzelner Elemente werden genutzt
Lanthan: - in hochwertigen Linsen, zur Erhöhung der Lichtintensität
Europium und Yttrium: - farbgebende Phosphore auf Bildschirmen
Yttrium: - Abgas Katalysatoren
wichtiger Bestandteil der \"Lambda-Sonde\"
(Feststoffelektolyt), die den optimalen Sauerstoffanteil im
Abgas einstellt
- elektr. Bauteile
- Laserkristalle
- superleichte Legierungen
- Flugzeugbau
- neueste Anwendung als keramische Supraleiter und in aufladbaren Batterien als
\"Lanthan - Nickel-Legierung \"
- Verbesserung der mech. Eigenschaften bei Stahl
- Lanthanide in Zukunft für Technik und Forschung immer interessanter und
unverzichtbarer
- Lanthanide finden fast überall Anwendung
Kurzvortrag zu den Lanthaniden -
\"Die seltenen Erdmetalle\"
Gliederung: 1. Historie zu den Lanthaniden
2. Vorkommen
2. Allgemeines und Bau der L.
3. Elektronenstruktur, Oxidationsstufen
5. Verwendung
Äußere Elektronenkonfiguration der Lanthanidenatome und -ionen und die Radien von M³+
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Ordngsz. Name Symbol Atom M²+ M³+ M4+ Radien (M3+c)d))
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57 Lanthan La 5d6s² --- [Xe] --- 1,061
58 Cer Ce 4f²6s² --- 4f [Xe] 1,034
59 Praseodym Pr 4f36s² --- 4f² 4f 1,013
60 Neodym Nd 4f46s² 4f4 4f³ 4f² 0,995
61 Promethium Pm 4f56s² --- 4f4 --- 0,979
62 Samarium Sm 4f66s² 4f6 4f5 --- 0,964
63 Europium Eu 4f76s² 4f7 4f6 --- 0,950
64 Gadolinium Gd 4f75d6s² --- 4f7 --- 0,938
65 Terbium Tb 4f96s² --- 4f8 4f7 0,923
66 Dysprosium Dy 4f106s² --- 4f9 4f8 0,908
67 Holmium Ho 4f116s² --- 4f10 --- 0,894
68 Erbium Er 4f126s² --- 4f11 --- 0,881
69 Thulium Tm 4f136s² 4f13 4f12 --- 0,869
70 Ytterbium Yb 4f146s² 4f14 4f13 --- 0,858
71 Lutetium Lu 4f145d6s² --- 4f14 --- 0,848
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Ein Strich bedeuted, dass diese Oxidationsstufe in keiner bisher isolierten Verbindung auftritt. Es sind nur die Elektronen der Valenzschale, d. h. diejenigen außerhalb der [Xe]-Schale angegeben.
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