Lanthanoide und Actinoide: Einordnung, Eigenschaften, Uran
Die f-Elemente Lanthanoide und Actinoide: ihre Lage im Periodensystem, die Auffüllung der f-Orbitale, die Oxidationsstufen von Cer und die Eigenschaften von Uran-238.
Das Wichtigste in Kürze
- Lanthanoide (La bis Lu, Periode 6) und Actinoide (Ac bis Lr, Periode 7) sind die f-Elemente oder inneren Übergangsmetalle, bei denen sich die 4f- bzw. 5f-Orbitale füllen.
- Cer, Europium, Gadolinium, Holmium und Lutetium sind Lanthanoide, Ruthenium und Rhodium dagegen Platinmetalle aus dem d-Block.
- Cer hat eine voll besetzte 4d-Schale im Xenon-Rumpf, nach Lanthan wird die 4f-Schale aufgefüllt.
- Alle Lanthanoide sind unedle Metalle und lösen sich in Säuren unter Wasserstoffentwicklung, typische Stufe ist +III.
- Cer bildet stabil +III und +IV (\(\ce{Ce^4+}\) mit \(4f^{0}\)), \(\ce{M^6+}\)-Ionen kommen bei Lanthanoiden nicht vor.
- Uran-238 ist Hauptbestandteil von Natururan, zerfällt per α-Zerfall zu Thorium-234 und ist durch thermische Neutronen nicht direkt spaltbar.
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Steckbrief der f-Elemente
Lanthanoide und Actinoide bilden den f-Block und heißen deshalb auch innere Übergangsmetalle. In der Pharmazie begegnen sie dir als Cer(IV) in der Maßanalyse, als Gadolinium in MRT-Kontrastmitteln und als Uran in der Kernchemie.
| Merkmal | Ausprägung |
|---|---|
| Stellung im Periodensystem | f-Block, Lanthanoide La bis Lu (Periode 6), Actinoide Ac bis Lr (Periode 7) |
| Elektronenkonfiguration | Lanthanoide \([\mathrm{Xe}]\,4f^{n}\,5d^{0-1}\,6s^{2}\), Actinoide \([\mathrm{Rn}]\,5f^{n}\,6d^{0-1}\,7s^{2}\) |
| Wichtige Oxidationsstufen | Lanthanoide +III, Cer auch +IV, Europium auch +II, Uran bevorzugt +VI |
| Vorkommen | Seltene Erden in Mineralen wie Monazit, Uran als Uranpechblende (\(\ce{UO2}\)) |
| Eigenschaften | unedle, reaktive Metalle, alle Actinoide radioaktiv |
| Wichtige Verbindungen | \(\ce{Ce(SO4)2}\), \(\ce{CeO2}\), Gadolinium-Komplexe, \(\ce{UO2^2+}\), \(\ce{UF6}\) |
f-Elemente im Periodensystem
Im Langperiodensystem schieben sich zwei Reihen von je 15 Elementen zwischen s- und d-Block. Die Lanthanoide folgen in der 6. Periode auf Barium. Sie reichen von Lanthan (Z = 57) bis Lutetium (Z = 71). Die Actinoide stehen in der 7. Periode zwischen Radium und Rutherfordium, von Actinium (Z = 89) bis Lawrencium (Z = 103). In der üblichen Kurzform lagert man beide Reihen unter die Haupttabelle aus.
In diesen Reihen füllen sich die f-Orbitale der drittäußersten Schale: 4f bei den Lanthanoiden, 5f bei den Actinoiden. Daher der Name f-Elemente. Die äußeren Schalen ändern sich dabei kaum. Deshalb ähneln sich vor allem die Lanthanoide chemisch sehr stark.
Zu den Seltenen Erden zählen die Lanthanoide sowie Scandium und Yttrium. „Erden“ hießen früher die Metalloxide, und selten sind viele dieser Elemente gar nicht: Cer ist in der Erdkruste häufiger als Blei.
Zugehörigkeit und Elektronenkonfiguration
Ob ein Element ein Lanthanoid ist, verrät die Ordnungszahl. Alles von 57 bis 71 gehört dazu. Die Tabelle stellt einige Lanthanoide zwei Platinmetallen gegenüber.
| Element | Symbol | Z | Zuordnung |
|---|---|---|---|
| Cer | Ce | 58 | Lanthanoid |
| Europium | Eu | 63 | Lanthanoid |
| Gadolinium | Gd | 64 | Lanthanoid |
| Holmium | Ho | 67 | Lanthanoid |
| Lutetium | Lu | 71 | Lanthanoid |
| Ruthenium | Ru | 44 | Platinmetall (d-Element) |
| Rhodium | Rh | 45 | Platinmetall (d-Element) |
Ruthenium und Rhodium stehen in der 5. Periode in den Gruppen 8 und 9. Sie sind d-Elemente und zählen zu den Platinmetallen, nicht zu den f-Elementen.
Lanthan selbst hat die Konfiguration \([\mathrm{Xe}]\,5d^{1}\,6s^{2}\). Ab Cer besetzen die hinzukommenden Elektronen die 4f-Orbitale. Cer hat \([\mathrm{Xe}]\,4f^{1}\,5d^{1}\,6s^{2}\), Gadolinium \([\mathrm{Xe}]\,4f^{7}\,5d^{1}\,6s^{2}\) und Lutetium \([\mathrm{Xe}]\,4f^{14}\,5d^{1}\,6s^{2}\). Die meisten übrigen Lanthanoide tragen kein 5d-Elektron. Wie man solche Konfigurationen herleitet, zeigt die Einheit zur Elektronenkonfiguration der Elemente.
Cer besitzt eine voll besetzte 4d-Schale, denn sie wurde schon von Yttrium bis Cadmium aufgefüllt und gehört zum Xenon-Rumpf. Bei den Lanthanoiden nach Lanthan wächst deshalb die 4f-Besetzung, nicht die 4d-Besetzung.
Eigenschaften und Oxidationsstufen
Lanthanoide sind silbrig glänzende, reaktive Metalle. Ihre Standardpotentiale liegen zwischen etwa −2,0 und −2,4 V. Sie sind damit unedle Metalle, ähnlich wie Magnesium. Alle Lanthanoide lösen sich in verdünnten Säuren unter Wasserstoffentwicklung, zum Beispiel Cer:
\[\ce{2 Ce + 6 H3O+ -> 2 Ce^3+ + 3 H2 ^ + 6 H2O}\]
An der Luft laufen die Metalle an. Cer-Eisen-Legierungen sprühen beim Reiben Funken und dienen als Zündsteine.
Die typische Oxidationsstufe aller Lanthanoide ist +III. Dabei gibt das Atom die beiden 6s-Elektronen und ein 5d- oder 4f-Elektron ab. Andere Stufen treten auf, wenn dadurch eine leere, halb volle oder volle 4f-Schale entsteht.
| Element | Stabile Stufen | Grund für die Sonderstufe |
|---|---|---|
| Cer | +III und +IV | \(\ce{Ce^4+}\): \(4f^{0}\), wie Xenon |
| Europium | +III und +II | \(\ce{Eu^2+}\): \(4f^{7}\), halb voll |
| Ytterbium | +III und +II | \(\ce{Yb^2+}\): \(4f^{14}\), voll |
| Gadolinium | +III | \(\ce{Gd^3+}\) hat bereits \(4f^{7}\) |
Über +IV kommen die Lanthanoide nicht hinaus. Die 4f-Elektronen liegen weit innen und sind zu fest gebunden. Ionen wie \(\ce{M^6+}\) bilden Lanthanoide daher nicht, auch Cer tritt nie als +VI auf. Cer(IV) ist ein starkes Oxidationsmittel und wird leicht zu Cer(III) reduziert:
\[\ce{Ce^4+ + e- -> Ce^3+}\]
Darauf beruht die Cerimetrie mit Cer(IV)-sulfat. \(\ce{Gd^3+}\) trägt sieben ungepaarte Elektronen und ist stark paramagnetisch. Fest an Chelatliganden gebunden, etwa als Gadotersäure, dient es als MRT-Kontrastmittel.
Actinoide Uran und Plutonium
Uran (Z = 92) und Plutonium (Z = 94) liegen zwischen Actinium und Lawrencium. Beide sind also Actinoide, bei denen sich die 5f-Orbitale füllen. Alle Actinoide sind radioaktiv. Anders als die Lanthanoide erreichen die frühen Actinoide hohe Oxidationsstufen, denn ihre 5f-Elektronen sind schwächer gebunden. Uran tritt bevorzugt als U(VI) auf, etwa im Uranylion \(\ce{UO2^2+}\) oder im flüchtigen \(\ce{UF6}\).
Natururan besteht zu etwa 99,3 % aus Uran-238, der Rest ist vor allem Uran-235 mit 0,7 %. Uran-238 ist sehr langlebig. Seine Halbwertszeit beträgt rund 4,5 Milliarden Jahre. Es zerfällt durch α-Zerfall zu Thorium-234:
\[\ce{^{238}_{92}U -> ^{234}_{90}Th + ^{4}_{2}He}\]
Mit thermischen, also langsamen Neutronen lässt sich Uran-238 nicht direkt spalten. Das gelingt mit Uran-235, das man für Kernbrennstoff deshalb anreichert. Uran-238 fängt ein Neutron stattdessen ein und wird über zwei β⁻-Zerfälle zu spaltbarem Plutonium-239. Es ist damit ein Brutstoff:
\[\ce{^{238}_{92}U + ^{1}_{0}n -> ^{239}_{92}U}\]
\[\ce{^{239}_{92}U -> ^{239}_{93}Np + ^{0}_{-1}e}\]
\[\ce{^{239}_{93}Np -> ^{239}_{94}Pu + ^{0}_{-1}e}\]
Zerfallsgesetz und Halbwertszeit erklärt die Einheit zu Zerfallsgesetz und Halbwertszeit.
Quiz
Aussage 1
Im Grundzustand des Cers ist die 4d-Schale voll besetzt, das nächste Elektron nach Lanthan gelangt in ein 4f-Orbital.
Die 4d-Schale gehört zum Xenon-Rumpf. Cer hat die Konfiguration \([\mathrm{Xe}]\,4f^{1}\,5d^{1}\,6s^{2}\).
Aussage 2
In seinen Salzen liegt Cer überwiegend in der Oxidationsstufe +VI vor.
Cer bildet die stabilen Stufen +III und +IV. Lanthanoide bilden keine \(\ce{M^6+}\)-Ionen.
Aussage 3
Holmium gehört wie Rhodium zu den Platinmetallen.
Holmium (Z = 67) ist ein Lanthanoid. Rhodium ist dagegen ein Platinmetall aus dem d-Block.
Aussage 4
Uran-238 lässt sich mit thermischen Neutronen nicht direkt spalten, sondern wird durch Neutroneneinfang zum Brutstoff für Plutonium-239.
Thermisch spaltbar ist Uran-235. Uran-238 fängt ein Neutron ein und wird über Uran-239 und Neptunium-239 zu Plutonium-239.
Aussage 5
Plutonium zählt zu den Lanthanoiden.
Plutonium (Z = 94) steht in der 7. Periode zwischen Actinium und Lawrencium und ist ein Actinoid.
Aussage 6
Cer löst sich in verdünnter Salzsäure unter Bildung von Wasserstoff.
Wie alle Lanthanoide ist Cer ein unedles Metall und reduziert \(\ce{H3O+}\) zu \(\ce{H2}\).
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