Kurzvortrag zu den Lanthaniden - Die seltenen Erdmetalle

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

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

Ahnlichkeit 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

Außere Elektronenkonfiguration der Lanthanidenatome und -ionen und die Radien von M³+

Ordngsz. Name Symbol Atom M²+ M³+ M⁴+ Radien (M³⁺c)d))

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

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.