Lanthanoide und Actinoide: ein Leitfaden zum f-Block

Die beiden Zeilen, die unter dem Periodensystem abgesetzt stehen, können wie ein Anhang wirken, doch sie enthalten einige der wichtigsten Elemente moderner Technik und Energieversorgung. Die Magnete in Smartphones und Elektroautomotoren, der Brennstoff von Kernkraftwerken und die Energiequellen von Sonden im tiefen All stammen alle aus diesen Zeilen. Zusammen bilden sie den f-Block, in dem Elektronen die f-Orbitale füllen. Die obere Zeile sind die Lanthanoide, die untere die Actinoide.

Aufbau des f-Blocks

Es gibt sieben f-Orbitale, die bis zu vierzehn Elektronen fassen. Die Lanthanoide reichen von Lanthan (57) bis Lutetium (71), die Actinoide von Actinium (89) bis Lawrencium (103) – nach der üblichen Konvention, das erste Element mitzuzählen, jeweils fünfzehn Elemente.

Die 4f-Orbitale, die entlang der Lanthanoide gefüllt werden, liegen tief im Inneren des Atoms und sind von den äußeren 5s- und 5p-Elektronen abgeschirmt. An der Chemie beteiligt sind überwiegend die äußeren Elektronen, weshalb sich die Lanthanoide bemerkenswert ähnlich sind. Die meisten liegen als Ionen mit der Ladung +3 vor. Die Ausnahmen, etwa Cer in der Stufe +4 und Europium in der Stufe +2, hängen mit f-Unterschalen zusammen, die dadurch leer, halb gefüllt oder voll werden.

Die Lanthanoidenkontraktion

Von Lanthan bis Lutetium steigt die Ordnungszahl um vierzehn, doch die Atome und ihre +3-Ionen werden etwas kleiner. Das ist die Lanthanoidenkontraktion.

Die Ursache ist die schwache Abschirmung durch die 4f-Elektronen. Mit jedem Schritt kommen ein Proton und ein 4f-Elektron hinzu, doch f-Orbitale sind ausgedehnt und ungünstig geformt und schirmen die äußeren Elektronen kaum von der wachsenden Kernladung ab. Die effektive Kernladung, die die äußeren Elektronen spüren, nimmt daher zu und zieht die Elektronenhülle nach innen.

Diese kleine Schrumpfung hinterlässt Spuren im gesamten Periodensystem.

• Zirconium und Hafnium als Zwillinge: Hafnium in Periode 6 ist fast genau so groß wie das direkt darüberstehende Zirconium in Periode 5. Normalerweise ist ein Element eine Periode tiefer größer, doch die Lanthanoidenkontraktion hebt diesen Zuwachs auf. Die beiden sind sich chemisch so ähnlich, dass Hafnium, verborgen in Zirconerzen, erst 1923 entdeckt wurde, und ihre Trennung ist bis heute schwierig.
• Sehr dichte Metalle der Periode 6: Atome, die kaum größer werden, aber viel Masse hinzugewinnen, machen Osmium, Iridium und Platin außergewöhnlich dicht.
• Schwer trennbare Lanthanoide: Benachbarte Lanthanoide unterscheiden sich kaum in ihrer Größe, was ihre chemische Trennung zu einer mühsamen Arbeit macht. Bevor Ionenaustausch und Solventextraktion Mitte des 20. Jahrhunderts ausgereift waren, war die Gewinnung eines reinen Lanthanoids äußerst aufwendig.

Seltene Erden, die gar nicht so selten sind

Die Seltenerdelemente sind die fünfzehn Lanthanoide plus Scandium und Yttrium, insgesamt siebzehn. Scandium und Yttrium sind Elemente der Gruppe 3, kommen aber in denselben Mineralen vor und ihre +3-Ionen verhalten sich ähnlich, daher werden sie mit dazugezählt.

Trotz des Namens sind Seltene Erden in der Erdkruste nicht besonders knapp. Cer ist etwa so häufig wie Kupfer, und selbst die selteneren wie Thulium und Lutetium sind häufiger als Gold oder Platin. Selten heißen sie, weil wirtschaftlich abbauwürdige Lagerstätten ungewöhnlich sind und weil die Trennung und Raffination dieser nahezu identischen Elemente schwierig ist. Promethium ist die Ausnahme: Es hat keine stabilen Isotope und kommt in der Natur nur in winzigen Spuren vor.

Ein Großteil der Geschichte der Seltenen Erden dreht sich um Ytterby, ein kleines Dorf in Schweden. Minerale aus einem nahen Steinbruch lieferten Yttrium, Terbium, Erbium und Ytterbium, und alle vier wurden nach dem Dorf benannt.

In der modernen Industrie bewirken kleine Mengen Seltener Erden große Leistungsunterschiede.

• Neodym, Praseodym und Dysprosium: Neodym-Eisen-Bor-Dauermagnete in Motoren von Elektrofahrzeugen, Windkraftanlagen, Ohrhörern und Festplatten.
• Samarium: Samarium-Cobalt-Magnete, die auch bei hohen Temperaturen ihre Stärke behalten.
• Europium und Terbium: rote und grüne Leuchtstoffe in Bildschirmen und Leuchtstofflampen.
• Erbium: Signalverstärker in der Glasfaserkommunikation.
• Gadolinium: Kontrastmittel für die MRT.
• Cer: Glaspolierpulver und Autoabgaskatalysatoren.
• Lanthan: Legierungen in Nickel-Metallhydrid-Akkus und hochbrechendes Glas für Kameraobjektive.

Abbau und Raffination erzeugen oft saure Abfälle und radioaktive Nebenprodukte wie Thorium und Uran, die Umweltbelastung ist also erheblich. Produktion und Raffination sind zudem auf wenige Länder konzentriert, was die Versorgungssicherheit in vielen Staaten zu einem politischen Thema gemacht hat. Das ist ein Grund, warum das Recycling Seltener Erden aus ausrangierter Elektronik Aufmerksamkeit erhält.

Actinoide: alle radioaktiv

Keines der fünfzehn Actinoide hat ein stabiles Isotop. Thorium und Uran haben jedoch so lange Halbwertszeiten, dass sie seit der Entstehung der Erde überdauert haben; sie sind primordiale Elemente. Thorium-232 hat eine Halbwertszeit von etwa 14 Milliarden Jahren, Uran-238 von etwa 4,5 Milliarden Jahren und Uran-235 von etwa 700 Millionen Jahren. Diese langen Halbwertszeiten machen Uranisotope zu einem Schlüsselwerkzeug der radiometrischen Datierung von Gesteinen und der Erde selbst.

Anders als die Lanthanoide zeigen die frühen Actinoide eine große Bandbreite an Oxidationsstufen. Uran reicht von +3 bis +6, Plutonium von +3 bis +7. Die 5f-Orbitale reichen weiter vom Kern weg als die 4f-Orbitale und beteiligen sich leichter an Bindungen. Dieses Verhalten führte Chemiker im frühen 20. Jahrhundert dazu, diese Elemente als Fortsetzung der d-Block-Übergangsmetalle zu betrachten – eine Sicht, die Glenn Seaborgs Actinoidenkonzept 1945 korrigierte.

Die Transurane

Elemente mit höherer Ordnungszahl als Uran (92) nennt man Transurane. In der Natur fehlen sie fast völlig, und nahezu alle wurden zuerst künstlich hergestellt.

1. 1940 beschossen Edwin McMillan und Philip Abelson in Berkeley Uran mit Neutronen und erzeugten Neptunium (93).
2. Kurz darauf identifizierte Seaborgs Team Plutonium (94). Plutonium-239 lässt sich leicht spalten, was ihm eine übergroße Rolle in der Geschichte von Kernenergie und Kernwaffen verschaffte.
3. Um 1944 folgten Americium (95) und Curium (96), 1949–1950 Berkelium (97) und Californium (98).
4. Einsteinium (99) und Fermium (100) wurden 1952 erstmals in den Trümmern eines Wasserstoffbombentests identifiziert.
5. Mendelevium (101), Nobelium (102) und Lawrencium (103) wurden in Beschleunigern hergestellt, indem man leichte Ionen auf schwere Targetkerne schoss.

Mit steigender Ordnungszahl werden die Halbwertszeiten im Allgemeinen kürzer, und die Zahl der Atome, die sich auf einmal herstellen lassen, sinkt steil. Kein Element jenseits des Fermiums wurde je in sichtbarer Menge gesammelt.

Radioaktivität und ihre Nutzung

Radioaktive Elemente sind gefährlich, doch wenn man ihr Verhalten versteht und beherrscht, sind sie äußerst nützlich.

• Uran-235: Brennstoff für Kernkraftwerke. Es macht nur etwa 0,7 Prozent des natürlichen Urans aus, weshalb der Brennstoff meist angereichert wird.
• Plutonium-238: Brennstoff für Radionuklidbatterien, die Zerfallswärme in Strom umwandeln. Sie versorgten Raumsonden fern der Sonne und Rover auf dem Mars.
• Americium-241: Halbwertszeit etwa 432 Jahre. Eine winzige Menge steckt in manchen Ionisationsrauchmeldern.
• Californium-252: eine starke Neutronenquelle zum Anfahren von Reaktoren und zur Materialanalyse.

Die Gefahr einer Strahlung hängt nicht nur vom Element ab, sondern auch von der Strahlungsart (Alpha, Beta oder Gamma), der Dosis und dem Weg der Aufnahme. Ein Alphastrahler außerhalb des Körpers wird von einem Blatt Papier aufgehalten, eingeatmet oder verschluckt kann er jedoch schweren Schaden anrichten. Deshalb werden Actinoide nur unter strengen Auflagen gehandhabt.

Zusammenfassung

Die Lanthanoide sind sich so ähnlich, dass sie schwer zu trennen sind, doch ihre feinen Unterschiede entscheiden über die Leistung von Magneten, Leuchtstoffen und Lasern. Die Actinoide sind alle radioaktiv und stehen im Zentrum von Kernenergie, Raumfahrt und radiometrischer Datierung. Obwohl die beiden Zeilen abseits der Haupttabelle stehen, folgen sie derselben Regel wie alles darüber: Elektronen füllen die Orbitale der Reihe nach. Klicken Sie sich durch die Elemente des f-Blocks und vergleichen Sie Oxidationsstufen und Entdeckungsjahre, um das Muster selbst zu erkennen.