Lanthanum

Lanthan, Ordnungszahl 57 und Symbol La, ist ein silbrig-weißes Metall, das weich und verformbar ist. Es läuft an der Luft langsam an. Als erstes Element der Lanthanoiden-Reihe dient es als Prototyp für diese Gruppe von 15 ähnlichen Elementen und wird traditionell zu den Seltenerdelementen gezählt. Seine häufigste Oxidationsstufe ist +3, obwohl auch einige +2-Verbindungen existieren. Lanthan hat keine biologische Rolle im Menschen, wird aber von bestimmten Bakterien genutzt; es ist für den Menschen nicht sehr giftig, zeigt aber eine gewisse antimikrobielle Aktivität. Dieses Element tritt typischerweise zusammen mit Cer und anderen Seltenerdelementen auf. Der schwedische Chemiker Carl Gustaf Mosander identifizierte Lanthan erstmals 1839 als Verunreinigung in Cernitrat und benannte es nach dem altgriechischen lanthanein, was „verborgen sein“ bedeutet. Trotz seiner Klassifizierung als Seltenerdelement ist Lanthan das 28-häufigste Element in der Erdkruste – fast dreimal so häufig wie Blei. In Mineralien wie Monazit und Bastnäsit macht es etwa ein Viertel des Lanthanoidengehalts aus. Die Gewinnung aus diesen Mineralien erfordert einen so komplexen Prozess, dass reines Lanthanmetall erst 1923 isoliert wurde. Lanthanverbindungen dienen vielen Zwecken: als Katalysatoren, Glasadditive, Kohlebogenlampen für Studiobeleuchtung und Projektoren, Zündelemente in Feuerzeugen und Fackeln, Elektronenkathoden, Szintillatoren und Wolfram-Inertgas-Schweißelektroden. Lanthancarbonat wird als Phosphatbinder zur Behandlung erhöhter Phosphatwerte im Blut bei Nierenversagen eingesetzt. Lanthan steht im Periodensystem rechts von Barium und links von Cer und gilt allgemein als das erste f-Block-Element. Seine 57 Elektronen sind als [Xe]5d¹6s² angeordnet, mit drei Valenzelektronen außerhalb des Edelgaskerns. Bei chemischen Reaktionen gibt es fast immer diese drei Elektronen ab, um die Oxidationsstufe +3 zu erreichen und die stabile Xenon-Konfiguration zu erlangen. Einige +2-Verbindungen existieren, sind aber meist deutlich weniger stabil. Lanthanmonoxid (LaO) erzeugt starke Absorptionsbanden in bestimmten Sternspektren. Unter den Lanthanoiden ist Lanthan ungewöhnlich, weil sein einzelnes Atom in der Gasphase keine 4f-Elektronen besitzt. (Ähnlich verhält es sich mit Actinium und Thorium, deren Atome in der Gasphase keine 5f-Elektronen aufweisen.) Daher ist es nur schwach paramagnetisch, im Gegensatz zu den stark paramagnetischen späteren Lanthanoiden (mit Ausnahme von Ytterbium und Lutetium, deren 4f-Schalen gefüllt sind). In chemischen Umgebungen kann die 4f-Schale von Lanthan jedoch teilweise besetzt werden und an Bindungen teilnehmen. So hängen die Schmelzpunkte der dreiwertigen Lanthanoide (mit Ausnahme von Europium und Ytterbium) davon ab, wie stark die 6s-, 5d- und 4f-Elektronen hybridisieren – eine stärkere Beteiligung der 4f-Elektronen senkt den Schmelzpunkt. Lanthan hat mit 920 °C den zweitniedrigsten Schmelzpunkt unter ihnen. (Europium und Ytterbium schmelzen noch niedriger, da sie etwa zwei Elektronen pro Atom delokalisieren statt drei.) Diese chemische Verfügbarkeit der f-Orbitale rechtfertigt die Einordnung von Lanthan in den f-Block, trotz seiner anomalen Grundzustandskonfiguration (die auf einer starken interelektronischen Abstoßung beruht, die eine Besetzung der kleinen, kernnahen 4f-Schale ungünstiger macht). Im Verlauf der Lanthanoiden-Reihe werden die Metalle härter; Lanthan ist erwartungsgemäß weich. Es hat einen hohen spezifischen elektrischen Widerstand von 615 nΩm bei Raumtemperatur, verglichen mit 26,50 nΩm bei Aluminium. Lanthan ist das am wenigsten flüchtige der Lanthanoide. Bei Raumtemperatur hat es eine hexagonale Kristallstruktur (α-La). Bei 310 °C wechselt es zu kubisch-flächenzentriert (β-La) und bei 865 °C zu kubisch-raumzentriert (γ-La). Periodischen Trends folgend hat Lanthan den größten Atomradius unter den Lanthanoiden, was es zum reaktivsten macht. Es läuft an der Luft recht schnell an, wird nach einigen Stunden völlig dunkel und kann leicht zu Lanthan(III)-oxid (La₂O₃) verbrennen, das fast so basisch ist wie Calciumoxid. Eine zentimetergroße Probe korrodiert innerhalb eines Jahres vollständig, da ihr Oxid wie Eisenrost abblättert, anstatt eine schützende Schicht zu bilden wie bei Aluminium, Scandium, Yttrium oder Lutetium. Bei Raumtemperatur reagiert Lanthan mit Halogenen zu Trihalogeniden, und beim Erwärmen bildet es binäre Verbindungen mit Stickstoff, Kohlenstoff, Schwefel, Phosphor, Bor, Selen, Silicium und Arsen. Es reagiert langsam mit Wasser zu Lanthan(III)-hydroxid (La(OH)₃). In verdünnter Schwefelsäure bildet es leicht das farblose, hydratisierte dreiwertige Ion [La(H₂O)₉]³⁺, das keine d- oder f-Elektronen besitzt. Lanthan ist die stärkste und härteste Base unter den Seltenerdelementen, wie aufgrund seiner Größe zu erwarten. Es existieren einige Lanthan(II)-Verbindungen, die jedoch deutlich weniger stabil sind. Daher muss bei der offiziellen Benennung von Lanthanverbindungen stets die Oxidationszahl angegeben werden. Natürlich vorkommendes Lanthan besteht aus zwei Isotopen: stabilem ¹³⁹La und primordialem langlebigem Radioisotop ¹³⁸La. ¹³⁹La ist mit 99,911 % des natürlichen Lanthans überwältigend häufig; es wird im s-Prozess (langsamer Neutroneneinfang) produziert.