Lanthan

Lanthan [lanˈtaːn] (^/?) ist ein chemisches Element mit dem Elementsymbol La und der Ordnungszahl 57. Es zählt zu den Übergangsmetallen sowie den Metallen der Seltenen Erden, im Periodensystem steht es in der 6. Periode und der 3. Nebengruppe, bzw. der 3. IUPAC-Gruppe oder Scandiumgruppe. Meist wird es auch zu den Lanthanoiden gezählt, auch wenn die f-Schale des Elementes unbesetzt ist.

Eigenschaften
[Xe] 5d^1 6s^2 57La Periodensystem
Allgemein
Name, Symbol, Ordnungszahl	Lanthan, La, 57
Elementkategorie	Übergangsmetalle
Gruppe, Periode, Block	3, 6, d
Aussehen	silbrig weiß
CAS-Nummer	7439-91-0
EG-Nummer	231-099-0
ECHA-InfoCard	100.028.272
Massenanteil an der Erdhülle	17 ppm (36. Rang)
Atomar
Atommasse	138,90547(7)u
Atomradius	195 pm
Kovalenter Radius	207 pm
Elektronenkonfiguration	[Xe] 5d^1 6s^2
1. Ionisierungsenergie	5.5769(6) eV ≈ 538.09 kJ/mol
2. Ionisierungsenergie	11.18496(6) eV ≈ 1079.18 kJ/mol
3. Ionisierungsenergie	19.1773(6) eV ≈ 1850.33 kJ/mol
4. Ionisierungsenergie	49.95(6) eV ≈ 4820 kJ/mol
5. Ionisierungsenergie	61.6(6) eV ≈ 5940 kJ/mol
Physikalisch
Aggregatzustand	fest
Modifikationen	3
Kristallstruktur	hexagonal
Dichte	6,17 g/cm^3 (20 °C)
Mohshärte	2,5
Magnetismus	paramagnetisch (χm = 5,4 · 10^−5)
Schmelzpunkt	1193 K (920 °C)
Siedepunkt	3743 K (3470 °C)
Molares Volumen	22,39 · 10^−6 m^3·mol^−1
Verdampfungsenthalpie	400 kJ·mol^−1
Schmelzenthalpie	6,2 kJ·mol^−1
Schallgeschwindigkeit	2475 m·s^−1
Elektrische Leitfähigkeit	1,626 · 10^6S·m^−1
Wärmeleitfähigkeit	13 W·m^−1·K^−1
Chemisch
Oxidationszustände	+3
Normalpotential	−2,38 V (La^3+ + 3 e^− → La)
Elektronegativität	1,1 (Pauling-Skala)
Isotope
Isotop NH t1/2 ZA ZE (MeV) ZP ^135La {syn.} 19,5 h ε 1,200 ^135Ba ^136La {syn.} 9,87 min ε 2,870 ^136Ba ^137La {syn.} 60.000 a ε 0,600 ^137Ba ^138La 0,09 % 1,05 · 10^11a ε 1,737 ^138Ba β^− 1,044 ^138Ce ^139La 99,91 % Stabil ^140La {syn.} 1,6731 d β^− 3,762 ^140Ce ^141La {syn.} 3,92 h β^− 2,502 ^141Ce
Weitere Isotope siehe Liste der Isotope
NMR-Eigenschaften
Kernspin γ in rad·T^−1·s^−1 Er (^1H) fL bei B = 4,7 T in MHz ^138La 5 3,557 · 10^7 0,00008 26,39 ^139La 7/2 3,808 · 10^7 0,0605 28,18
Sicherheitshinweise
GHS-Gefahrstoffkennzeichnung Pulver Gefahr H- und P-Sätze H: 228 EUH: 014 P: 223​‐​231+232​‐​370+378​‐​422
Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen.

Geschichte

1803 entdeckten Wilhelm Hisinger und Jöns Jakob Berzelius in einem tungsten („schwerer Stein“) genannten Mineral aus Bastnäs in Schweden das Cer und nannten das Mineral Cerit.Carl Gustav Mosander untersuchte ab 1825 Cerit und verschiedene Cerverbindungen genauer. Er vermutet bald, dass es sich um ein Gemisch verschiedener Elemente handeln müsse, konnte sie aber zunächst nicht trennen. 1838 gelang es ihm schließlich, zwei Elemente dadurch zu trennen, indem er zunächst das gemischte Nitrat durch Erhitzen zum Oxid umwandelte. Anschließend ließ er dieses mit sehr verdünnter Salpetersäure reagieren. Dabei blieb das Ceroxid unlöslich zurück, während das Oxid des zweiten Elements sich löste. Da es sich sozusagen im Cer „versteckt“ hatte, nannte Mosander das neue Element nach einem Vorschlag von Berzelius nach dem Altgriechischen λανθάνειν [lanthanein] („verborgen sein“) Lant(h)an. Er konnte auch metallisches Lanthan in Form eines grauen Pulvers durch Reaktion von Lanthanchlorid mit Kalium gewinnen.

Bei der weiteren Untersuchung von Lanthanverbindungen stellte Mosander fest, dass auch dieses eine Mischung verschiedener Elemente ist. Durch die unterschiedliche Löslichkeit der Sulfate konnte er 1840 Lanthan von einem weiteren Element trennen, das er Didym (vom griechischen δίδυμος, ‚Zwilling‘) nannte. Auch das Didym stellte sich schließlich als Mischung der Elemente Neodym und Praseodym heraus.

Reines metallisches Lanthan wurde 1923 durch elektrolytische Reduktion von Lanthanchlorid gewonnen.

Vorkommen

Lanthan kommt natürlich nur in chemischen Verbindungen vergesellschaftet mit anderen Lanthanoiden in verschiedenen Mineralien vor. Hauptsächlich sind dies:

• Monazit: (Ce,La,Th,Nd,Y)PO₄
• Bastnäsit: (Ce,La,Y)CO₃F

Gewinnung und Darstellung

Nach einer aufwendigen Abtrennung der anderen Lanthanbegleiter wird das Oxid mit Fluorwasserstoff zum Lanthanfluorid umgesetzt. Anschließend wird dieses mit Calcium unter Bildung von Calciumfluorid zum Lanthan reduziert. Die Abtrennung verbleibender Calciumreste und Verunreinigungen erfolgt in einer zusätzlichen Umschmelzung im Vakuum.

Eigenschaften

Physikalische Eigenschaften

Das silberweiß glänzende Metall ist hämmerbar und plastisch verformbar (duktil). Es existieren drei metallische Modifikationen.

Chemische Eigenschaften

Lanthan ist unedel. Es überzieht sich an der Luft rasch mit einer weißen Oxidschicht, die in feuchter Luft zum Hydroxid weiterreagiert.

${\displaystyle \mathrm {2\,La+1{,}5\,O_{2}\rightarrow \,La_{2}O_{3}\ _{\overrightarrow {\mathrm {3\,H_{2}O} }}\ 2\,La(OH)_{3}} }$

Lanthan reagiert mit dem Sauerstoff der Luft zu Lanthanoxid, mit Wasser weiter zu Lanthanhydroxid.

Bei Temperaturen oberhalb von 440 °C verbrennt Lanthan zu Lanthanoxid (La₂O₃). Unter Bildung von Wasserstoff erfolgt in kaltem Wasser eine langsame, in warmem Wasser eine rasche Reaktion zum Hydroxid.

${\displaystyle \mathrm {2\,La+6\,H_{2}O\rightarrow 2\,La(OH)_{3}+3\,H_{2}} }$

Lanthan in Wasser erzeugt Lanthanhydroxid und Wasserstoff.

In verdünnten Säuren löst sich Lanthan unter Wasserstoffentwicklung auf.

${\displaystyle \mathrm {2\,La+3\,H_{2}SO_{4}\rightarrow La_{2}(SO_{4})_{3}+3\,H_{2}} }$

Lanthan und Schwefelsäure reagieren zu Lanthansulfat und Wasserstoff.

Mit vielen Elementen reagiert es in der Wärme direkt, mit Halogenen schon bei Raumtemperatur. Lanthan und Wasserstoff bilden ein schwarzes, wasserempfindliches unstöchiometrisches Hydrid.

${\displaystyle \mathrm {La+n\,H_{2}\rightarrow LaH_{2n};1<n<1{,}5} }$

Verwendung

Lanthan ist Bestandteil im Mischmetall. Pyrophore Werkstoffe für Zündsteine enthalten 25 bis 45 Gewichtsprozent Lanthan. Darüber hinaus findet es Verwendung als Reduktionsmittel in der Metallurgie. Als Gusseisenzusatz unterstützt es die Bildung von Kugelgraphit, als Legierungszusatz bewirkt es eine Verbesserung der Oxidationsbeständigkeit. Lanthanbeimengungen reduzieren die Härte und Temperaturempfindlichkeit von Molybdän.

Hochwertige Kathoden zur Erzeugung von freien Elektronen bestehen aus Lanthanhexaborid als Ersatz für Wolframdraht. Hochreines Lanthanoxid wird in der Glasindustrie zur Herstellung hochwertiger Gläser mit hohem Brechungsindex für die Optik genutzt, z. B. für Fotoobjektive.

Als Legierung

• mit Cobalt:

Die Cobalt-Lanthan-Legierung LaCo₅ wird als Magnetwerkstoff, lanthandotiertes Bariumtitanat zur Herstellung von Kaltleitern (temperaturabhängige Widerstände) verwendet. In Verbindung mit Cobalt, Eisen, Mangan, Strontium u. a. dient es als Kathode für Hochtemperatur-Brennstoffzellen (SOFC). „Verunreinigtes“ Lanthan-Nickel (LaNi₅) findet als Wasserstoffspeicher in Nickel-Metallhydrid-Akkumulatoren Verwendung. Als Zusatz kommt es in Kohlelichtbogenlampen zur Studiobeleuchtung und in Filmvorführanlagen vor.

• mit Titan:

Einem Legierungsmetall mit Materialzusammensetzungen aus Lanthan und Titan wird die Wirkung zugeschrieben, dass bei spanbildender Verarbeitung die Spanlänge reduziert wird. Dadurch soll die Bearbeitung des Metalls erleichtert werden.

Im Bereich der Medizin werden aus dem Legierungsmetall korrosionsbeständige und gut sterilisierbare Instrumente hergestellt. Diese Metalllegierung mit Titan soll für Werkzeuge und Apparate für chirurgische Eingriffe besonders gut geeignet sein, da die Allergie-Neigung bei Verwendung derartiger Metalllegierung mit Titan im Verhältnis zu anderen Legierungen gering sein soll.

Als Lanthanoxid

• In optischem Glas bewirkt Lanthanoxid einen hohen Brechungsindex bei geringer Dispersion (Hochbrechendes Glas). Diese Gläser kommen in optischen Geräten, wie Kameras, Teleskopen, oder Brillen zum Einsatz.
• In Essgeschirr, etwa Weingläsern und in der Glasur von Porzellan ersetzt Lanthanoxid giftigere Bleiverbindungen. Außerdem verbessert es die chemische Beständigkeit gegen Laugen. Das Geschirr wird „spülmaschinenfest“.
• Katalysatorzusatz an Zeolithen beim Fluid Catalytic Cracking in der Raffinerie zur Erdölverarbeitung
• Herstellung keramischer Kondensatormassen und silikatfreier Gläser
• Bestandteil von Glaspoliermitteln
• Herstellung von Glühkathoden für Elektronenröhren (auch Lanthanboride)

Als Lanthancarbonat

• Medikament zur Senkung des Phosphatspiegels bei Dialysepatienten (sogenannte Phosphatbinder, Ausfällung als schwerlösliches Lanthanphosphat)

Sicherheitshinweise

Lanthan wird als wenig toxisch eingestuft. Eine toxische Dosis ist bisher unbekannt. Jedoch gilt Lanthan-Pulver als stark ätzend, weil es sehr leicht durch z. B. Hautfeuchtigkeit zu basischem Lanthanhydroxid reagiert (ähnlich den Elementen Calcium und Strontium). Die letale Dosis beträgt bei Ratten 720 mg.

Verbindungen

In Verbindungen kann Lanthan als farbloses La³⁺ vorliegen.

• Lanthanfluorid LaF₃
• Lanthanchlorid LaCl₃
• Lanthanbromid LaBr₃
• Lanthaniodid LaI₃
• Lanthanhexaborid LaB₆
• Lanthanoxid La₂O₃
• Lanthannitrat La(NO₃)₃
• Lanthancarbonat La₂(CO₃)₃
• Lanthansulfat La₂(SO₄)₃
• Lanthanvanadat La(VO₄)
• Lanthanoxidfluorid LaOF
• Lanthansulfidfluorid LaSF
• Lanthansulfidchlorid LaSCl
• Lanthanfluoridcarbonat LaF[CO₃]
• Lanthanhydrid (LaH₁₀)

Supraleitung des Hydrids

Lanthanhydrid (LaH₁₀) ist ein Supraleiter mit einer Sprungtemperatur von 250 K (−23° C) bei einem Druck von ungefähr 170 Gigapascal.

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