Lanthan ist ein Element, das hauptsächlich durch den s-Prozess (langsame Neutroneneinfang) in Sternen des asymptotischen Riesenasts (AGB) produziert wird. Es ist das erste Element der Lanthanoid-Reihe (Seltene Erden), und seine Synthese markiert den Beginn der Auffüllung der 4f-Elektronenschale. Es wird auch in bedeutenden Mengen durch den r-Prozess (schneller Neutroneneinfang) während explosiver Ereignisse wie Supernovae und Neutronensternverschmelzungen produziert. Der relative Beitrag der s- und r-Prozesse zu seiner solaren Häufigkeit beträgt etwa 70 % für den s-Prozess und 30 % für den r-Prozess, was es zu einem guten Tracer für die Bedingungen der Nukleosynthese macht.
Die kosmische Häufigkeit von Lanthan beträgt etwa 2,0×10⁻¹¹ mal die von Wasserstoff in der Anzahl der Atome, was es deutlich häufiger macht als schwere Elemente wie Gold oder Platin, aber weniger als Eisen. Es ist eines der häufigsten Seltenen Erden, zusammen mit Cer und Neodym. Seine Anwesenheit in Sternspektren wird genutzt, um die Häufigkeit der Seltenen Erden und die Metallizität von Sternen zu bestimmen, insbesondere in alten Sternen, die reich an s-Prozess-Elementen sind.
In den Geowissenschaften sind die Häufigkeitsverhältnisse der Seltenen Erden, mit Lanthan als Referenzelement, leistungsstarke diagnostische Werkzeuge. Das "Spektrum" der Seltenen Erden (chondrit-normalisiertes Diagramm) offenbart geologische Prozesse wie partielle Schmelze, fraktionierte Kristallisation oder meteoritische Alteration. Lanthan, das leichteste, ist relativ inkompatibler (bevorzugt die magmatische Schmelze) als seine schwereren Homologen. Diese systematische Variation ermöglicht die Rückverfolgung der Geschichte von Gesteinen und Planeten.
Chondritische Meteoriten, die als die primitiven Bausteine des Sonnensystems gelten, weisen eine Häufigkeit an Seltenen Erden auf, die fast identisch mit der der Sonne ist, wobei Lanthan als Kalibrierungspunkt dient. Anomalien der Seltenen Erden in einigen differenzierten Meteoriten (wie Eukriten) zeugen von frühen planetaren Differenzierungsprozessen. Isotopenstudien von Barium und Lanthan helfen auch, die Chronologie der präsolaren Nukleosynthese zu verstehen.
Lanthan leitet seinen Namen vom altgriechischen Verb λανθάνω (lanthánō) ab, das "verborgen sein, der Aufmerksamkeit entgehen" bedeutet. Dieser Name wurde von seinem Entdecker, Carl Gustaf Mosander, im Jahr 1839 gewählt, weil das Element im Cerit-Mineral "verborgen" (oder schwer zu trennen) war, aus dem bereits Cer gewonnen worden war. Diese Wahl spiegelt die historische Schwierigkeit wider, die Seltenen Erden zu isolieren, die chemisch sehr ähnlich sind.
Im Jahr 1839 arbeitete der schwedische Chemiker Carl Gustaf Mosander (1797-1858) an Ceroxid, das als rein galt. Durch Behandlung von Cernitrat mit verdünnter Säure und Erhitzen erhielt er ein neues erdiges Oxid, das er "Lanthana" nannte. Er hatte damit Lanthan isoliert und entdeckte gleichzeitig, dass das "Cer" seiner Zeit tatsächlich eine Mischung aus mindestens zwei Elementen war: Cer und Lanthan. Diese Entdeckung markierte den Beginn der systematischen Trennung der Seltenen Erden.
Die Isolierung von reinem Lanthan-Metall war eine schwierige Aufgabe aufgrund seiner hohen Reaktivität und Ähnlichkeit mit anderen Seltenen Erden. Relativ reines Metall wurde erstmals 1923 von H. Kremers und R. Stevens durch Elektrolyse einer geschmolzenen Chloridmischung hergestellt. Erst mit der Entwicklung von Ionenaustausch- und Lösungsmittelextraktionstechniken in der Mitte des 20. Jahrhunderts wurde die industrielle Produktion von hochreinem Lanthan möglich.
Lanthan kommt nicht gediegen vor. Es ist in vielen Mineralien der Seltenen Erden enthalten, hauptsächlich:
Die wichtigsten Förderländer sind China (das die Produktion und Raffination dominiert), die USA (Mountain Pass Mine), Australien und Russland. Die jährliche Produktion liegt in der Größenordnung von mehreren Zehntausend Tonnen (in Oxidäquivalent). Obwohl es zu den "Seltenen Erden" gezählt wird, ist Lanthan in der Erdkruste relativ häufig (etwa 35 ppm), häufiger als Blei oder Zinn. Sein Preis ist für eine Seltene Erde moderat, aber Schwankungen unterliegt, abhängig von der chinesischen Exportpolitik und der technologischen Nachfrage.
Lanthan (Symbol La, Ordnungszahl 57) ist ein inneres Übergangsmetall, traditionell als erstes Element der Lanthanoid-Reihe (Seltene Erden) im Periodensystem platziert, obwohl seine Elektronenkonfiguration kein 4f-Elektron aufweist (diese Unterschale ist leer). Es gehört zur Gruppe 3 mit Scandium und Yttrium. Sein Atom hat 57 Protonen, in der Regel 82 Neutronen (für das stabile Isotop \(^{139}\mathrm{La}\)) und 57 Elektronen mit der Elektronenkonfiguration [Xe] 5d¹ 6s². Diese Konfiguration mit einem 5d-Elektron unterscheidet es von den folgenden Lanthanoiden, die die 4f-Unterschale füllen.
Lanthan ist ein silberweißes, formbares, dehnbares und ziemlich weiches Metall. Es ist sehr reaktiv und oxidiert schnell an der Luft.
Lanthan hat einen Schmelzpunkt von 918 °C (1191 K) und einen Siedepunkt von 3464 °C (3737 K). Es existiert in zwei allotropen Formen: die α-Form (doppelhexagonal dichtest gepackt) ist bis 310 °C stabil, und die β-Form (kubisch flächenzentriert) ist von 310 °C bis zum Schmelzpunkt stabil. Dieser Übergang beeinflusst seine mechanischen und elektrischen Eigenschaften.
Lanthan ist ein sehr elektropositives und reaktives Metall, ähnlich den Erdalkalimetallen. Es oxidiert schnell an der Luft zu La₂O₃. Es reagiert mit Wasser (auch kaltem) unter Freisetzung von Wasserstoff und Bildung von La(OH)₃. Es löst sich leicht in den meisten verdünnten Mineralsäuren (HCl, H₂SO₄, HNO₃) unter Bildung der entsprechenden La³⁺-Salze und Freisetzung von Wasserstoff (außer mit HNO₃, wo Stickoxide entstehen).
Dichte: 6,162 g/cm³.
Schmelzpunkt: 1191 K (918 °C).
Siedepunkt: 3737 K (3464 °C).
Kristallstruktur (bei 20°C): Doppelhexagonal dichtest gepackt (DH).
Hauptoxidationsstufe: +3.
Elektronenkonfiguration: [Xe] 5d¹ 6s².
| Isotop / Notation | Protonen (Z) | Neutronen (N) | Atommasse (u) | Natürliche Häufigkeit | Halbwertszeit / Stabilität | Zerfall / Anmerkungen |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Lanthan-138 — \(^{138}\mathrm{La}\) | 57 | 81 | 137,907112 u | ≈ 0,090 % | 1,02×10¹¹ Jahre | Primordiales Radioisotop. Zerfällt durch Elektroneneinfang (66%) zu \(^{138}\mathrm{Ba}\) und durch β⁻-Zerfall (34%) zu \(^{138}\mathrm{Ce}\). Isotop wird in der La-Ba- und La-Ce-Geochronologie verwendet. |
| Lanthan-139 — \(^{139}\mathrm{La}\) | 57 | 82 | 138,906353 u | ≈ 99,910 % | Stabil | Stabiles und häufigstes Isotop. Macht fast das gesamte natürliche Lanthan aus. Wird als Referenz für isotopische Messungen verwendet. |
Hinweis:
Elektronenschalen: Wie die Elektronen um den Kern angeordnet sind.
Lanthan besitzt 57 Elektronen, die auf sechs Elektronenschalen verteilt sind. Seine Elektronenkonfiguration [Xe] 5d¹ 6s² weist eine Besonderheit auf: Die 4f-Unterschale ist leer (0 Elektronen), während ein einzelnes Elektron die 5d-Unterschale besetzt, zusammen mit den beiden Elektronen der 6s-Schale. Dies kann auch geschrieben werden als: K(2) L(8) M(18) N(18) O(9) P(2), oder vollständig: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹⁰ 4s² 4p⁶ 4d¹⁰ 5s² 5p⁶ 5d¹ 6s². Diese atypische Konfiguration (5d¹ statt 4f¹) macht es zu einem Sonderfall unter den Lanthanoiden.
K-Schale (n=1): enthält 2 Elektronen (1s²).
L-Schale (n=2): enthält 8 Elektronen (2s² 2p⁶).
M-Schale (n=3): enthält 18 Elektronen (3s² 3p⁶ 3d¹⁰).
N-Schale (n=4): enthält 18 Elektronen (4s² 4p⁶ 4d¹⁰). Die 4f-Unterschale ist leer.
O-Schale (n=5): enthält 9 Elektronen (5s² 5p⁶ 5d¹).
P-Schale (n=6): enthält 2 Elektronen (6s²).
Lanthan besitzt 3 Valenzelektronen: die beiden 6s²-Elektronen und das 5d¹-Elektron. Es verliert leicht diese drei Elektronen, um die stabile Konfiguration von Xenon (Xe) zu erreichen, was seinen einzigen und sehr stabilen Oxidationszustand erklärt: +3 (La³⁺). La³⁺-Ionen sind farblos (keine f-Elektronen) und haben einen großen Ionenradius, was ihre Koordinationschemie und ihr geochemisches Verhalten (starker inkompatibler Charakter) stark beeinflusst.
Im Gegensatz zu einigen Lanthanoiden zeigt Lanthan praktisch keine Oxidationszustände +2 oder +4, da die Konfiguration La²⁺ (4f¹) oder La⁴⁺ (4f⁻¹) sehr instabil wäre. Seine Chemie wird daher vom dreiwertigen Kation La³⁺ dominiert, das typische ionische Verbindungen (Oxid, Hydroxid, Halogenide, Salze) bildet.
Lanthan-Metall oxidiert schnell an der Luft bei Raumtemperatur und bildet eine Schicht aus La₂O₃. Beim Erhitzen verbrennt es kräftig zu demselben Oxid: 4La + 3O₂ → 2La₂O₃. La₂O₃ ist ein weißes basisches Oxid, das mit Wasser zu La(OH)₃ reagiert und leicht Kohlendioxid aus der Luft absorbiert, um Carbonat zu bilden.
Lanthan reagiert mit kaltem Wasser und schneller mit heißem Wasser unter Freisetzung von Wasserstoff und Bildung von unlöslichem La(OH)₃: 2La + 6H₂O → 2La(OH)₃ + 3H₂. Es löst sich schnell in verdünnten Mineralsäuren (HCl, H₂SO₄, HNO₃) unter Bildung der entsprechenden La³⁺-Salze und Freisetzung von Wasserstoff (außer mit HNO₃, wo Stickoxide entstehen).
Lanthan reagiert mit allen Halogenen zu Trihalogeniden: 2La + 3X₂ → 2LaX₃ (X = F, Cl, Br, I). Lanthanfluorid LaF₃ ist besonders wasserunlöslich. Es reagiert auch bei hoher Temperatur mit Stickstoff zu LaN, mit Kohlenstoff zu LaC₂, mit Schwefel zu La₂S₃ und mit Wasserstoff zu LaH₂/LaH₃.
Dies ist die größte Anwendung von Lanthan. Lanthanoxid (La₂O₃) wird den Zeolithen (Zeolith Y) zugesetzt, die in den Fluid-Catalytic-Cracking-Einheiten (FCC) der Raffinerien verwendet werden. Seine Rolle ist zweifach:
Ohne Lanthan wäre die Effizienz der Erdölraffination deutlich verringert.
Legierungen auf Lanthanbasis (vom Typ LaNi₅ oder komplexere Seltenerdlegierungen, "Mischmetall") bilden das Material der negativen Elektrode (Anode) von NiMH-Batterien. Diese Legierungen absorbieren und desorbieren reversibel große Mengen Wasserstoff. NiMH-Batterien, die sicherer und umweltfreundlicher sind als Ni-Cd-Batterien, haben Generationen von Hybridfahrzeugen (wie den Toyota Prius), kabellosen Werkzeugen und elektronischen Geräten ausgestattet. Obwohl sie in vielen Bereichen durch Li-Ion-Batterien ersetzt wurden, bleiben sie für bestimmte Anwendungen wichtig.
LaNi₅-Legierungen werden auch für die Feststoffspeicherung von Wasserstoff untersucht, da sie ihn absorbieren können. Darüber hinaus ist Lanthanoxid Bestandteil von Katalysatoren für die Wasserstoffproduktion durch Dampfreformierung von Methan oder Biokraftstoffen.
Lanthanoxid (La₂O₃) ist eine essentielle Komponente bestimmter optischer Gläser, die als "hochwertige Seltenerdgläser" oder "Lanthangläser" bezeichnet werden. Diese Gläser weisen einen sehr hohen Brechungsindex und eine geringe Dispersion (Abbe-Zahl) auf. Diese Eigenschaften ermöglichen die Herstellung von hochwertigen, leichten und kompakten Objektivlinsen, die chromatische Aberrationen korrigieren. Sie finden sich in professionellen Kameraobjektiven, Teleskopen, Mikroskopen und Fotolithographiegeräten.
Cer-dotiertes Lanthanbromid (LaBr₃:Ce) ist ein revolutionäres Szintillatormaterial. Es wandelt Gamma- oder Röntgenstrahlung in sichtbares Licht mit außergewöhnlicher Energieauflösung um, die weit über der klassischer Szintillatoren (NaI:Tl) liegt. Es wird in der Detektion radioaktiver Materialien (Sicherheit, Geophysik), medizinischer Bildgebung und Kernphysik eingesetzt.
Lanthantitanat (La₂Ti₂O₇) und verwandte Materialien zeigen interessante ferroelektrische oder piezoelektrische Eigenschaften für Kondensatoren, Sensoren und nichtflüchtige Speicher.
Mischmetall (vom Deutschen "Mischmetall", "gemischtes Metall") ist eine natürliche Seltenerdlegierung, die typischerweise etwa 50 % Cer, 25-40 % Lanthan, 10-15 % Neodym und kleine Mengen anderer Seltenerden und Eisen enthält. Es ist ein wirtschaftliches Nebenprodukt der Seltenerd-Raffination. Lanthan trägt zur Formbarkeit und den pyrophoren Eigenschaften bei.
Lanthan und seine Verbindungen gelten als gering bis mäßig toxisch, insbesondere im Vergleich zu anderen Schwermetallen. Allerdings:
Das Metall selbst ist in fein pulverisierter Form pyrophor und muss unter Inertatmosphäre gehandhabt werden.
Lanthan ist in der Umwelt natürlich in geringen Konzentrationen vorhanden. Der Bergbau und die Raffination von Seltenen Erden können Abfälle (Bergbaurückstände, Aufbereitungsschlämme) erzeugen, die Lanthan und andere Elemente enthalten, manchmal mit natürlicher Radioaktivität (Thorium, Uran), die mit Erzen wie Monazit verbunden ist. Die Bewirtschaftung dieser Abfälle ist eine wichtige Umweltaufgabe. Lanthan wird nicht als Hauptschadstoff angesehen, aufgrund seiner geringen Mobilität in Böden und geringen Toxizität.
Das Recycling von Lanthan wird mit dem wachsenden Einsatz immer wichtiger. Die wichtigsten potenziellen Recyclingquellen sind:
Recycling ist technisch machbar (durch hydrometallurgische Prozesse), wird aber oft durch Sammlung, Logistik und schwankende wirtschaftliche Rentabilität behindert.
Lanthan bleibt ein strategisches Element für die Energiewende:
Die Hauptherausforderungen bleiben die Diversifizierung der Versorgung außerhalb Chinas, die Verbesserung der Nutzungseffizienz und die Entwicklung robuster Recyclingwege.
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