57, Lanthan (La)

gr. lanthanein = versteckt, verborgen sein

Das Element Lanthan:

         
  Sr Y Zr  
  Ba La Ce  
  Ra Ac Th  
         
 
   
   
   
   
   
   
   
Natürliche Entstehung von Lanthan (Nukleosynthese): Lanthan kommt natürlich mit zwei Isotopen (Massenzahlen 138 und 139) vor. La-138 zerfällt mit einer Halbwertzeit von 100 Milliarden Jahren teils zu Ba-138, teils zu Ce-138.

Die Bildung von La-139 kann sowohl durch r-Prozesse aus Fe-56 nach Supernova-Explosionen, als auch durch s-Prozesse in Roten Riesensternen aus Ba-138 heraus erklärt werden. Die Bildung von La-138 dagegen kann nur durch einen so genannten ν-Prozess hinreichend erklärt werden, da die Synthese weder durch r- oder s-Prozesse, noch durch einen p-Prozess möglich ist.

Die Lanthan-Synthese:
138La-Synthese:
(ν-Prozess:)

139La + 8,80 MeV + ν → 138La + n + ν
138Ba + 1,74 MeV + ν → 138La + β- + ν

139La-Synthese:
(s-,r-Prozesse:)

138Ba + n → 139La + β- + 7,55 MeV

56Fe + 83n → 139La + 31β- + 697 MeV



Da der Neutrinoprozess einen entsprechend intensiven und dichten Neutrinofluss erfordert um überhaupt mit Materie in genügender Weise wechselwirken zu können, entsteht das Lanthan-Isotop mit der Massenzahl 138 nur in geringen Spuren, was sich auch in seinem Anteil von gerade einmal 90,2 mg/kg im natürlichen Isotopengemisch ausdrückt.
Vorkommen von Lanthan: Lanthan kommt im Universum durchschnittlich zu 2 μg/kg Anteil in der Materie vor (Rang 57). Auf der Erde kommt es in angereicherter Form vor; es ist mit 39 mg/kg am Aufbau der Erdkruste (17 mg/kg Anteil in der Erdhülle) ein recht häufiges Element: Lanthan ist in etwa so häufig wie Blei. (Rang 36). Es ist nach Cer und Neodym das dritthäufigste (dreizehntseltenste) Lanthanoid.

Das Element kommt vergesellschaften mit Scandium, Yttrium und den Lanthanoiden in den Mineralien Bastnäsit, Gadolinit und Monazit vor, aus denen es auch gewonnen werden kann.

Wichtige Lanthan-Mineralien

Monazitsand, LnPO4[1]

Cer-Gadolinit, Ln2FeBe2(SiO5)2[2]

Bastnäsit, (La|Ce)CO3F[3]


Lanthan-Gewinnung:
Lanthan wird zusammen mit den Lanthanoiden, Scandium, Yttrium, Thorium und teilweise Uran aus den Mineralien Bastnäsit, Xenotim, Monazit und Gadolinit gewonnen.

Hierzu werden die Erze zunächst gemahlen und dann durch Flotation vom Gestein getrennt. Das bei der Flotation abgeschöpfte Erz wird dann im bei 120 bis 130°C mit konzentrierter Schwefelsäure aufgeschlossen, wobei die Lanthanoide, Yttrium und Scandium als Sulfate in Lösung gehen. Nach Abkühlen und Einleiten in mit Oxalsäure versetztes Eiswasser fallen die Lanthanoide aus der Lösung aus.

Man kann diese nun über Ionenaustausch-Säulen fraktionieren und somit voneinander trennen.

Das Lanthanoxid (welches seinerseits durch Glühen des Lanthanoxalats gewonnen wird), wird mittels Salzsäure (bzw. Flusssäure) in Lanthanchlorid (bzw. Lanthanfluorid) überführt, welches dann nach Zusatz von Kaliumchlorid (Lithiumfluorid) einer Schmelzelektrolyse unterzogen. Reste von sich ebenfalls abscheidenden Alkalimetallen können dann durch Destillation entfernt werden.

Alternativ kann Lanthan auch auf demselben Weg wie Yttrium gewonnen werden, indem man sein Fluorid im Vakuum-Induktionsofen mittels Calcium oder Magnesium zum Lanthan reduziert. Eine Reinigung kann auch hier durch Abdestillieren der verbliebenen Erdalkalireste erfolgen; Lanthan siedet erst weit oberhalb 3000 °C.

Schema: Darstellung der Lanthanoide[5]
Chemie von Lanthan: Lanthan (Elektronenkonfiguration [Xe] 6s2 5d1) schließt sich in seinem chemischen Verhalten an Yttrium und an Barium an. Es ist ein recht stark elektropositives Element, welches innerhalb der Scandiumgruppe den unedelsten Charakter besitzt. Durch seine Elektronenkonfiguration ist es bestrebt, drei Elektronen abzugeben. Daher tritt es in seinen Verbindungen durchweg in der Oxidationsstufe +3 auf.

Verhalten an der Luft. Lanthan überzieht sich an der Luft recht schnell mit einer grauen Oxidschicht; bereits beim Erhitzen auf 150°C verbrennt es mit grüner Flamme unter stark exothermer Reaktion zu Lanthanoxid. Dieses reagiert mit Wasser ebenfalls unter exothermer Reaktion zum Hydroxid; die Reaktion ist so heftig, dass es beim Löschen zischt. Lanthanhydroxid ist zwar nur schwer in Wasser löslich, es hat jedoch stark basische Eigenschaften. Eine gesättigte Lanthanhydroxidlösung (1,8 mg/L) hat einen pH-Wert von knapp 9. Im Gegensatz zu Aluminiumoxid löst sich auch stundenlang geglühtes Lanthanoxid (und gleichsam die anderen Lanthanoid(III)oxide) in Säuren auf, nicht jedoch in Laugen.

4La + 3O2 → 2La2O3 + 3586,2 kJ


Reaktion mit Wasser und Säuren: Lanthan reagiert lebhaft unter Wasserstoffentwicklung und Bildung von Lanthanhydroxid mit Wasser; im Gegensatz zu seinen beiden leichteren Homologen Scandium und Yttrium auch in der Kälte und in kompakter Form. Ebenso wird das Metall heftig von Säuren, auch schwachen, zu Lanthansalzen und Wasserstoff zersetzt. Lanthanhydroxid (La(OH)3) ist eine starke Base, die wie die Hydroxide der Erdalkalimetalle ab Calcium begierig CO2 an der Luft anzieht. Sie hat auch im Gegensatz zu Scandium- und Yttriumhydroxid nur noch basische Eigenschaften; La(OH)4--Ionen können im wässrigen Medium nicht mehr erhalten werden. Lanthan(III)-Ionen hydratisieren in Wasser zu Nonaaqua-Ionen, La(H2O)93+, welche ihrerseits merklich hydrolytisch gespalten sind. Daher reagieren Lanthansalze, sofern das Anion neutral reagiert, deutlich sauer (Siehe Tabelle pKs-Werte der Scandiumgruppen3+-Ionen bei Yttrium).

Hydrolyse von Lanthanhydroxid und Lanthan-Ionen

a) Alkalische Reaktion von Lanthan(III)hydroxid:
{La(OH)3} [La(OH)2]+ + OH-; pKb = 4,20

b) Saure Reaktion von Lanthan-Ionen:
[La(H2O)9]3+ + H2O [La(H2O)8(OH)]2+ + [H3O]+; pKs = 8,60



Reaktionen mit Nichtmetallen: Lanthan reagiert mit den Halogenen Fluor, Chlor und Brom bereits bei Raumtemperatur unter grüner Feuererscheinung zu entsprechenden ionisch aufgebauten Lanthanhalogeniden (LaX3). Mit Iod, Schwefel, Selen und Phosphor setzen sich beim Erhitzen ebenfalls unter Feuererscheinung zu salzartig aufgebauten Verbindungen (LaI3, La2S3, La2Se3 bzw. LaP) um.

Komplexverbindungen: Von allen Lanthanoiden neigt das Lanthan am Wenigsten zur Bildung komplexer Anionen.

Lanthanverbindungen

Lanthanoxid[4]
La2O3

Fotomontage: Lanthansulfat[7]
La2(SO4)3•8H2O

Lanthansulfat-Lösung[4]
UV-Licht (li), Tageslicht (re)


Physikalische Besonderheiten von Lanthan bzw. von seinen Verbindungen: Lanthan zeigt bei energetischer Anregung (Verdampfen oder Verbrennen von Lanthanmetall oder einer Lanthanverbindung) eine typische blaßgrüne Flammenfärbung, die durch Emission von Lichtquanten zustande kommt, die beim Rückfall angeregter Elektronen vom p- oder d-Niveau auf das s-Niveau frei werden.

Flammenfärbung eines Lanthansalzes[4]

Die Hauptwellenlänge der emittierten Lichtquanten im sichtbaren Bereich liegt bei 550,1 nm (grün).
Verwendung von Lanthan und seinen Verbindungen : Elementares Lanthan und Lanthanlegierungen haben einige wichtige technische Verwendungsmöglichkeiten:

  • Zündsteine: Elementares Lanthan findet praktisch nur im Mischmetall Verwendung, welches als pyrophorer Stoff von Zündsteinen dient. Dabei macht man sich die Oxidatonsempfindlichkeit des Metalls zunutze, weswegen es sich in feinverteiltem Zustand an der Luft selbst entzündet und somit Funken schlagen kann.

  • Magneten: In der Legierung mit Kobalt (LaCo5) können aus Lanthan starke Permanentmagnete hergestellt werden.[6]

  • Chirurgisches Werkmetall mit geringer allergischer Neigung kann aus Titanlegierungen mit Lanthanzusatz hergestellt werden. Titan-Lanthan-Legierungen sind sehr korrosionsbeständig und gut sterilisierbar.[6]

Lanthanverbindungen haben ebenfalls einige technische Bedeutungen:
  • Lanthanoxid als Zuschlagsstoff zur Glasherstellung von optischen Gläsern ("Lanthanglas"). Dieses Glas weist sich durch hohe Brechzahlen, die sich für ein weites Spektrum des sichtbaren und unsichtbaren Lichts vergleichbar sind. Dadurch kann solches Glas zur Fertigung von Teleskop- oder Kameralinsen eingesetzt werden.[6]

  • Phosphatbinder. Lanthancarbonat wird bei Dialysepatienten als Phosphatbinder eingesetzt, um den Phosphatspiegel im Blut zu senken.[6]

  • Fluoridsensitive Elektroden enthalten Lanthanfluorid.

  • Lanthanchlorid wird als Algenwachstums-Hemmer in der Wasserwirtschaft verwendet; es in der Lage, Phosphate als sehr schwerlösliches Lanthanphosphat auszufällen.
Verwendungen von Lanthan und seinen Verbindungen

Kameralinsen enthalten Lanthanoxid[4]

Fluoridsensitive Elektrode[4]


Biologische Bedeutung von Lanthan: Lanthan ist beim Menschen nicht essentiell, jedoch auch nicht toxisch.

Bei höheren Pflanzen vermutet man, dass Lanthan das Wachstum anregen kann.
Quellen: [1] Bildquelle: Bild einer US-Behörde, welches in Ausübung des Dienstes angefertig wurde. Solche Bilder sind gemeinfrei, wenn es nicht ausdrücklich anders angegeben ist.

[2] Bildquelle: Wikimedia Commons. Urheber: Western Devil. Das Bild ist unter den Bedingungen der Creative Commons Lizenz freigegeben.

[3] Bildquelle: Wikimedia Commons. Urheber: Rob Lavinsky. Das Bild ist unter den Bedingungen der Creative Commons Lizenz freigegeben.

[4] Eigenes Bild. Dieses Bild darf unter den Bedingungen der Creative Commons Lizenz frei verwendet werden. Bei Verwendung bitte einen Link auf mein Web-Angebot setzen.

[5] Eigene Grafik. Die Grafik im Gesamten darf unter den Bedingungen der Creative Commons Lizenz frei verwendet werden. Grafik beinhaltet Bild (Erz) aus Quelle [3], weswegen auch die Bedingungen der dort angegebenen Lizenz beachtet werden müssen.

[6] Wikipedia, Artikel Lanthan, Absatz Verwendung.

[7] Quelle des Originalbildes: Wikimedia Commons. Urheber: Bahmtec. Das Bild ist unter den Bedingungen der Creative Commons Lizenz freigegeben.