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Lanthan

chemisches Element mit dem Symbol La und der Ordnungszahl 57

Lanthan [lanˈtaːn] (anhörenⓘ/?) 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
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)[1]
Atomar[2]
Atommasse 138,90547(7)[3] u
Atomradius 195 pm
Kovalenter Radius 207 pm
Elektronenkonfiguration [Xe] 5d1 6s2
1. Ionisierungsenergie 5.5769(6) eV[4] ≈ 538.09 kJ/mol[5]
2. Ionisierungsenergie 11.18496(6) eV[4] ≈ 1079.18 kJ/mol[5]
3. Ionisierungsenergie 19.1773(6) eV[4] ≈ 1850.33 kJ/mol[5]
4. Ionisierungsenergie 49.95(6) eV[4] ≈ 4820 kJ/mol[5]
5. Ionisierungsenergie 61.6(6) eV[4] ≈ 5940 kJ/mol[5]
Physikalisch[2]
Aggregatzustand fest
Modifikationen 3
Kristallstruktur hexagonal
Dichte 6,17 g/cm3 (20 °C)[6]
Mohshärte 2,5
Magnetismus paramagnetisch (χm = 5,4 · 10−5)[7]
Schmelzpunkt 1193 K (920 °C)
Siedepunkt 3743 K[8] (3470 °C)
Molares Volumen 22,39 · 10−6 m3·mol−1
Verdampfungsenthalpie 400 kJ·mol−1[8]
Schmelzenthalpie 6,2 kJ·mol−1
Schallgeschwindigkeit 2475 m·s−1
Elektrische Leitfähigkeit 1,626 · 106 S·m−1
Wärmeleitfähigkeit 13 W·m−1·K−1
Chemisch[2]
Oxidationszustände +3
Normalpotential −2,38 V (La3+ + 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 · 1011 a 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
Spin-
Quanten-
zahl I 		γ in
rad·T−1·s−1 		Er (1H) fL bei
B = 4,7 T
in MHz
138La 5 3,557 · 107 0,00008 26,39
139La 7/2 3,808 · 107 0,0605 28,18
Sicherheitshinweise
GHS-Gefahrstoffkennzeichnung[9]

Pulver

Gefahrensymbol

Gefahr

H- und P-Sätze H: 228
EUH: 014
P: 210[9]
Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet.
Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen.

Geschichte

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Im Jahr 1751 entdeckte der schwedische Mineraloge Axel Fredrik Cronstedt ein schweres Mineral aus der Mine von Bastnäs, später Cerite genannt. Dreißig Jahre später schickte der fünfzehnjährige Vilhelm Hisinger aus der Familie, der die Mine gehörte, eine Probe an Carl Scheele, der darin keine neuen Elemente fand. Im Jahr 1803, nachdem Hisinger Eisenmeister geworden war, kehrte er mit Jöns Jacob Berzelius zum Mineralstoff zurück und isolierte ein neues Oxid, das sie nach dem zwei Jahre zuvor entdeckten Zwergplaneten Ceres Ceria nannten.[10] Ceria wurde gleichzeitig von Martin Heinrich Klaproth in Deutschland unabhängig isoliert.[11] Zwischen 1839 und 1843 wurde Ceroxid vom schwedischen Chirurgen und Chemiker Carl Gustav Mosander, der im selben Haus wie Berzelius lebte, als Oxidgemisch bezeichnet: Er trennte zwei weitere Oxide, die er Lanthan und Didymia nannte.[12] Er zerlegte eine Probe von Cernitrat teilweise, indem er sie an der Luft röstete und das resultierende Oxid dann mit verdünnter Salpetersäure behandelte. Da sich die Eigenschaften von Lanthan nur geringfügig von denen des Cers unterschieden und in seinen Salzen mitgegangen sind, nannte er es aus dem Altgriechischen λανθάνειν [lanthanein] („verborgen sein“). Das relativ reine Lanthanmetall wurde erstmals 1923 isoliert.

Vorkommen

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

Gewinnung und Darstellung

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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

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Lanthan

Physikalische Eigenschaften

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

Chemische Eigenschaften

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

 
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.

 
Lanthan in Wasser erzeugt Lanthanhydroxid und Wasserstoff.

In verdünnten Säuren löst sich Lanthan unter Wasserstoffentwicklung auf.

 
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.

 

Verwendung

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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

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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.

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

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  • 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

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Sicherheitshinweise

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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.[13]

Verbindungen

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In Verbindungen kann Lanthan als farbloses La3+ vorliegen.

  • Lanthanoxidfluorid LaOF
  • Lanthansulfidfluorid LaSF
  • Lanthansulfidchlorid LaSCl
  • Lanthanfluoridcarbonat LaF[CO3]
  • Lanthanhydrid (LaH10)

Supraleitung des Hydrids

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Lanthanhydrid (LaH10) ist ein Supraleiter mit einer Sprungtemperatur von 250 K (−23° C) bei einem Druck von ungefähr 170 Gigapascal.[14]

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Commons: Lanthan – Sammlung von Bildern und Audiodateien
Wiktionary: Lanthan – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen
Wikisource: Ueber die das Cerium begleitenden neuen Metalle Lanthanium und Didymium, sowie über die mit der Yttererde vorkommenden neuen Metalle Erbium und Terbium – Quellen und Volltexte
  • Eintrag zu Lanthan. In: Römpp Online. Georg Thieme Verlag, abgerufen am 3. Januar 2015.

Einzelnachweise

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  1. ↑ Harry H. Binder: Lexikon der chemischen Elemente. S. Hirzel Verlag, Stuttgart 1999, ISBN 3-7776-0736-3.
  2. ↑ Die Werte für die Eigenschaften (Infobox) sind, wenn nicht anders angegeben, aus www.webelements.com (Lanthan) entnommen.
  3. ↑ CIAAW, Standard Atomic Weights Revised 2013.
  4. ↑ a b c d e Eintrag zu lanthanum in Kramida, A., Ralchenko, Yu., Reader, J. und NIST ASD Team (2019): NIST Atomic Spectra Database (ver. 5.7.1). Hrsg.: NIST, Gaithersburg, MD. doi:10.18434/T4W30F (physics.nist.gov/asd). Abgerufen am 11. Juni 2020.
  5. ↑ a b c d e Eintrag zu lanthanum bei WebElements, www.webelements.com, abgerufen am 11. Juni 2020.
  6. ↑ N. N. Greenwood, A. Earnshaw: Chemie der Elemente. 1. Auflage. VCH, Weinheim 1988, ISBN 3-527-26169-9, S. 1219.
  7. ↑ Robert C. Weast (Hrsg.): CRC Handbook of Chemistry and Physics. CRC (Chemical Rubber Publishing Company), Boca Raton 1990, ISBN 0-8493-0470-9, S. E-129 bis E-145. Werte dort sind auf g/mol bezogen und in cgs-Einheiten angegeben. Der hier angegebene Wert ist der daraus berechnete maßeinheitslose SI-Wert.
  8. ↑ a b Yiming Zhang, Julian R. G. Evans, Shoufeng Yang: Corrected Values for Boiling Points and Enthalpies of Vaporization of Elements in Handbooks. In: Journal of Chemical & Engineering Data. 56, 2011, S. 328–337, doi:10.1021/je1011086.
  9. ↑ a b Eintrag zu Lanthan in der GESTIS-Stoffdatenbank des IFA, abgerufen am 5. November 2021. (JavaScript erforderlich)
  10. ↑ The Discovery and Naming of the Rare Earths - Elementymology & Elements Multidict. Abgerufen am 24. März 2019.
  11. ↑ N.N. GREENWOOD, A. EARNSHAW: Boron. In: Chemistry of the Elements. Elsevier, 1984, ISBN 978-0-08-030712-1, S. 155–242.
  12. ↑ Mary Elvira Weeks: The discovery of the elements. XI. Some elements isolated with the aid of potassium and sodium: Zirconium, titanium, cerium, and thorium. In: Journal of Chemical Education. Band 9, Nr. 7, Juli 1932, S. 1231, doi:10.1021/ed009p1231.
  13. ↑ Lucien F. Trueb: Die chemischen Elemente, Ein Streifzug durch das Periodensystem. S. Hirzel Verlag, Stuttgart/ Leipzig 1996, ISBN 3-7776-0674-X.
  14. ↑ A. P. Drozdov, P. P. Kong, V. S. Minkov, S. P. Besedin, M. A. Kuzovnikov, M. I. Eremets: Superconductivity at 250 K in lanthanum hydride under high pressures. In: Nature. Band 569, Nr. 7757, Mai 2019, S. 528–531, doi:10.1038/s41586-019-1201-8.
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