Lanthan

Lanthan [[[:Vorlage:IPA]]] (Vorlage:Audio) 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.

Geschichte

Datei:Mosander Carl Gustav bw.jpg

Carl Gustav Mosander

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.<ref>Wilhelm von Hiesinger, Jöns Jakob Berzelius: Cerium Ein neues Metall aus einer Schwedischen Steinart, Bastnäs Tungsten genannt. In: Neues allgemeines Journal der Chemie. Band 2, Heft 4, 1803, S. 397–418 (online).</ref> 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.<ref>C.G. Mosander: Lantan, ein neues Metall. In: Poggendorffs Annalen. 46, 1839, S. 648–649 (Vorlage:Gallica).</ref><ref name="Tansjö">Levy Tansjö: Carl Gustav Mosander and his research of rare earths. In: C.H. Evans (Hrsg.): Episodes from the History of the Rare Earth Elements. Band 15, Kluwer Academic Publishers 1996, ISBN 978-94-009-0287-9, S. 13–36.</ref>

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.<ref>Carl Gustav Mosander: Ueber die das Cerium begleitenden neuen Metalle Lanthanium und Didymium, sowie über die mit der Yttererde vorkommenden neuen Metalle Erbium und Terbium. In: Annalen der Physik und Chemie. Band 60, 1843, S. 297–315 (online auf Wikisource).</ref> Auch das Didym stellte sich schließlich als Mischung der Elemente Neodym und Praseodym heraus.<ref>C. Auer v. Welsbach: Die Zerlegung des Didyms in seine Elemente. In: Monatshefte für Chemie und verwandte Teile anderer Wissenschaften. 1885, Band 6, Nummer 1, S. 477–491 Vorlage:DOI.</ref><ref name="Tansjö"/>

Reines metallisches Lanthan wurde 1923 durch elektrolytische Reduktion von Lanthanchlorid gewonnen.<ref>H. C. Kremers, Roger Greenleaf Stevens: Observations on the rare earths. XIV. The preparation and properties of metallic lanthanum. In: Journal of the American Chemical Society. 1923, Band 45, Nummer 3, S. 614–617 Vorlage:DOI.</ref><ref>Vorlage:CRC Handbook</ref>

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

Datei:Lanthan 1.jpg

Lanthan

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.

<math>\mathrm{2\,La + 1{,}5\,O_2 \rightarrow \,La_2O_3\ _{\overrightarrow{\mathrm{3\,H_2O}}}\ 2\,La(OH)_3}</math>

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.

<math>\mathrm{2\,La + 6\,H_2O \rightarrow 2\,La(OH)_3 + 3\,H_2}</math>

Lanthan in Wasser erzeugt Lanthanhydroxid und Wasserstoff.

In verdünnten Säuren löst sich Lanthan unter Wasserstoffentwicklung auf.

<math>\mathrm{2\,La + 3\,H_2SO_4 \rightarrow La_2(SO_4)_3 + 3\,H_2}</math>

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.

<math>\mathrm{La + n\,H_2 \rightarrow LaH_{2n}; 1 < n < 1{,}5}</math>

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.<ref name="Lucien F. Trueb">Lucien F. Trueb: Die chemischen Elemente, Ein Streifzug durch das Periodensystem. S. Hirzel Verlag, Stuttgart/Leipzig 1996, ISBN 3-7776-0674-X.</ref>

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.<ref>Vorlage:Literatur</ref>

Weblinks

• Vorlage:RömppOnline

Einzelnachweise

<references />