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Lanthan

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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
Kernspin 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: 223​‐​231+232​‐​370+378​‐​422[9]
Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen.

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.

Geschichte

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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.[10] 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.[11][12]

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.[13] Auch das Didym stellte sich schließlich als Mischung der Elemente Neodym und Praseodym heraus.[14][12]

Reines metallisches Lanthan wurde 1923 durch elektrolytische Reduktion von Lanthanchlorid gewonnen.[15][16]

Vorkommen

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Bastnäsit-(La)

Lanthan ist auf der Erde ein zwar insgesamt seltenes, mit einem Gehalt von 39 ppm in der kontinentalen Erdkruste verbreitet vorkommendes Element. Es ist nach Cer und Neodym das dritthäufigste Seltenerdmetall.[17] Wie die anderen Lanthanoide ist Lanthan ein lithophiles Element, das vorwiegend in der Lithosphäre der Erde zu finden ist. Geochemisch wirkt Lanthan als ein inkompatibles Element, das sich beim teilweisen Schmelzen und der fraktionierten Kristallisation von Magma bevorzugt in der Schmelze anreichert. Es ist daher stärker in der kontinentalen Erdkruste im Vergleich zum Erdmantel konzentriert.[18]

Lanthan ist vorwiegend Bestandteil von Mineralen der leichten Seltenen Erden (LREE, Ceriterden), die verschiedene Mischkristallreihen bilden. Die wichtigsten sind dabei Bastnäsit (Ce,La,Nd,Y)[(F,OH)|CO3] und Monazit (Ce,La,Nd,Sm)(PO4). Bastnäsit kann bis zu 38 %, Monazit bis zu 25 % Lanthan enthalten. Auch Minerale wie Fergusonit, Loparit oder Gadolinit enthalten Lanthan, jedoch in geringeren Mengen. Bastnäsit und Monazit sind auch die Erze, die überwiegend als Rohstoff für die Gewinnung von Lanthan und seinen Verbindungen dienen.[19]

In einigen Fällen wurden auch Minerale verschiedener Mischkristallreihen gefunden, in denen Lanthan das dominierende Lanthanoid ist. So sind beispielsweise Monazit-(La), Bastnäsit-(La), Agardit-(La), Davidit-(La), Allanit-(La) und Rhabdophan-(La) bekannt. Insgesamt wurden 58 verschiedene Lanthan-Minerale, insbesondere Silikate und Carbonate gefunden und von der International Mineralogical Association anerkannt (Stand 2025). Natürlich vorkommendes gediegenes Lanthan ist dagegen unbekannt.[20]

Zu den Orten mit den größten und wichtigsten Vorkommen an Ceriterden zählen Bayan Obo in der Volksrepublik China, Araxá in Brasilien, Amba Dongar in Indien, Mount Weld in Australien, Kuannersuit auf Grönland, Lowosero in Russland sowie die Bear Lodge Mountains in Wyoming und Mountain Pass in Kalifornien, Vereinigte Staaten.[21] Insbesondere in Bayan Obo befinden sich große Mengen Lanthan. Die Gesamtreserven an Seltenerdelementen in Bayan Obo werden auf 57,1 Millionen Tonnen oder etwa 42 % der Reserven auf der ganzen Welt geschätzt. Davon ist etwa die Hälfte Cer, und 27 % Lanthan, dazu 15 % Neodym und geringere Anteile der anderen Seltenen Erden.[22]

Der Gehalt an Lanthan im Meerwasser ist mit 4,2 ppt gering, das Element besitzt jedoch nach Yttrium die höchste Konzentration aller Seltenen Erden in den Ozeanen.[23]

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.[24]

Verbindungen

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In Verbindungen kann Lanthan als farbloses La3+ vorliegen.

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.[25]

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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

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.: National Institute of Standards and Technology, 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 10. Januar 2025. (JavaScript erforderlich)
  10. ↑ 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).
  11. ↑ C.G. Mosander: Lantan, ein neues Metall. In: Poggendorffs Annalen. 46, 1839, S. 648–649 (Digitalisat auf Gallica).
  12. ↑ a b 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.
  13. ↑ 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).
  14. ↑ 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 doi:10.1007/BF01554643.
  15. ↑ 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 doi:10.1021/ja01656a007.
  16. ↑ David R. Lide (Hrsg.): CRC Handbook of Chemistry and Physics. 85. Auflage. (Internet-Version: 2005), CRC Press / Taylor and Francis, Boca Raton FL, Properties of the Elements and Inorganic Compounds, S. 4-17.
  17. ↑ David R. Lide (Hrsg.): CRC Handbook of Chemistry and Physics. 85. Auflage. (Internet-Version: 2005), CRC Press / Taylor and Francis, Boca Raton FL, Geophysics, Astronomy, and Acoustics; Abundance of Elements in the Earth's Crust and in the Sea, S. 14-14.
  18. ↑ Catherine Chauvel: Lanthanum. In: William White (Hrsg.): Encyclopedia of Geochemistry. Springer, 2018, ISBN 978-3-319-39311-7, S. 799.
  19. ↑ Shivendra Sinha, Abhilash, Pratima Meshram, Banshi Dhar Pandey: Metallurgical processes for the recovery and recycling of lanthanum from various resources—A review. In: Hydrometallurgy. Band 160, 2016, S. 47–59, doi:10.1016/j.hydromet.2015.12.004.
  20. ↑ The mineralogy of Lanthanum. In: mindat.org, Hudson Institute of Mineralogy, abgerufen am 30. Dezember 2025.
  21. ↑ M.P. Smith, K. Moore, D. Kavecsánszki, A.A. Finch, J. Kynicky, F. Wall: From mantle to critical zone: A review of large and giant sized deposits of the rare earth elements. In: Geoscience Frontiers. Band 7, 2016, S. 315–334, doi:10.1016/j.gsf.2015.12.006.
  22. ↑ Hong-Rui Fan, Kui-Feng Yang, Fang-Fang Hu, Shang Liu, Kai-Yi Wang: The giant Bayan Obo REE-Nb-Fe deposit, China: Controversy and ore genesis. In: Geoscience Frontiers. Band 7, Nr. 3, 2016, S. 335–344, doi:10.1016/j.gsf.2015.11.005.
  23. ↑ Scott M. McLennan: Lanthanide Rare Earths. In: William White (Hrsg.): Encyclopedia of Geochemistry. Springer, 2018, ISBN 978-3-319-39311-7, S. 792–799.
  24. ↑ Lucien F. Trueb: Die chemischen Elemente, Ein Streifzug durch das Periodensystem. S. Hirzel Verlag, Stuttgart/Leipzig 1996, ISBN 3-7776-0674-X.
  25. ↑ 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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