Der f-Block des Periodensystems

Im f-Block stehen die Elemente der Lanthanoide und Actinoide, also zweimal 14 Elemente, die sich untereinander ähnlicher sind, als es sich die Elemente des d-Blocks im Vergleich dazu sind. Damit machen sie mit 28 Elementen fast ein Viertel aller derzeit bekannten Elemente aus.

Woher kommt jedoch diese chemisch enge Verwandtschaft?

Schaut man sich die Atomhüllen der f-Block-Elemente an, so ergibt sich fortweg folgendes Bild: In der höchsten Schale befinden sich zwei Elektronen (s-Elektronen), in der zweitäußersten entweder ein einzelnes, zwei oder kein d-Elektron. Erst in der drittäußersten Schale (f-Elektronen) unterscheiden sich die einzelnen Elemente voneinander. Dies hat zur Folge, dass alle diese Elemente bevorzugt die drei (zwei oder vier) äußeren Elektronen abgeben; sie reagieren daher meist bevorzugt in der Oxidationsstufe +3.

LANTHANOIDE: Das 4f-Orbital ist dem 5d-Orbital energetisch noch deutlich verschieden. Daher kommt es nicht oder nur vereinzelt zur Umlagerung von Elektronen des f-Orbitals in das d-Orbital. Die Folge hiervon ist, dass alle Lanthanoide bevorzugt in der Oxidationsstufe +3 reagieren. Einzig jene Mitglieder dieser Gruppe, denen zur Ausbildung eines halb- oder vollbesetzten f-Orbitals (sieben bzw. vierzehn Elektronen) ein einziges Elektron fehlt, zeigen einen Übergang eines d-Elektrons in das f-Orbital (Ausbildung von 6s2 5d0 4f7- bzw. 6s2 5d0 4f14-Konfigurationen, wobei hier die Oxidationsstufe +2 durch Abgabe der beiden s-Elektronen eine gewisse Stabilität erhält, Bsp. Europium und Ytterbium). Bei Cer und Terbium, die durch Umlagerung von f-Elektronen in das d-Orbital  zu halb- oder unbesetzten f-Orbitalen gelangen können (6s2 d2 f0- bzw. 6s2 5d2 4f7-Konfigurationen) zeigt sich daher auch die Oxidationsstufe +4 (Abgabe der s- und d-Elektronen). Wohlgemerkt ist bei allen Lanthanoiden der dreiwertige Zustand der stabilste. Es zeigt sich eine Periodizität in den Eigenschaften der Lanthanoide: Es sind sich jeweils die sieben Ordnungszahlen auseinander liegenden Lanthanoide besonders ähnlich (leeres f-Orbital +x und halbbesetztes f-Orbital + x Elektronen).

ACTINOIDE: Das 5f und 6d-Orbital sind energetisch weniger stark voneinander verschieden als 4f und 5d-Orbital. So kommt es gerade bei den ersten sieben Mitgliedern dieser Gruppe vielfach zu Elektronenumlagerungen von f-Orbital in das d-Orbital, wobei die Zahl der Valenzelektronen vom Actinium (3) bis zum Plutonium hin auf acht ansteigt. Deshalb vermutete man früher, als man erst die Elemente bis zum Uran hin kannte, dass diese Elemente Homologe der d-Block-Elemente seien (Uran also ein schweres Homologes des Wolframs). Dagegen sprechen jedoch zahlreiche Verhaltensschemata dieser Elemente in ihren Verbindungen. Von allen Actinoiden ist die Oxidationsstufe +3 bekannt - sie wird jedoch erst ab Curium zur bevorzugten Wertigkeitsstufe. Analog den Lanthanoiden tritt auch bei den Actinoiden die Oxidationsstufe +2 bei jenen Elementen auf, denen zum Erreichen eines halb- oder vollbesetzten f-Orbitals ein einziges Elektron fehlt, welches sie dann durch eine Umlagerung in das f-Orbital realisieren. Hier sind es die Elemente Americium und Nobelium (Ausbildung von 7s2 6d0 5f7- bzw. 7s2 6d0 5f14-Konfigurationen). Ebenfalls analog wird die Oxidationsstufe +4 bei Thorium und Berkelium ausgebildet, wo - ebenfalls durch Umlagerung eines f-Elektrones - das erste bzw. achte f-Elektron in das d-Orbital umgelagert wird (Ausbildung von 7s2 6d2 5f0 bzw. 7s2 6d2 5f7-Konfigurationen), wobei ebenfalls ein un- oder halbbesetztes f-Orbital ausgebildet werden kann. Im Unterschied zu den Lanthanoiden ist eine Periodizität von leichten (x f-Elektronen) zu schweren (x+7 f-Elektronen) nicht sehr ausgeprägt, insgesamt sind die schweren Actinoide jedoch den schweren Lanthanoiden "echte" Homologe.