Der f-Block des Periodensystems
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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.
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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.
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