Vorlesung Chemie der Metalle
7.Lanthanoide und Actinoide
7.2. Actinoide
In der Reihe der Actinoide werden die 5f-Zustände aufgefüllt. Es handelt sich um die
folgenden 14 Elemente:
- 90Th (Thorium)
- 91Pa (Protactinium)
- 92U (Uran)
- 93Np (Neptunium)
- 94Pu (Plutonium)
- 95Am (Americium)
- 96Cm (Curium)
- 97Bk (Berkelium)
- 98Cf (Californium)
- 99Es (Einsteinium)
- 100Fm (Fermium)
- 101Md (Mendelevium)
- 102No (Nobelium)
- 103Lr (Lawrencium) (erstes Isotop 1961 entdeckt)
Im Rahmen dieser Vorlesung wird nur kurz auf die Chemie der weniger radioaktiven Elemente
90Th (Thorium) und 92U (Uran) eingegangen.
Generell lässt sich im Vergleich der Actinoide mit den Lanthanoiden feststellen:
Wie bei den Lanthanoide erfolgt die Auffüllung der 5f-Schale (statt der 4f-Schale bei den
Lanthanoiden). Es gibt eine der Lanthanoidenkontraktion entsprechende Actinoiden-Kontraktion.
Besonders stabil sind Ionen mit f0 (Lanthan bzw. Actinium),
f7 (Gadolinium bzw. Curium) und f14 (Lutetium bzw. Lawrencium).
Wie bei den Lanthanoiden gibt es auch hier zwei Teilgruppen, von f0 bis
f7 (frühe Actionide) und f7 bis f14 (späte Actinoide).
Auch der Verlauf der Farbigkeit der Ionen ist ähnlich wie bei den Lanthanoiden:
Ac3+ ist farblos, Np3+ dagegen purpurrot.
Im Unterschied zu den Lanthanoiden
sind alle Elemente radioaktiv, die Chemie ist nur von Thorium und Uran gut bekannt.
Die Elemente sind chemisch sehr unterschiedlich und haben eine deutlich vielfältigere Chemie
(z.B. sehr viele Oxidationsstufen) als die Lanthanoide. Beispielsweise gibt es
sehr viele U-Oxide und -halogenide mit Uran in den Oxidationsstufen +III, +IV, +V und +VI.
D.h. wie bei den Nebengruppen bevorzugen auch bei den Lanthanoiden und Actinoiden
die schwerere Homologe höhere Oxidationsstufen. Es gibt keine leicht erklärbaren
Regelmäßigkeiten in den Oxidationsstufen, z.B. ist bei Thorium nur bis +IV,
bei Uran dagegen bis +VI bekannt.
An dieser Stelle sollen nur einzelne wichtige Elemente und deren wichtigste Verbindungen
genannt werden:
- Thorium kommt überwiegend als vierwertiges Kation vor.
Das Mischoxide CeO2/ThO2 wird für Glühstrümpfe
(früher Glühbirnen, Camping) verwendet.
ThO2 wurde früher als Tiegelmaterial für Hochtemperatursynthesen
verwendet.
- Von Protactinium Pa ist über die Chemie nur wenig bekannt.
- Uran ist sicher das wichtigste Element der Actinoiden-Reihe.
Es hat eine Isotopenzusammensetzung von 99 % 238 und 1% 235.
Da nur 235U als Kernbrennstoff (Zerfall nach Beschuß mit thermischen Neutronen)
verwendet werden kann, stellt neben der Gewinnung vor allem die Isotopentrennung
einen wichtigen Schritt dar.
Gewinnung:
U3O8 + H2SO4 (HNO3 ⟶
Uranylsulfat(nitrat) ⟶ + HF ⟶ UF4 ⟶ Cu,Mg ⟶ U
Mit dem sukzessiven Ausstieg aus der Kernenergie bleibt das Entsorgungsproblem,
das meist mit der Verglasung und Endlagerung der Abfälle gelöst wird.
Uran bildet Verbindungen in den Oxidationsstufen von +III bis +VI, z.B. die Reihe:
- UCl3 (Uran mit CN 9)
- UCl4 (CN 8)
- U2Cl10 (molekulare Verbindungen mit CN=6)
- UCl6 (ebenfalls molekular mit CN 6)
Uran bildet auch verschiedene Komplexverbindungen. eine besonders einfache ist
das sogenannte Uranocen (mit planarem Cyclooctatetraen):
[U[IV](C8H8)2].
- Die weiteren Elemente ab Neptunium
haben nur eine geringe Bedeutung als 'chemische' Elemente,
da alle Isotope stark radioaktiv sind.
Nach diesen Actinoiden-Elementen folgen nur noch ganz schwere Elemente, deren Isotope entsprechend wenig
stabil und daher chemisch wenig interessant sind. Die Namen entsprechen der
IUPAC-Empfehlung, gelegentlich findet man auch noch alternative/konkurrierende/alte
Bezeichnungen dieser Elemente (Stand: Dezember 2016):
- 104Rf: Rutherfordium (Eka-Hf)
- 105Db: Dubnium (Eka-Tantal, gelegentlich auch noch Hahnium oder Joliotium genannt)
- 106Sg: Seaborgium (Eka-W)
- 107Bh: Borium (Eka-Re) Halbwertszeit des Isotopes 261: 11.8 ms)
- 108Hs: Hassium (Eka-Os) Halbwertszeit des Isotopes 265: 1.8 ms)
- 109Mt: Meitnerium (Eka-Ir) Halbwertszeit des Isotopes 267: 7 ms)
- 110Ds: Darmstadtium (Eka-Pt): 62Ni + 208Pb ⟶ 269110 + 1n
(Halbwertszeit des Isotopes 270: 1.4 ms)
- 111Rg: Röntgenium (Eka-Au): 64Ni + 209Bi ⟶ 272111 + 1n
(Halbwertszeit des Isotopes 272: 1.5 ms, Röntgenium)
- 112Cn: Copernicium (Eka-Hg):
- 113Nh: Nihonium (Eka-Tl): 70Zn + 209Bi ⟶ 278113 + 1n
- 114Fl: Flerovium (Eka-Pb): 76Ge + 209Bi ⟶ 283114 + 1n
- 115Mc: Moscovium
- 116Lv: Livermorium
- 117Ts: Tennessine
- 118Og: Oganesson
Die tagesaktuellen Informationen zu den neuen Elementen und deren Benennung
usw. finden sich auf der
Homepage der GSI
(Gesellschaft für Schwerionenforschung) in Darmstadt.