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Der f-Block

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Die LANTHANOIDEN-KONTRAKTION bezeichnet die Erscheinung, dass sich die Elemente zu Beginn des d-Blocks, welche ihren Ordnungszahlen nach auf die Lanthanoide folgen, sich sehr eng an ihre leichteren Homologen anschließen - viel enger als diese ihren leichteren Homologen bzw. die betroffenen Elemente den jeweils schwereren. So sind sich Zirkonium und Hafnium so derart ähnlich bezüglich ihres chemischen Verhaltens, dass Letzteres erst in den 1920er Jahren als stetige Beimengung von ersterem entdeckt wurde. Dabei unterscheidet sich das Zirkonium deutlich vom leichteren Homologen Titan, bzw. das Hafnium ebenso deutlich vom schweren Homologen Rutherfordium. Analoges beobachtet man auch bei Niob und Tantal, und in bereits schwächerer Ausprägung auch noch bei Molybdän und Wolfram. Schaut man sich nun die Atomradien, Atommassen und Dichtewerte an, so zeigt sich folgendes Bild: Bei den leichteren zum schwereren Homologen sind die Atomradien beinahe identisch - und somit auch ihr chemisches Verhalten, da dieses unmittelbar vom Atomradius bzw. der Oxidationsstufen abhängig ist. Dagegen ist die Dichte des schweren Homologen beinahe doppelt so hoch, wie jene des leichten. WIE KOMMT DIESER EFFEKT NUN ZUSTANDE? Im Periodensystem nehmen innerhalb der Periode die Atomradien immer mehr zu, während die Ionenradien der positiven Oxidationsstufen immer mehr abnehmen. Die relativ stärksten Änderungen von Element zu Element zeigen sich im s-Block und im p-Block. Hier werden ja auch mit zunehmender Ordnungszahl die neu hinzukommenden Elektronen auf der äußersten Schale "eingebaut". Im d-Block ist dieser Trend bezüglich Zunahme der Atomradien bzw. Abnahme der positiven Ionenradien bereits viel schwächer ausgeprägt - da hier die neu hinzukommenden Elektronen in der zweitäußersten Schale eingebaut werden. Im f-Block schließlich kompensiert sich die Zunahme der Atomradien und die Abnahme der Ionenradien von einem Element zum nächsten fast komplett über: Lanthan hat mit 169 pm beinahe denselben Atomradius wie Ytterbium. Folglich nimmt die Dichte vom Lanthan zum Ytterbium hin zu. Bei den Elementen, die auf die Lanthanoide folgen - also Hafnium, Tantal und Wolfram - ist dadurch der Atomradius viel kleiner als er entsprechend ihrer Ordnungszahlen sein sollte: Er ist annähernd so groß wie bei den leichteren Homologen, wobei Zirkonium und Hafnium sich am Ähnlichsten, Molybdän und Wolfram am Verschiedensten voneinander sind. Dies hat zur Folge, da ja Atomradien bzw. Ionenradien bezüglich dem chemischen Verhaltens eines Elements eine entscheidende Rolle spielen, dass sich die Homologen der 5. und 6. Periode des linken Teils des d-Blocks untereinander sehr ähnlich sind. Bei Zirkonium und Hafnium geht diese Ähnlichkeit sogar soweit, daß keines der beiden Elemente ohne das andere in der Natur vorkommt, bzw. die Separierung der beiden bei Weitem schwieriger ist, als etwa eine Fraktionierung der Seltenerd-Elemente voneinander. Natürliches Zirkonium enthält immer eine Hafnium-Verunreinigung von etwa 7%; weder Zirkonium noch Hafnium bilden eigenständige Mineralien in welchen sie ausschließlich vorkämen. Auch Niob und Tantal zeigen sich in der Natur oft vergesellschaftet miteinander, und sind chemisch ebenfalls nur unter größerem Aufwand voneinander zu trennen. Bei den Elementen des d-Blocks, die dem Molybdän bzw. dem Wolfram folgen, verliert sich der Effekt allmählich - obgleich sich alle Homologen der 5. und 6. Periode im d-Block näher verwandt sind, als jenen der 4. bzw. 7. Periode.