Warum bilden die Lanthanoide eine Elementgruppe?

Eine Elementgruppe umfaßt mehrere Elemente, die verwandte chemische Eigenschaften, wie vor allem gleiche Wertigkeiten, besitzen.

Die systematische Zusammenfassung der Elemente zu Elementgruppen bereitete den Chemikern lange Zeit Schwierigkeiten, bis 1869 unabhängig voneinander D. I. Mendelejew und L. Meyer ein Schema entwickelten, welches die Basis unseres heutigen Periodensystems der Elemente (PSE) darstellte.
Mendelejew vermochte sogar aufgrund der Position der damaligen "Lücken" des PSE die Existenz und die chemischen Eigenschaften noch nicht entdeckter Elemente vorherzusagen.

Auch die große Zahl der seit 1869 entdeckten Elemente konnte in diese Urform des PSE integriert werden, jedoch blieb das zugrunde liegende Prinzip der Ordnung der Elementgruppen bis zur Entdeckung des Neutrons im Jahre 1930 und der damit verbundenen Aufklärung des Atombaus nicht völlig geklärt.

Mittlerweile ist bekannt, dass die Zahl der Elektronen auf den äußersten Elektronenschalen die chemischen Eigenschaften eines Elementes definieren und der Aufbau der inneren Elektronenschalen die chemischen Eigenschaften deutlich geringer beeinflußt.

So weist z.B. das Halogen Chlor (Elektronenkonfiguration (Ne) 3s² 3p⁵) vergleichbare chemische Eigenschaften wie Fluor ((He)2s² 2p⁵), Brom ((Ar) 4s² 3d¹⁰ 4p⁵) und Iod ((Kr) 5s² 4d¹⁰ 5p⁵) auf, denen je ein Elektron zur Vollendung der Edelgaskonfiguration fehlt, ähnelt jedoch keineswegs dem Chalkogen Schwefel ((Ne) 3s² 3p⁴) oder gar dem Edelgas Argon ((Ne) 3s² 3p⁶).

Bei näherer Betrachtung der leichteren Elemente (bis Ordnungszahl 57) zeigt sich, dass zwei Elemente mit benachbarter Ordnungszahl stets deutlich verschiedene chemische Eigenschaften aufwiesen, da sie auch jeweils verschiedene Anzahlen von Valenzelektronen auf der äußersten Schale besitzen.

Wie kann es nun kommen, dass die folgenden 14 Elemente (Cer bis Lutetium) erstmals eine Elementgruppe aus Elementen benachbarter Ordnungszahlen bilden?

Für die chemische Verwandtschaft der Lanthanoiden muss nach dem zuvor Gesagten sich eine Ähnlichkeit der äußeren Elektronenschalen verantwortlich sein, bleibt jedoch die Frage, wo denn die zusätzlichen Elektronen untergebracht werden?

Diese Tatsache ist durch eine Besonderheit des Atombaus der Lanthanoiden begründet.
Während bei allen Elementen, deren Ordnungszahlen kleiner als 58 sind, die Elektronenschalen von innen nach außen besetzt werden, werden bei den Lanthanoiden erstmals (und später auch bei den Actinoiden) die inneren 4f-(bzw 5f-) Orbitale mit Elektronen besetzt.
Von diese 4f-Elektronen stehen, da sie in einer inneren Elektronenschale gelegen sind, nur eins oder maximal zwei als Valenzelektronen zur Verfügung.
Dieses führt dazu, dass die vorherrschende Oxidationsstufe der Lanthanoiden +3 ist, häufig sind auch +2 und +4, ebenso ist eine geringe Anzahl nichtstöchiometrischer Verbindungen bekannt (z. B. Nd₆O₁₁, Tb₄O₇).