Seltene Erden


Seltene Erden

Zu den Metallen der Seltenen Erden gehören die chemischen Elemente der 3. Gruppe des Periodensystems (mit Ausnahme des Actiniums) und die Lanthanoide. Nach den Definitionen der anorganischen Nomenklatur heißt diese Gruppe chemisch ähnlicher Elemente Seltenerdmetalle.

Dies sind die Elemente Scandium (Ordnungszahl 21), Yttrium (39) und Lanthan (57) sowie die 14 auf das Lanthan folgenden Elemente, die Lanthanoide: Cer (58), Praseodym (59), Neodym (60), Promethium (61), Samarium (62), Europium (63), Gadolinium (64), Terbium (65), Dysprosium (66), Holmium (67), Erbium (68), Thulium (69), Ytterbium (70) und Lutetium (71).

Inhaltsverzeichnis

Bezeichnung

Die Bezeichnung Seltene Erden ist missverständlich, sie stammt noch aus der Zeit der Entdeckung dieser Elemente und beruht auf der Tatsache, dass sie zuerst in seltenen Mineralien gefunden und aus diesen in Form ihrer Oxide (früher „Erden“) isoliert wurden. Einige (Cer, Yttrium und Neodym) kommen in der Erdkruste häufiger vor als Blei, Molybdän oder Arsen. Thulium, das seltenste Element der Seltenen Erden, ist immer noch nicht so selten wie Gold oder Platin.

Eigenschaften

Chemische Eigenschaften

Die Ähnlichkeit der chemischen Eigenschaften der Seltenerd-Metalle macht ihre Trennung aufwändig und kostspielig. Oft genügt es, preiswertes Mischmetall einzusetzen. Es ist eine Mischung aus Seltenerd-Metallen, die bei der Aufbereitung von Seltenerd-Erzen, zum Beispiel Monazit, anfällt.


Physikalische Eigenschaften

Von besonderem Interesse sind die spektroskopischen Eigenschaften Seltener Erden. So weisen sie im Festkörper, im Gegensatz zu beispielsweise Halbleitern, ein diskretes Energiespektrum auf. Dies liegt an der besonderen Struktur der Elektronenhülle. Optische Übergänge finden innerhalb der 4f-Schale statt, welche durch die größere besetzte Schalen nach außen hin abgeschirmt ist. Eine Bandstruktur kann sich aufgrund dieser Abschirmung für die f-Orbitale nicht ausbilden. Die Absorptionslinien sind, aufgrund der für die einzelnen Ionen unterschiedlichen elektronischen Umgebung im Kristall (Kristallfeld), jedoch inhomogen verbreitet. Die inhomogene Linienbreite reicht, je nach Kristall, von einigen hundert bist zu etwa zehn Gigahertz. Im atomaren Zustand sind die meisten dieser Übergänge hingegen verboten. Im Festkörper hebt das Kristallfeld diese Verbote jedoch zu einem gewissen Grad auf. Die Übergangswahrscheinlichkeiten sind allerdings auch weiterhin gering.

Metalle der Seltenen Erden im Periodensystem

1
H
2
He
3
Li
4
Be
5
B
6
C
7
N
8
O
9
F
10
Ne
11
Na
12
Mg
13
Al
14
Si
15
P
16
S
17
Cl
18
Ar
19
K
20
Ca
21
Sc
22
Ti
23
V
24
Cr
25
Mn
26
Fe
27
Co
28
Ni
29
Cu
30
Zn
31
Ga
32
Ge
33
As
34
Se
35
Br
36
Kr
37
Rb
38
Sr
39
Y
40
Zr
41
Nb
42
Mo
43
Tc
44
Ru
45
Rh
46
Pd
47
Ag
48
Cd
49
In
50
Sn
51
Sb
52
Te
53
I
54
Xe
55
Cs
56
Ba
57
La
58
Ce
59
Pr
60
Nd
61
Pm
62
Sm
63
Eu
64
Gd
65
Tb
66
Dy
67
Ho
68
Er
69
Tm
70
Yb
71
Lu
72
Hf
73
Ta
74
W
75
Re
76
Os
77
Ir
78
Pt
79
Au
80
Hg
81
Tl
82
Pb
83
Bi
84
Po
85
At
86
Rn
87
Fr
88
Ra
89
Ac
90
Th
91
Pa
92
U
93
Np
94
Pu
95
Am
96
Cm
97
Bk
98
Cf
99
Es
100
Fm
101
Md
102
No
103
Lr
104
Rf
105
Db
106
Sg
107
Bh
108
Hs
109
Mt
110
Ds
111
Rg
112
Uub
113
Uut
114
Uuq
115
Uup
116
Uuh
117
Uus
118
Uuo

Geschichte

Im Jahre 1787 entdeckte Carl Axel Arrhenius, ein Leutnant der schwedischen Armee, ein ungewöhnliches Exemplar schwarzen Erzes nahe der Feldspatmine bei Ytterby.[1] 1794 isolierte Johan Gadolin, ein finnischer Professor an der Universität von Åbo, ca. 38 % einer neuen, bislang nicht beschriebenen "Erde" (Oxid). Obwohl Arrhenius das Mineral Ytterite benannt hatte, bezeichnete es Anders Gustaf Ekeberg als Gadolinit. Kurz darauf, im Jahre 1803, isolierten der deutsche Chemiker Martin Heinrich Klaproth sowie Jöns Jakob Berzelius und Wilhelm von Hisinger in Schweden unabhängig voneinander eine ähnliche "Erde" aus einem Erz, das 1751 Axel Frederic Cronstedt in einer Mine nahe Bastnäs in Schweden gefunden hatte. Dieses Mineral wurde Cerit und das Metall Cer benannt, nach dem neulich entdeckten Planetoiden Ceres.

Carl Gustav Mosander, ein schwedischer Chirurg, Chemiker und Mineraloge, führte zwischen 1839 und 1841 Versuche zur thermischen Zersetzung einer Probe aus Nitrat, die aus Cerit gewonnen war, durch. Er laugte das Produkt mit verdünnter Salpetersäure aus, identifizierte das unlösliche Produkt als Ceroxid und gewann schließlich zwei neue "Erden" aus der Lösung, Lanthana (zu verstecken) und Didymia (Zwillingsbruder von Lanthana). Auf ähnliche Weise isolierte Mosander 1843 drei oxidische Fraktionen aus dem ursprünglichen Yttriumoxid: Eine weiße (Yttrriumoxid), eine gelbe (Erbiumoxid) und eine rosa (alt: Terbiumoxid).

Diese Beobachtungen führten zu einer Periode intensiver Erforschung sowohl von Ceroxid als auch von Yttriumoxid, bis gut in die 1900-er Jahre hinein, an der bedeutende Forscher der damaligen Zeit beteiligt waren. Es gab Doppelarbeit, ungenaue Berichte, zweifelhafte Entdeckungsansprüche und unzählige Beispiele von Verwirrung aufgrund mangelnder Kommunikationsmöglichkeiten und fehlender Charakterisierungs- sowie Trennmethoden. Angesichts der vorhandenen Methoden kann jedoch nur Bewunderung über den damaligen Einfallsreichtum und die Ausdauer der Wissenschaftler aufkommen.

Jahr
Element/Mineral
Entdecker
Namensgebung
1784
Gadolinit
C. A. Arrhenius
Person: Johan Gadolin
1794
Yttriumoxid
Gadolin
Ort: Ytterby
1751
Cerit
Cronstedt
Planetoid: Ceres
1804
Cer
Berzelius
Hisinger
Planetoid: Ceres
1839
Samarskit
Klaproth
G. Rose
Person: Oberst Samarsky
1839
Lanthan
Mosander
Eigenschaft: Versteckt sein
1842
Didym
Mosander
Eigenschaft: Zwillinge
1843
Erbium
(ab 1864 bekannt
als Terbium)
Mosander
Ort: Ytterby
1843
Terbium
(ab 1864 bekannt
als Erbium)
Mosander
Ort: Ytterby
1878
Ytterbium
Marignac
Eigenschaft: Zwischen
Erbium und Ytterbium
1879
Samarium
Boisbaudran
Mineral: Samarskit
1879
Scandium
Nilson
Ort: Skandinavien
1879
Thulium
Cleve
Ort: Skandinavien
(alter Name: Thule)
1879
Holmium
Cleve
Ort: Stockholm
1886
Dysprosium
Boisbaudran
Eigenschaft:
Schwer beizukommen
1886
Gadolinium
Marignac
Person: Gadolin
1886
Praseodym
Auer von Welsbach
Eigenschaft:
Grüner Zwilling
1886
Neodymium
Auer von Welsbach
Eigenschaft:
Neuer Zwilling
1901
Europium
Demarçay
Ort: Europa
1907
Lutetium
Urbain
Auer von Welsbach
Ort: Paris
(römischer Name davon)
1947
Promethium
Marinsky
Glendenin
Coryell
Sage: Prometheus

Nach 1850 wurde mit Hilfe der neu erfundenen Spektroskopie das Vorhandensein der bisherigen Elemente nachgewiesen und neue identifiziert. 1864 behalf sich Marc Delafontaine, ein schweizerisch-amerikanischer Chemiker, der Spektroskopie um Yttrium, Terbium und Erbium als Elemente eindeutig nachzuweisen. Er verwechselte dabei die Namen von Terbium und Erbium, die bis heute so blieben.

1885 begann Carl Auer von Welsbach mit Untersuchungen an Didym. Zum damaligen Zeitpunkt wurde bereits vermutet, dass es sich bei diesem nicht um ein einziges Element handelte. Jedoch waren die bisherigen Anstrengungen, die einzelnen Elemente zu trennen, nicht erfolgreich gewesen. Auer wandte dabei seine Methode der fraktionierten Kristallisation an, statt eine fraktionierte Fällung. Dadurch gelang ihm die Trennung des vermeintlichen Didyms in Praseodym und Neodym. 1907 veröffentlichte er Versuchsergebnisse zur Existenz von zwei Elementen in Ytterbium, die er Aldebaranium und Cassiopeium nannte. Nach dem längsten Prioritätsstreit in der Geschichte der Chemie mit dem französischen Chemiker Georges Urbain werden diese heute Ytterbium und Lutetium bezeichnet.

Mit Lutetium wurde das Kapitel der Geschichte der Entdeckung der natürlich vorkommenden Metalle der seltenen Erden, die länger als ein Jahrhundert gedauert hatte, abgeschlossen. Auch wenn alle natürlich vorkommenden Metalle der seltenen Erden entdeckt waren, war dies den damaligen Forschern nicht bewusst. So setzten sowohl Auer als auch Urbain ihre Arbeiten fort. Die theoretische Erklärung zur großen Ähnlichkeit der Eigenschaften der Metalle der seltenen Erden und auch zur Maximalanzahl dieser kam erst später mit der Entwicklung der Atomtheorie. Die Ordnungszahl wurde 1912 durch van den Broek eingeführt. Henry Growyn und Jeffreys Mosley entdeckten 1913, dass es eine mathematische darstellbare Beziehung zwischen der Ordnungszahl eines Elementes und der Frequenz der emittierten Röntgenstrahlen an einer Antikathode des gleichen gibt. Urbain unterwarf daraufhin alle Elemente der seltenen Erden, die in jüngster Zeit entdeckt worden waren, dem Test von Mosley und bestätigte, dass sie echte Elemente waren. Der Bereich der Elemente der seltenen Erden vom Lanthan mit der Ordnungszahl 57 bis zum Lutetium mit 71 wurde aufgestellt. Die Nummer 61 war jedoch noch nicht bekannt.

1941 bestrahlten Forscher der Universität von Ohio Praseodym, Neodym und Samarium mit Neutronen, Deuteronen und Alphapartikeln und erzeugten dadurch neue Radioaktivitäten, die höchstwahrscheinlich auf die des Elementes Nummer 61 zurückzuführen waren. Die Bildung von Element 61 wurde auch 1942 von Wu und Segre beansprucht. Der chemische Nachweis gelang 1945 am Clinton Laboratory, dem späteren Oak Ridge National Laboratory durch Marinsky, Glendlin und Goryell, die das Element durch Ionenaustauschchromatographie aus den Produkten der Kernspaltung von Uran und der Neutronen-Bombardierung von Neodym isolierten. Sie nannten das neue Element Promethium.

In den 1960er bis 90er Jahren leistete Allan Roy Mackintosh entscheidende Beiträge zum atom- und festkörperphysikalischen Verständnis der Seltenen Erden.

Literatur

  • C. S. Reiners: Was ist das Seltene an den Seltenen Erden? Eine chemiedidaktische Reflexion, in: Chemie in unserer Zeit 2001, 35, 110–115.
  • C. Borger: Alternative Methoden in der Schweinemast: Untersuchungen zum leistungssteigernden Potential Seltener Erden und zur Jodanreicherung im Gewebe durch die Verfütterung von Meeresalgen. [1]

Weblinks

Einzelnachweise

  1. C.K. Gupta, N. Krishnamurthy, Extactive Metallurgy of Rare Earths, CRC Press, 2005, ISBN 0-415-33340-7

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