Seltene Erden - Anwendungen

Magnete
Neodym hat 4 ungepaarte Elektronen in der 4f-Schale. Das klingt erst einmal nicht allzu spektakulär. Trotzdem kann man aus Neodym, die stärksten Dauermagnete bauen. Es gibt winzige Magnete aus einer Neodym-Eisen-Bor-Legierung der Zusammensetzung Nd₂Fe₁₄B, die genauso stark sind wie ein großer Dauermagnet aus Eisen. Neodymmagnete werden häufig dort eingesetzt, wo man sehr starke Dauermagnete auf kleinem Raum benötigt. Bei höheren Temperaturen sind allerdings Cobalt-Samarium-Magnete die bessere Wahl (siehe Abschnitt über Lautsprecher).
Holmium besitzt das höchste magnetische Moment eines natürlich vorkommenden chemischen Elements (10,6 μ_B).  Wegen seiner außergwöhnlichen magnetischen Eigenschaften verwendet man Holmium in Polschuhen von Hochleistungsmagneten zur Erzeugung stärkster Magnetfelder.

Lautsprecher
Cobalt-Samarium-Magnete sind hervorragende Dauermagnete, die nur schwer durch äußere Felder zu entmagnetisiert werden können. Für hochwertige Lautsprecher verwendet man daher häufig solche Magnete.

Eine besondere Art von Lautsprechern kann man mit Hilfe von Terfenol-D bauen. Diese Legierung aus Terbium, Dysprosium und Eisen ändert in ihrem Magnetfeld ihre Größe. Terfenol-D hat die höchste Magnetostriction aller bekannten Legierungen, es dehnt sich also aus und zieht sich zusammen, je nach angelegtem Magnetfeld. Ursprünglich wurde diese Legierung in den 1970er Jahren im Naval Ordnance Laboratory in den U.S.A. für Hochleistungssonargeräte entwickelt. Man kann mit Hilfe dieser Technologie auch "Soundbugs" konstruieren. Mit einem solchen Gerät kann man nahezu jede glatte Oberfläche die in der Lage ist zu schwingen, z.B. eine Fensterscheibe, in einen Lautsprecher verwandeln. Stellen Sie sich eine Horde von Jungendlichen vor, die in die S-Bahn oder den Nahverkehrszug stürzen, ein Handy-großes Gerät (ihren "Soundbug") aus der Tasche ziehen und dieses mit einem Gummisauger an der Fensterscheibe des Zuges befestigen. Sobald der MP3-Player eingestöpselt ist wird das ganze Abteil mit glasklarem Sound beglückt. Eine Horrorvorstellung, die bestimmt bald eintritt. Es gibt tatsächlich bereits kommerzielle Anwendungen für diese Technologie von der Firma FeONIC, z.B. die "flüsternde Schaufensterscheibe" ("Whispering Window"). 


Laser
Einkristalle von Yttrium-Aluminium-Granat (YAG) werden künstlich hergestellt und bilden das Herzstück vieler Laser. Diese Einkristalle werden mit anderen Seltenerdelementen dotiert, z.B. mit Neodym. Der entsprechende Laser wird dan häufig als "Neodym-YAG-Laser" bezeichnet.

Für die Herstellung von Feststofflasern dotiert man Yttrium-Eisen-Granat (YIG), Yttrium-Aluminium-Granat (YAG) und Yttrium-Lanthan-Fluorid (YFL) mit Holmium. Holmiumlaser emittieren bei 208 nm und sind daher ungefährlich für die Augen. Diese Laser werden in der Medizin, Zahnmedizin und in der Glasfaseroptik angewendet.


Farbbildschirme
Europiumdotiertes Yttriumoxid wirkt als roter Luminophor (Leuchtstoff) in Fernsehbildröhren.
Oxysulfide des Gadoliniums dienen zur Herstellung von grünen Leuchtstoffen für nachleuchtende Bildschirme z.B. bei Radarbildschirmen.

LED
Einige Lanthanoide werden als Leuchtstoffe zur Konversion der Primärstrahlung von LEDs eingesetzt. So verwendet man z.B. mit Cer aktivierte Yttrium- oder Terbium-Granate als gelben Leuchtstoff. Als grüner Leuchtstoff dient z.B. ein Europium-aktiviertes Calcium-Magnesium-Chlorosilikat. Mit Hilfe solcher Leuchtstoffe gelingt es, das grell weiße Licht der LEDs in angenehme warme Farbtöne umzuwandeln (siehe z.B. dieses Patent oder diese beiden Veröffentlichungen in Journal of the Electrochemical Society von 2009 und 2011).

Abgaskatalysator
Bei der Herstellung der Lambdasonde für den Abgaskatalysator wird dem Zirconiumoxid etwas Yttriumoxid zugesetzt, damit sich der keramische Formkörper nach der Herstellung nicht verformt. Außerdem bewirkt das Yttriumoxid, dass die Sonde  bei niedrigerer Betriebstemperaturarbeitet.

Legierungen mit besonderen Eigenschaften
Es gibt eine Legierung aus Ytterbium, Gallium und Germanium, die sich bei starker Erwärmung bis +130 °C oder Abkühlung auf -170 °C praktisch nicht ausdehnt oder zusammen zieht. Diese Legierung ist hoch interessant für Anwendungen in der Raumfahrt und Bauteile, die in dem genannten Temperaturbereich möglichst keine Veränderung ihrer Abmessungen erfahren dürfen.

Scandium zeigt in Legierungen mit Aluminium gefügestabilisierende und korngrößenfeinende Effekte. Solche Legierungen mit 0,1 bis 0,5% Scandium wurden beim Bau sowjetischer Militärflugzeuge (MIG-21 und MIG-29) verwendet. Auch Sportgeräte die höchsten Anforderungen hinsichtlich Leichtigkeit und Festigkeit genügen müssen, werden manchmal aus Scandium-Aluminium-Legierungen gefertigt, so z.B. Baseballschläger oder Fahrräder. Smith & Wesson produziert darüber hinaus Revolver mit einem Rahmen aus einer Scandiumlegierung. Titanlegierungen zeigen allerdings ähnliche Eigenschaften hinsichtlich Leichtigkeit und Festigkeit. Diese sind preiswerter als Legierungen mit Scandium und werden daher öfter verwendet.

Kerntechnik
Holmium absorbiert effektiv Neutronen aus Kenrspaltungsreaktionen und wird deshalb in Regelstäben von Kernreaktoren eingesetzt. Als Regelstäbe verwendet man außerdem Cermets aus Dysprosiumoxid-Nickel.

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Was ist besonders an den "Seltenen Erden"?

Zu den seltenen Erden zählt man die Elemente der 3. Nebengruppe des Periodensystems und die Lanthanoide. Genauer gesagt handelt es sich dabei um die Oxide dieser Elemente. Der Begriff "Erde" ist ein altertümlicher Ausdruck für das Oxid eines Elementes.

Die Lanthanoide sind 14 Elemente desPeriodensystems, bei denen eine f-Schale mit Elektronen besetzt wird. Nicht jedes Element hat f-Elektronen, sondern nur besonders schwere Elemente im unteren Teil des Periodensystems. Es gibt noch eine Reihe von Elementen, bei denen f-Elektronen besetzt werden, das sind die Actinoide. Aber mit denen will kaum jemand was zu tun haben, weil sie entweder instabil sind und schnell zerfallen oder radioaktiv sind wie Uran oder Plutonium! Dagegen sind die Lanthanoide relativ harmlos, sie bilden ungiftige oder nur wenig giftige Verbindungen.

Die chemischen Eigenschaften der Lanthanoide unterscheiden sich nur wenig, da die 4f-Schale eigentlich eine innere Schale der Elektronenhülle ist. Weiter aussen befinden sich noch die 5s-, 5p- und die 6s-Schalen, die bereits mit Elektronen besetzt sind. Dadurch sind fast alle Lanthanoide dreiwertig und kommen in der Natur vergesellschaftet - eben in Form der "Seltenen Erden" vor.

Dafür bringt die Besetzung der f-Schale aber besondere Eigenschaften mit sich. Insgesamt passen 14 Elektronen in eine solche f-Schale. Es gibt dadurch zahlreiche Möglichkeiten ungepaarte Elektronen in dieser f-Schale zu haben. Deshalb gibt es bei den Lanthanoide mehrere Elemente mit hoch interessanten magnetischen Eigenschaften, z.B. Neodym oder Samarium. In der nachfolgenden Abbildung ist als Beispiel die Elektronenkonfiguration des Neodyms abgebildet. Außerdem eröffnen die teilweise besetzten f-Orbitale die Möglichkeit ungwöhnliche elektronische Zustände zu erreichen. Das klingt erst einmal abgefahren, wird aber zum Beispiel bei den Luminophoren (Leuchtstoffen) in Fernsehbildröhren, Leuchtstofflampen und Radarröhren genutzt. Anregung der Elemente führt hier zu Phosphoreszenz oder Fluoreszenz.

 

Abbildung: Schematische Darstellung der Elektronenkonfiguration des Neodyms. 

Seltene Erden

Zur Zeit wird in den Medien intensiv die Abhängigkeit der Industrie von Seltenen Erden aus China diskutiert, siehe z.B. FAZ.NET, Handelsblatt oder Tagesspiegel. Brennstoffzellen, Zündkerzen, Radargeräte, Computertomographen, hochwertige Gläser für Kameras, Teleskope oder Brillen, Katalysatoren, LCD-Bildschirme und Leuchtdioden, überall braucht man diese Elemente. Meist sind es nur kleine Mengen, die als Aktivator, Phosphoreszenzfarbstoff, Katalysator oder sonst ein unscheinbarer Bestandteil wirken, aber ohne diese Elemente funktioniert der High-Tech-Apparat nicht. In der nachfolgenden Tabelle werden einige Verwendungsmöglichkeiten für Elemente der "Seltenen Erden" aufgeführt.

Name	Symbol	Anwendung
Scandium	Sc	in Hochleistungs-Hochdrucklampen; Laserkristalle; magnetische Datenspeicher (z.B. Festplatten); das Leichtmetall mit hohem Schmelzpunkt wird für bestimmte Spezialanwendungen benutzt (Raumfahrt, Fahrradrahmen, Golfschläger usw.)
Yttrium	Y	Luminophore (Leuchtstoffe) in Fernsehbildröhren, Leuchtstofflampen und Radarröhren (europiumdotiertes Yttriumoxid erzeugt in Farbbildschirmen die rote Farbe); Lambdasonden (Abgaskatalysator); Supraleiter; Laserkristalle; Elektrolyt in Brennstoffzellen; Frequenzsteuerung in Schwingkreisen mit Yttrium-Eisen-Granat (YIG) und Yttrium-Aluminium-Granat (YAG); Neodym-YAG-Laser
Lanthan	La	in Nickel-Metall-Hydrid-Akkus; Katalysatoren zum Cracken von Erdölfraktionen; hochwertige Gläser mit hohem Brechungsindex z. B. für Kameralinsen
Cer	Ce	in Nickel-Metall-Hydrid-Akkus; in LCD-Bildschirmen; in "Feuersteinen" von Feuerzeugen; als Oxid in selbst­reinigenden Öfen; Katalysator zum Cracken von Erdölfraktionen; UV-Licht absorbierendes Glas
Praseodym	Pr	hochfeste Legierungen z.B. für Flugzeugmotoren, Dauermagnete, Färben von Glas und Emaille, in gelb gefärbten Gläsern, z. B. in Schweißerschutzbrillen
Neodym	Nd	Hochleistungsmagnete (z.B. aus Neodym-Eisen-Bor-Legierungen); zum Färben von Emaille, Blaue Porzellanfarbe, Neodym-YAG-Laser, in Elektromotoren und Hybridantrieben, ebenfalls Bestandteil von Schweißerschutzbrillengläsern und Sonnenschutzglas, in Feststofflasern an Stelle von Rubinen; Neodymhaltiges Glas zum Herausfiltern von gelbem Natriumlicht, z.B. in astronomischen Fernrohren
Promethium	Pm	Wärmequelle in unbemannten Satelliten und Welt­raum­sonden
Samarium	Sm	Anwendung als Permanentmagnet (Cobalt-Samarium-Magnete), z.B. in Kopfhörern; Samariumoxid für IR-undurchlässige Gläser; Phosphat-Komplexe des Samariums-153 zur Behandlung von Knochenmetastasen verschiedene Krebsarten (die Verbindung setzt sich im Knochengewebe fest und wirkt aufgrund der beta-Strahlung des Samariumisotops)
Europium	Eu	in LCD-Bildschirmen, als Aktivator der roten Leuchtstoffe in Fernsehröhren, in Leuchtstoffen zur Konversion der Primärstrahlung von LEDs, als Neutronenabsorber in Kernreaktoren
Gadolinium	Gd	in Fernsehröhren als Aktivator der grünen Leuchtstoffe; Kontrastmittel in der Kenrspintomographie; Krebstheraphie; Vertärkerfolien aus Gadoliniumoxisulfid in Röntgengeräten, die Röntgenstrahlen in sichtbares Licht umwandeln; magnetooptische Disketten zur Langzeitarchivierung von Daten
Terbium	Tb	Verwendung in Halbleitern (solid-state devices), zur Gefügestabilisierung in Hochtemperatur-Brennstoffzellen, Lasermaterial; terbiumdotiertes Yttriumphosphat als grüner Leuchtsoff in Fernsehröhren; zur Konstruktion von Soundbugs und Hochleistungs-Sonargeräten aus Terfenol-D (Legierung aus Terbium, Dysprosium und Eisen)
Dysprosium	Dy	Neutronenabsorber in Kernreaktoren; zur Konstruktion von Soundbugs und Hochleistungs-Sonargeräten aus Terfenol-D (Legierung aus Terbium, Dysprosium und Eisen)
Holmium	Ho	in Legierungen, macht Stahl leichter verarbeitbar; das Licht von Holmium-Lasern wird von Wasser sehr gut absorbiert, daher z.B. Anwendung in der Urologie zum zertrümmern von Harnsteinen oder Prostataoperationen
Erbium	Er	in fotografischen Filtern
Thulium	Tm	Neutronenabsorber in Kernreaktoren
Ytterbium	Yb	erzeugt Röntgenstrahlen ohne Elektrizität, z.B. in tragbaren Röntgenapparaten.
Lutetium	Lu	Katalysator beim Cracken von Erdölfraktionen und Polymerisationen

Die Angaben in der Tabelle sind teilweise aus dem Buch "Anorganische Chemie für Dummies" entnommen. Wer mehr über diese Elemente und die Chemie drumherum erfahren will, schaut in dieses Buch.

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Nachtrag März 2016:

Sehr schön zusammengefasst, kurz und kompakt erfährt man alles Wichtige über die Seltenerdelemente aus dem neu erschienen Titel "The Rare Earth Elements: An Introduction" von J. H. L. Voncken.

Breaking Bad - Fortsetzung

Für den ersten Teil scrollen Sie bitte nach unten.

Episode 7: A No-Rough-Stuff-Type Deal

Wie kriegt man das Schloss eines Lagerhauses auf?
Mit einer Thermit-Mischung. Diese besteht im Wesentlichen Eisenoxid und Aluminiumpulver. Man verwendet diese Mischung hauptsächlich dazu, Eisenbahn- und Straßenbahnschinen vor Ort zusammenzuschweissen.
Fe₂O₃   +   Al  --->  Fe   +  Al₂O₃  +  sehr viel Hitze

Wie stellt man viel Methamphetamin her?
Walter braucht in dieser Folge eine neue Syntheseroute für das "Meth", damit er größere Mengen herstellen kann. Dafür hat er schon eine Synthese in petto. Pinkman muss ihm allerhand Zutaten besorgen unter anderen Thoriumnitrat! Das dürfte es sicher NICHT in der lokalen Drogerie geben. Die Syntheseroute kommt mir schon ein wenig seltsam vor. Eine Recherche in der Fachliteratur zeigt allerdings, dass es ein U.S. Patent von 2007 gibt wo man als Katalysatoren Thoriumoxid und Manganoxid auf einem inerten Träger verwendet (z.B. Bimsstein). Als Ausgangsstoffe dienen Phenylessigsäure und Essigsäure. Die Reaktion wird in der Gasphase (Röhrenofen) durchgeführt. Einzelheiten sind im Patent beschrieben. Die Synthese ist allerdings sicher nicht so einfach wie man glauben könnte. Man muss den Katalysator aus Thoriumnitrat (hochgiftig, radioaktive Zerfallsprodukte!!!) herstellen, eine Apparatur für eine Gasphasenreaktion mit einem Röhrenofen bauen, stunden- oder tagelang die Reaktion unter Aufsicht laufen lassen, das erste Zwischenprodukt reinigen, anschließend mit gasförmigem Methylamin umsetzen, das zweite Zwischenprodukt mit Lithiumaluminiumhydrid reduzieren und das Endprodukt aufarbeiten, reinigen und kristallisieren. Nichts was sich ein Laie ohne Vorkenntnisse vornehmen sollte.

Die Reaktionen im Einzelnen:

Die Katalysatorherstellung ist im Patent beschrieben und entspricht einer typischen Vorschrift, wie man einen Katalysator mixt. Man nimmt eine wasserlösliche Verbindung, hier Thoriumnitrat, löst diese in Wasser, läßt die Lösung in den Träger einziehen und erhitzt das Trägermaterial danach auf eine vorgegebene Temperatur. Dabei zersetzt sich das Thoriumitrat zu Thoriumoxid. Zwischendurch wird noch das Manganoxid hinzugefügt.

Die Herstellung von Methylbenzylketon erfolgt bei 450 °C im Röhrenofen. Diese Reaktion wird in der Folge kurz gezeigt:


Was nicht gezeigt wird, ist die Bildung der Schiffbase aus Methylbenzylketon und dem gasförmigen (!) Methylamin und die Reduktion des Imins zum Amin. Eventuell kann man auch eine wässrige Lösung vom Methylamin nehmen, das weiss ich nicht genau.

Hierbei entsteht das Methampehtamin als Racemat. Ist also nicht ganz so hoch wirksam wie das Produkt aus den Hustenpillen. Alles in allem schon ein anspruchsvolles "Präparat".

Season 2, Episode 1: Seven Thirty-Seven 

Wie beseitigt man einen durchgeknallten Drogendealer?
Mit Rizin, so ist zumindest der Plan.

Season 2, Episode 9: 4 Days Out 

Walter und Jesse kochen in der Wüste drei Tage lang Drogen. Danach ist allerdings die Autobatterie leer, da Jesse den Schlüssel in der Zündung stecken ließ. Sie sitzen fest. Ein Versuch, den Van mit Hilfe des Stromgenerators zu starten, scheitert kläglich. Der Generator fackelt dabei ab. Als sie am Verdursten sind, kommt ihnen schließlich eine rettende Idee. Sie bauen sich selbst eine Batterie. Walters chemische Kenntnisse retten den Beiden wieder einmal den Hintern.

Hier das Batterierezept, allerdings ohne Garantie, dass es wirklich funtkioniert.
Anode:   Zn   --->   Zn²⁺   +   2 e^-
Kathode:   HgO   +   H₂O   +   2 e^-   --->   Hg   +   2 OH^-
Die beiden Kammern der Zelle werden durch einen Schwamm voneinander getrennt, der mit Kaliumhydroxid-Lösung getränkt wird.

Sehr schön auch der Dialog der beiden als es um den Bau der Zelle geht. Walter: "Und welches Element nehmen wir, um den Strom abzuleiten?" Dabei hält er Jesse ein Stück Kupferdraht vor die Nase.
Jesse: " Yo Man ...[Pause, er denkt offensichtlich angestrengt nach]...Draht, das isses."
Walter: " Nein, das ist Kupfer!"