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58. Cer (Ce) – Der Feuerstein der Moderne · Das Periodensystem der Elemente

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Periodensystem der Elemente, deinem Podcast zum Entspannen,
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Podcastreihen wie Wissensreise durch die Uhrzeit oder
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Wissensreise durch die Länder der Erde heute?
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Widmen wir uns einem Element, das nach einem Zwergplaneten
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benannt wurde, das einst ganze Städte mit Gas betriebenem Licht
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erstrahlen ließ und das bis heute in jedem Feuerzeug funken
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schlägt. Lehn dich zurück, schließ die
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Augen und lass dich mitnehmen in die Welt von CER, dem Feuerstein
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der moderne CER trägt im Periodensystem das Symbol C und
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die Ordnungszahl Eichel 58. Es gehört zur Gruppe der
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Lanthanoide und damit zur größeren Familie der Seltenen
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Erden, jener 15, chemisch eng verwandten Metalle, die
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gemeinsam mit Skandium und Ytrium diese Elementgruppe
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bilden. Innerhalb dieser Familie kommt
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Cer eine besondere Stellung zu. Es ist mit einem Anteil von rund
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68 Gramm pro Tonne Erdkruste nicht nur das häufigste aller
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selten erdmetalle, sondern übertrifft in seiner natürlichen
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Häufigkeit sogar bekannte Alltagsmetalle wie Kupfer, was
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die Bezeichnung selten bei dieser Elementgruppe einmal mehr
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als historisches Missverständnis entlarvt.
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Entdeckt wurde CER im Jahr 1803. Nahezu zeitgleich und unabhängig
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voneinander von 2 Forschergruppen in Schweden
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gelang es dem Chemiker Jöns Jacob Bercelius gemeinsam mit
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dem Bergbauunternehmer und Amateurchemiker Wilhelm
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Hiesinger, das neue Element in einem Mineral aus der Grube
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Bastnes nachzuweisen, jenem Fundort, der später auch dem
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Mineral Bastnesit seinen Namen geben sollte, einem der bis
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heute wichtigsten Erze für die Gewinnung.
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Von seltenen Erden zur selben Zeit identifizierte auch der
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deutsche Chemiker Martin Heinrich Klapproth in Berlin.
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Unabhängig von seinen schwedischen Kollegen dasselbe
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neue Element in einer ähnlichen Mineralprobe.
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Bei der Namensgebung entschieden sich Bercelius und Hiesinger für
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einen astronomischen Bezug. Nur 2 Jahre zuvor im Jahr 1801.
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Hatte der italienische Astronom Giuseppe Piazzi den
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Zwergplaneten Ceres entdeckt, benannt nach der römischen
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Göttin des Ackerbaus, der zu jener Zeit noch als vollwertiger
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Planet galt. In Anlehnung an diese aktuelle
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astronomische Sensation tauften die Forscher ihr neues Element
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cer, eine Tradition, die kurz zuvor bereits beim Element Uran
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begonnen hatte. Das nach dem ebenfalls neu
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entdeckten Planeten Uranus benannt worden war.
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Chemisch unterscheidet sich CER in einem entscheidenden Punkt
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von den meisten seiner Verwandten innerhalb der
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Lanthanoide während die überwiegende Mehrheit der
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Seltenerdmetalle in ihren Verbindungen fast ausschließlich
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die Oxidationsstufe Plus 3 annimmt, ist Cer eines von nur
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wenigen Lanthanoiden, das stabil.
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Auch in der Oxidationsstufe Plus 4 Auftreten kann.
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Dieser Umstand lässt sich mit der besonderen
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Elektronenkonfiguration von CER erklären.
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Durch die Abgabe eines vierten Elektrons erreicht das CER ION
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eine energetisch besonders günstige, vollständig leere 4 f
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Schale, ein Zustand, der chemisch überdurchschnittlich
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stabil ist. Diese Fähigkeit.
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Zwischen den Oxidationsstufen plus 3 und plus 4
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vergleichsweise leicht zu wechseln, verleiht CER eine
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chemische Vielseitigkeit, die viele seiner wichtigsten
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technischen Anwendungen erst ermöglicht, wie wir gleich noch
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ausführlich hören, werden in reiner metallischer Form ist CER
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ein weiches. Silbrig graues, stark
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reaktionsfreudiges Metall, das an der Luft rasch anläuft und
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sich mit einer Oxidschicht überzieht.
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Besonders bemerkenswert ist die Neigung von fein verteiltem
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Zerspanntem Zehr spontan funken zu schlagen, sobald es
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mechanisch beansprucht wird. Eine Eigenschaft, die als
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Pyrophorie bezeichnet wird und die für eine der bekanntesten
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Alltagsanwendungen von Zehr von zentraler Bedeutung ist, auf die
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wir gleich noch zu sprechen kommen.
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Aufgrund seiner Reaktionsfreudigkeit wird reines
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Zehr. Ähnlich wie viele andere selten
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Erdmetalle üblicherweise unter Mineralöl oder Schutzgas
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gelagert, kommen wir nun zu jenem Kapitel der Cer
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Geschichte, das dem heutigen Element seinen Beinamen als
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Feuerstein der Moderne eingebracht hat und das
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untrennbar mit dem Namen des österreichischen Chemikers Karl
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Auer von Welsbach verbunden ist. Auer von Welsbach, der bereits
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durch die Entdeckung der Elemente Praseodym und Neodym im
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Jahr 1885 international bekannt geworden war, entwickelte im
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Jahr 1891 eine bahnbrechende Erfindung, die als
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Auerglühstrumpf oder Gasglühkörper in die Geschichte
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der Beleuchtungstechnik einging. Dabei handelte es sich um ein
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feines, netzartiges Gewebe. Das mit einer Mischung aus
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überwiegend thoriumoxid und einem geringen Anteil, meist
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rund einem Prozent Zeroxid getränkt war, wurde dieses
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Gewebe über eine offene Gasflamme gehalten, verbrannte
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das ursprüngliche Textilmaterial rückstandslos, sodass ein extrem
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feines, Formstabiles Keramikgerüst zurückblieb, das
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durch die Hitze der Gasflamme zum hellen Glühen angeregt
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wurde. Der geringe Anteil an Zeroxid
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war dabei entscheidend, um die Lichtausbeute des Glühstrumpfs
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deutlich zu erhöhen. Diese Erfindung revolutionierte
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die Gasbeleuchtung, die zu jener Zeit durch die aufkommende
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elektrische Glühlampe bereits unter erheblichen
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Konkurrenzdruck geraten war. Und verlängerte deren
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wirtschaftliche Lebensdauer in vielen Städten und Haushalten um
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weitere Jahrzehnte, bevor sich die elektrische Beleuchtung
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endgültig durchsetzte. Doch Auer, von Welsbachs
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vielleicht folgenreichste Erfindung im Zusammenhang mit
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Zehr sollte erst wenige Jahre später folgen, im Jahr 1903
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entwickelte er eine Legierung aus Zehr und Eisen.
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Die er nach sich selbst Auermetall nannte und die heute
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meist als Ferrozer oder Zerreisen bezeichnet wird.
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Diese Legierung besitzt die bemerkenswerte Eigenschaft beim
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Anreißen mit einer harten, rauen Oberfläche eine Vielzahl
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winziger, extrem heißer metallspäne Abzuschaben, die
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aufgrund der bereits erwähnten Pyrophorie des enthaltenen Zehrs
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beim Kontakt mit der Umgebungsluft spontan zu funken
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beginnen und. Und dabei Temperaturen von weit
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über 1000 Grad Celsius erreichen können.
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Genau dieses physikalische Prinzip steckt bis heute im
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sogenannten Feuerstein klassischer Sturmfeuerzeuge in
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modernen Gasfeuerzeugen sowie in den sogenannten Ferrozerium
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Feuerstählen, die etwa in der Outdoor Ausrüstung zum Entfachen
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von Lagerfeuern eingesetzt werden.
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Die scheinbar unscheinbare, alltägliche Handlung des
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Feuerzeugbetätigens beruht damit auf genau jener chemischen
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Eigenschaft, die dem heutigen Element seinen Namen als
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Feuerstein der Moderne verliehen hat.
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Mehr als ein Jahrhundert nach ihrer ursprünglichen Entdeckung.
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Neben dieser bekannten Alltagsanwendung hat sich CER im
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Laufe des 20 und 21 Jahrhunderts zu einem der wirtschaftlich
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bedeutendsten Industriemetalle unter den Seltenen Erden
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entwickelt, wobei genau jene Fähigkeit zwischen den
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Oxidationsstufen plus 3 und plus 4 zu wechseln, in nahezu allen
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modernen Anwendungen die zentrale Rolle spielt.
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Die vielleicht wichtigste dieser Anwendungen findet sich im
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Innern nahezu jedes modernen Benzinfahrzeugs, dem 3 Wege
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Katalysator. In diesen Abgaskatalysatoren
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wird Zerdioxid als sogenannter Sauerstoffspeicher eingesetzt,
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herrscht im Motor kurzzeitig ein Sauerstoffüberschuss, nimmt das
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Zerdioxid zusätzlichen Sauerstoff auf und wandelt sich
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dabei chemisch um. Herrscht hingegen kurzzeitig
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Sauerstoffmangel, gibt dieselbe Verbindung den zuvor
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gespeicherten Sauerstoff wieder ab.
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Auf diese Weise gleicht Terdioxid die im realen
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Fahrbetrieb unvermeidlichen kurzfristigen Schwankungen des
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Luft Kraftstoff Gemisches aus und stellt sicher, dass die
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eigentlichen katalytisch aktiven Edelmetalle im Katalysator meist
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Platin, Palladium und Rhodium. Kontinuierlich unter optimalen
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Bedingungen arbeiten können, wodurch die Schadstoffumwandlung
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deutlich effizienter wird. Eine ganz ähnliche, aber
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umgekehrte Anwendung findet sich in der Glasindustrie, wo
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Serverbindungen gleich in 2 gegensätzlichen Funktionen zum
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Einsatz kommen. Einerseits wird Ceroxid gezielt
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zur Entfärbung von Glas genutzt. Rohglas enthält häufig geringe
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Mengen an Eisenverunreinigungen, die dem fertigen Glas einen
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unerwünschten, meist grünlichen Farbstich verleihen.
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Serverbindungen können diese Eisenverunreinigungen chemisch
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in eine Form überführen, die für das sichtbare Licht weniger
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stark absorbierend wirkt, wodurch das Glas deutlich klarer
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und farbloser erscheint. Andererseits wird Zerdioxid
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gezielt in Fahrzeugscheiben und in bestimmten
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Sonnenbrillengläsern eingesetzt, um ultraviolette Strahlung
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effektiv herauszufiltern, was nicht nur dem Schutz der Augen
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dient, sondern auch verhindert, dass sich das Glas unter
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langfristiger UV Einstrahlung bräunlich verfärbt.
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Ein Alterungseffekt, der als Solarisation bezeichnet wird.
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Auch bei der Herstellung besonders hochwertiger optischer
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Oberflächen spielt Cer eine zentrale Rolle.
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Feinstes Ceroxidpulver zählt seit Jahrzehnten zum bevorzugten
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Poliermittel für die Fertigung optischer Linsen, Spiegel und
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Computerchip Wafer im Vergleich zu älteren Poliermitteln auf
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Eisenoxidbasis, dem sogenannten Polierrot.
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Erzielt Ceroxid nicht nur eine deutlich glattere, präzisere
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Oberfläche, sondern beruht zudem auf einem chemischen
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Zusatzmechanismus während des Polierprozesses, geht das
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Ceroxid direkt chemische Bindungen mit der Glasoberfläche
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ein, wodurch der Materialabtrag gleichmäßiger und kontrollierter
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erfolgt als bei einer rein mechanischen Politur.
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Diese Technik ist bis heute der Industriestandard für die
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Herstellung hochpräziser optischer Komponenten von
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Brillengläsern bis hinzu den empfindlichen Linsensystemen
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astronomischer Teleskope. In der chemischen Analytik hat
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sich Cher außerdem als wertvolles Werkzeug etabliert.
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Aufgrund seines klar definierten und gut kontrollierbaren
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Wechsels zwischen den Oxidationsstufen plus 3 und plus
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4 wird CER in Form von Cer, Ammoniumsulfat oder verwandten
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Verbindungen häufig als sogenanntes Oxidationsmittel in
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der Maßanalytischen Chemie eingesetzt, bei der sogenannten
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Cerimetrie. Bei dieser Analysemethode lässt
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sich die Konzentration bestimmter reduzierender
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Substanzen in einer Probe präzise über die exakt messbare
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Menge an Zärionen bestimmen, die zur vollständigen Reaktion
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benötigt wird. Ein Verfahren, das in
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industriellen Qualitätskontrollen sowie in
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analytischen Laboren bis heute breite Anwendung findet, auch in
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der Grundlagenforschung zu erneuerbaren Energietechnologien
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spielt Cer. Eine zunehmend wichtige Rolle
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cerdioxid, häufig in Kombination mit Zirkoniumoxid, wird als
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Elektrolytmaterial in sogenannten Festoxid
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Brennstoffzellen erforscht und eingesetzt, jenen hochtemperatur
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Brennstoffzellen, die chemische Energie aus Wasserstoff oder
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anderen Brenngasen direkt und mit hohem Wirkungsgrad in
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elektrische Energie umwandeln können.
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Die besondere Kristallstruktur von Cerdioxid ermöglicht dabei
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einen effizienten Transport von Sauerstoffionen durch das
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Material. Ein physikalisches Prinzip, das
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dem Funktionsmechanismus solcher Brennstoffzellen zugrunde liegt.
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Auch in der medizinischen Forschung gibt es einen
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vergleichsweise jungen, aber vielversprechenden
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Anwendungsbereich für Cer, sogenannte Nano ceria, also
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cerdioxid Nanopartikel. Diese winzigen Partikel besitzen
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die bemerkenswerte Fähigkeit, aufgrund ihres reversiblen
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Wechsels zwischen den Oxidationsstufen von Cher
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wiederholt schädliche reaktive Sauerstoffverbindungen im Körper
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abzufangen und dadurch als eine Art künstliches Antioxidans zu
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wirken. Forschende untersuchen derzeit
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intensiv, inwiefern sich diese Eigenschaft therapeutisch nutzen
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ließe. Etwa zum Schutz von Nervenzellen
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bei degenerativen Erkrankungen oder zur Behandlung
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entzündlicher Prozesse. Wenngleich sich die meisten
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dieser Ansätze bislang noch in einem frühen experimentellen
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Forschungsstadium befinden und eine breite klinische Anwendung
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noch aussteht. Nicht zuletzt fand Cerdioxid
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auch als Bestandteil der katalytisch beschichteten
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Innenwände, sogenannter Selbstreinigender Backöfen,
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Verwendung, bei denen die katalytische Wirkung des
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Cerdioxids dabei hilft, bei normalen Backtemperaturen
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anfallende Fettspritzer kontinuierlich chemisch zu
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zersetzen, ohne dass ein separater Energieintensiver
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Reinigungszyklus mit sehr hohen Temperaturen notwendig wird.
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Wie es bei rein pyrolytischen Selbstreinigungssystemen der
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Fall ist, auch die Umweltverträglichkeit von
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Serverbindungen wurde in der Vergangenheit intensiv
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diskutiert, insbesondere im Zusammenhang mit einem in
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Großbritannien zeitweise als dieselkraftstoffzusatz
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zugelassenen Produkt, das feinste zeroxid Nanopartikel
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enthielt und zur Verbesserung der Kraftstoffverbrennung sowie
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zur Reduktion des Rußausstoßes beitragen sollte.
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Nach kontroversen Diskussionen über mögliche gesundheitliche
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Auswirkungen der dabei entstehenden potenziell
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lungengängigen Nanopartikel in den Abgasen wurde von diesem
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speziellen Anwendungsbereich in den folgenden Jahren jedoch
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weitgehend wieder Abstand genommen.
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Ein Beispiel dafür, wie technische Innovationen im
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Bereich der Nanotechnologie stets sorgfältig gegen mögliche
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unbeabsichtigte Nebenwirkungen abgewogen werden müssen.
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Bleiben wir noch einen Moment bei der Beleuchtungstechnik,
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denn die Geschichte von Zerr und künstlichem Licht endet
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keineswegs beim historischen Gasglühstrumpf.
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Auch in der modernsten verfügbaren Lichttechnologie,
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der weißen Leuchtdiode, spielt eine zerhaltige Verbindung eine
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zentrale Rolle. Die meisten weißen Le DS, wie
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sie heute in haushaltslampen, Bildschirmen und
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Fahrzeugscheinwerfern eingesetzt werden, erzeugen ihr Licht nicht
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direkt in weiß, sondern über einen kleinen Umweg, ein blau
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leuchtender Halbleiterchip strahlt Licht auf eine dünne
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Schicht aus gelblich fluoreszierendem Material, meist
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hytrium Aluminium Granat, das gezielt mit Zärionen dotiert
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ist. Trifft das blaue Licht des Chips
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auf diese zerrdotierte Schicht, wird ein erheblicher Teil davon
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in längerwelliges, gelbliches Licht umgewandelt.
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Die Mischung aus dem verbleibenden blauen Licht und
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dem neu erzeugten gelben Licht ergibt für das menschliche Auge
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den Eindruck von warmem, weißem Licht.
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Ohne diese spezielle Eigenschaft von Cer, effizient Licht
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bestimmter Wellenlängen zu absorbieren und in andere
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Wellenlängen umzuwandeln, wäre die breite Verfügbarkeit
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energieeffizienter warmweißer LED Beleuchtung in ihrer
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heutigen Form kaum denkbar. Eine bemerkenswerte
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technologische Kontinuität von der Gasflamme des 19
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Jahrhunderts bis zur Halbleiterlampe des 21
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Jahrhunderts. Zerdotierte Kristalle finden
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zudem als sogenannte szintilatorenverwendung
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Materialien, die beim Auftreffen energiereicher Strahlung, etwa
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Röntgen oder Gamma, Strahlung, kurze Lichtblitze aussenden.
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Solche szintilator Kristalle kommen unter anderem in der
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medizinischen Bildgebung, etwa bei der Positronen,
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Emissionstomographie. Sowie in der Teilchenphysik zum
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Nachweis energiereicher Strahlung zum Einsatz.
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Auch bei der Gewinnung selbst nimmt CER aufgrund seiner hohen
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Hascon natürlichen Häufigkeit eine besondere ökonomische
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Stellung innerhalb der Seltenerdindustrie ein.
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Die wichtigsten Ausgangsmineralien für die
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Cergewinnung sind Bastnesit und Monazid.
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Wobei sich die weltweit bedeutendste Lagerstätte, die
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Mine von Bayan Obo, in der Inneren Mongolei zugleich als
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eine der größten Eisenerzlagerstätten der Welt
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erweist, in der die Seltenerdminerale gewissermaßen
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als wertvolles Nebenprodukt der Eisenerzförderung anfallen.
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Da bei der Verarbeitung dieser Erze stets das gesamte
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natürliche Gemisch unterschiedlicher
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Seltenerdmetalle anfällt und. Und CER darin regelmäßig den mit
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Abstand größten Mengenanteil ausmacht, gilt der Marktpreis
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von Cer in der Rohstoffwirtschaft häufig als
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eine Art wirtschaftlicher Anker, da cer selbst vergleichsweise
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günstig und in großen Mengen verfügbar ist, hängt die
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Wirtschaftlichkeit der gesamten Förderung eines Vorkommens
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häufig maßgeblich davon ab, wie gut sich gleichzeitig auch die
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selteneren. Deutlich wertvolleren
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Begleitelemente wie Neodym oder Dysprosium vermarkten lassen,
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die für Hochleistungsmagnete in Windkraftanlagen und
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Elektromotoren unverzichtbar sind.
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Bezüglich seiner Isotope ist CER ebenfalls bemerkenswert
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vielfältig aufgestellt. Es besitzt 4 natürlich
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vorkommende Isotope, von denen CER 140 mit einem Anteil von
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rund 88% bei weitem das häufigste ist.
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Eines der natürlichen Isotope Cer 142 gilt zudem als extrem
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schwach radioaktiv mit einer Halbwertszeit, die um ein
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Vielfaches länger ist als das Alter des Universums.
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Weshalb es für alle praktischen Zwecke als stabil betrachtet
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werden kann. Daneben existieren künstlich
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erzeugte Kurzlebigere, radioaktive Cer Isotope, die als
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Spaltprodukte in Kernreaktoren entstehen und in der
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kerntechnischen Forschung sowie gelegentlich in der
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Nuklearmedizin von Interesse sind.
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Bevor wir zum Ende unserer heutigen Reise kommen, sei noch
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angemerkt, dass CER trotz seiner enormen technischen Bedeutung im
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Vergleich zu vielen anderen selten erdmetallen als
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vergleichsweise unbedenklich gilt.
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Es besitzt keine bekannte biologische Funktion im
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menschlichen Körper. Wird jedoch bei versehentlicher
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Aufnahme nur in sehr geringem Umfang resorbiert und
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größtenteils unverändert wieder ausgeschieden, weshalb es
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Toxikologisch als vergleichsweise gering
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bedenklich eingestuft wird. Ganz im Gegensatz zu manch
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anderem hier bereits vorgestellten Element unserer
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Reihe. Wenn wir also heute an Zehr
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denken, sollten wir nicht nur an den Funken eines Feuerzeugs
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denken, sondern an ein Element, das von der Gasbeleuchtung des
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19 Jahrhunderts bis zu den Abgaskatalysatoren und
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Brennstoffzellen unserer Gegenwart eine bemerkenswert
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kontinuierliche technische Erfolgsgeschichte geschrieben
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hat. Gerade weil CER heute so
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maßgeblich dazu beiträgt, Schadstoffe aus Fahrzeugabgasen
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zu filtern und effizientere Energietechnologien zu
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ermöglichen, erinnert es uns eindrücklich daran, wie eng
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wissenschaftlicher Fortschritt und der Schutz unserer
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natürlichen Umwelt miteinander verknüpft sein können.
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Wenn Forschung verantwortungsvoll und zum Wohle
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der Allgemeinheit betrieben wird.
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Unseren Planeten und die offenen demokratischen Gesellschaften zu
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bewahren, die eine solche verantwortungsvolle Forschung
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überhaupt erst ermöglichen, bleibt eine der wichtigsten
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Aufgaben unserer Zeit. Damit sind wir am Ende unserer
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heutigen Reise durch die Welt von CER angekommen, wir hoffen,
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dir hat der Ausflug vom Gasglühlicht bis zum modernen
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Feuerzeug gefallen. Wenn dir diese Folge gefallen
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hat, lass uns gerne eine Bewertung da.
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Das hilft uns dabei weiterhin spannende Wissensreisen für dich
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zu produzieren, bis zur nächsten Folge bleib neugierig.