Latest / Das Periodensystem der Elemente / 57. Lanthan (La) - Der Beginn der Seltenen Erden

Transcript

57. Lanthan (La) - Der Beginn der Seltenen Erden · Das Periodensystem der Elemente

0:00
Willkommen zu einer neuen Folge von Wissensreise durch das
0:03
Periodensystem der Elemente, deinem Podcast zum Entspannen,
0:07
Loslassen und lernen. Wenn dir der Podcast gefällt,
0:11
bewerte ihn bitte, das hilft uns, weitere Folgen zu
0:14
produzieren. Kennst du schon unsere anderen
0:18
Podcastreihen wie Wissensreise durch die Uhrzeit oder
0:22
Wissensreise durch die Länder der Erde heute widmen wir uns
0:27
einem Element. Das sich buchstäblich versteckt
0:30
hielt, bevor es entdeckt wurde. Das einer ganzen heute
0:34
geopolitisch hochbrisanten Elementgruppe ihren Namen gab
0:38
und das in kameraobjektiven, Autobatterien und
0:42
Erdölraffinerien gleichermaßen unverzichtbar geworden ist.
0:47
Lehn dich zurück, schließ die Augen und lass dich mitnehmen in
0:52
die Welt von Lantern, dem Beginn der Seltenen Erden.
0:57
Lantan trägt im Periodensystem das Symbol LA und die
1:01
Ordnungszahl 57. Es gilt gemeinhin als das erste
1:05
Element der sogenannten Lanthanoide, einer Gruppe von
1:09
15, chemisch bemerkenswert ähnlichen Metallen, die
1:13
gemeinsam mit Skandium und Yttrium die Gruppe der
1:16
sogenannten Seltenen Erden bilden.
1:19
Diese Bezeichnung ist historisch gewachsen, aber in der Sache
1:22
irreführend. Die meisten dieser Elemente sind
1:26
in der Erdkruste gar nicht selten zäher, beispielsweise ist
1:29
häufiger als Kupfer und selbst lanthan kommt häufiger vor als
1:33
Blei. Selten war ursprünglich vielmehr
1:36
die Form, in der man diese Elemente vorfand, nämlich
1:39
gebunden in seltenen Mineralien, aus denen sie sich zudem
1:44
aufgrund ihrer nahezu identischen chemischen
1:47
Eigenschaften nur äußerst mühsam voneinander trennen ließen.
1:53
Genau diese Trennschwierigkeit steht auch am Anfang der
1:58
Entdeckungsgeschichte von Lantern.
2:00
Im Jahr 1839 untersuchte der schwedische Chemiker Karl Gustav
2:05
Mosander, ein Schüler und enger Mitarbeiter des berühmten
2:10
Chemikers Jöns Jacob Bercelius, eine Probe des kurz zuvor
2:15
entdeckten Elements zäher. Das seinerseits erst 1803 von
2:22
Bercelius und dem deutschen Chemiker Martin Heinrich
2:25
Klapprot unabhängig voneinander identifiziert worden war.
2:31
Mosander bemerkte, dass sich in vermeintlich reinem Keroxid noch
2:34
ein weiteres, bis dahin unbekanntes Element verbarg.
2:39
Durch fraktionierte Kristallisation, ein mühsames
2:43
Verfahren, bei dem sich chemisch sehr ähnliche Salze anhand
2:47
kleinster Löslichkeitsunterschiede
2:49
schrittweise voneinander trennen lassen, gelang es ihm, diese
2:53
neue Substanz zu isolieren. Da sich das Element derart
2:57
hartnäckig im vermeintlich bekannten Zehr versteckt hatte,
3:01
wählte Mosander für seine Entdeckung einen passenden Namen
3:05
Lantan. Abgeleitet vom griechischen Wort
3:09
lantan ein, was so viel bedeutet wie verborgen sein oder sich
3:14
verstecken. Die Ironie der Geschichte wollte
3:18
es, dass auch das von Mosander isolierte Lantan selbst noch
3:21
nicht chemisch rein war. Erst Jahrzehnte später stellte
3:26
sich heraus, dass in seiner Probe ein weiteres, ebenfalls
3:30
verborgenes Element steckte, das Mosander Didym.
3:34
Nannte, was auf griechisch Zwilling bedeutet, da es dem
3:37
Lantern so verblüffend ähnelte, noch einmal Jahrzehnte später im
3:43
Jahr 1885, gelang es dem österreichischen Chemiker Karl
3:48
Auer von Welsbach schließlich zu zeigen, dass selbst dieses
3:52
vermeintliche Didym in Wahrheit aus 2 weiteren, bis dahin
3:56
unentdeckten Elementen bestand, die er Praseodym und Neodym
4:01
nannte. Diese verschachtelte
4:04
Entdeckungsgeschichte, bei der sich immer wieder neue Elemente
4:07
in vermeintlich reinen Proben verbargen, ist bezeichnend für
4:12
die gesamte Gruppe der Seltenen Erden und ein eindrucksvolles
4:16
Beispiel dafür, wie sehr die analytische Chemie des 19
4:20
Jahrhunderts an die Grenzen ihrer damaligen Möglichkeiten
4:23
stieß. Der Grund für diese
4:26
außergewöhnliche chemische Ähnlichkeit der Lanthanoide
4:29
untereinander liegt in ihrer besonderen elektronischen
4:33
Struktur. Bei diesen Elementen wird mit
4:36
steigender Ordnungszahl schrittweise eine innenliegende
4:39
Elektronenschale aufgefüllt, die sogenannte 4 f Schale, während
4:45
die äußeren, chemisch entscheidenden Elektronenschalen
4:48
nahezu unverändert bleiben. Da diese innere Schale das
4:53
chemische Verhalten der Elemente nach außen kaum beeinflusst,
4:57
verhalten sich benachbarte Lanthanoide chemisch fast
5:01
identisch, was ihre Trennung selbst mit modernen Methoden
5:06
noch immer aufwendig macht. Ein damit verbundenes Phänomen
5:11
ist die sogenannte Lanthanoidenkontraktion.
5:15
Mit zunehmender Ordnungszahl innerhalb der Reihe schrumpft
5:19
der Atomradius der Elemente entgegen, der eigentlich in zu
5:23
erwartenden Tendenz leicht. Ein Effekt, der sich bis weit in
5:27
die nachfolgenden Übergangsmetalle des
5:29
Periodensystems auswirkt und beispielsweise erklärt, warum
5:34
sich die Elemente Zirkonium und Hafnium chemisch so verblüffend
5:39
ähnlich sind, obwohl eine ganze Periode zwischen ihnen liegt.
5:44
Lanthan selbst ist chemisch und physikalisch ein typischer
5:48
Vertreter dieser Elementgruppe. Es handelt sich um ein weiches,
5:53
silbrig weißes Metall, das sich mit einem einfachen Messer
5:57
schneiden lässt und an feuchter Luft binnen kurzer Zeit anläuft
6:02
und sich mit einer grauen Oxidschicht überzieht.
6:06
In reinem Sauerstoff kann Lanthan sogar von selbst zu
6:10
brennen beginnen. Und mit Wasser reagiert es unter
6:13
Bildung von Lantanhydroxid und Wasserstoffgas, wenn auch
6:18
weniger heftig als die benachbarten Erdalkali oder
6:22
Alkalimetalle. Aus diesem Grund wird reines
6:26
Lantan üblicherweise unter Mineralöl oder in einer
6:30
Schutzgasatmosphäre gelagert, Lantan besitzt zudem nur ein
6:35
einziges wirklich stabiles Isotop lantan 139.
6:40
Das mit einem Anteil von rund 99,9% das natürlich vorkommende
6:43
Element nahezu vollständig ausmacht.
6:45
Daneben existiert in winzigen Spuren das extrem langlebige
6:51
radioaktive Isotop Lantan 138, dessen Halbwertszeit mit rund
6:57
105 Milliarden Jahren. Die Existenz des gesamten
7:05
bisherigen Universums um ein Vielfaches übersteigt und das
7:09
damit zu den am langsamsten zerfallenden radioaktiven
7:13
Isotopen überhaupt zählt. Wenden wir uns nun den
7:18
praktischen Anwendungen zu, die Lantern trotz seines eher
7:22
unscheinbaren Rufs zu einem der wirtschaftlich bedeutendsten
7:26
Seltenerdmetalle machen. Eine der wichtigsten Anwendungen
7:30
findet sich in der Erdölraffination, genauer gesagt
7:33
beim sogenannten katalytischen Cracken.
7:36
Einem zentralen Verfahren, bei dem schwere, Langkettige
7:40
Erdölfraktionen in leichtere, wirtschaftlich wertvollere
7:45
Produkte wie Benzin umgewandelt werden.
7:49
Die dabei eingesetzten Katalysatoren bestehen häufig
7:52
aus speziellen, mit Lantern angereicherten Zeolithen
7:56
feinporigen kristallinen Mineralien, deren Struktur die
8:00
gewünschten chemischen Reaktionen gezielt begünstigt.
8:05
Lanthan trägt in diesen Katalysatoren entscheidend dazu
8:09
bei, die Stabilität und Aktivität des Katalysator
8:12
Materials bei den hohen Temperaturen des Crackprozesses
8:15
zu erhalten, wodurch weltweit ein erheblicher Anteil des
8:20
gesamten Lanthanverbrauchs allein auf die Erdölindustrie
8:24
entfällt. Auch in der Batterietechnologie
8:27
hat Lanthan über viele Jahre hinweg eine bedeutende Rolle
8:30
gespielt. Nickel metallhydrid
8:33
Akkumulatoren, wie sie insbesondere in den ersten
8:36
Generationen von Hybridfahrzeugen, etwa dem
8:40
frühen Toyota Prius, sowie in vielen Wiederaufladbaren
8:44
Haushaltsbatterien zum Einsatz kamen, enthalten in ihrer
8:47
negativen Elektrode häufig eine spezielle Legierung aus Lantern
8:52
und anderen Seltenerdmetallen, das sogenannte Mischmetall.
8:56
Diese Legierung besitzt die bemerkenswerte Eigenschaft,
9:00
Wasserstoffatome reversibel in ihrer Kristallstruktur
9:03
einzulagern und wieder abzugeben.
9:06
Ein Vorgang, der dem eigentlichen Lade und
9:09
Entladeprozess der Batterie zugrunde liegt.
9:13
Mit dem zunehmenden Aufstieg der Lithium Ionen Technologie hat
9:18
die Bedeutung der Nickel Metallhydrid Technologie in den
9:21
vergangenen Jahren zwar spürbar abgenommen.
9:25
In bestimmten Anwendungsbereichen, etwa bei
9:28
besonders sicherheitsrelevanten oder kostensensiblen
9:31
Anwendungen, spielt sie jedoch weiterhin eine Rolle.
9:35
Eine weitere bedeutende Anwendung findet sich in der
9:39
optischen Industrie, lantanoxid wird gezielt zu speziellen
9:44
Glasschmelzen hinzugefügt, um sogenanntes Lantanglas
9:48
herzustellen, das. Das sich durch einen
9:50
außergewöhnlich hohen Brechungsindex bei gleichzeitig
9:54
geringer Dispersion, also geringer Farbaufspaltung des
9:58
Lichts, auszeichnet. Diese Kombination von
10:02
Eigenschaften macht Lantanglas zu einem geschätzten Material
10:07
für hochwertige optische Linsen, wie sie in professionellen
10:11
Kameraobjektiven, Ferngläsern, Mikroskopen und
10:15
wissenschaftlichen Präzisionsinstrumenten verwendet
10:18
werden. Renommierte Objektivhersteller
10:21
setzen bis heute gezielt auf lanternhaltige Glassorten, um
10:27
Abbildungsfehler wie die sogenannte chromatische
10:30
Aberration, bei der unterschiedliche
10:32
Lichtwellenlängen unterschiedlich stark gebrochen
10:36
werden und dadurch farbsäume in Bildern entstehen, wirksam zu
10:41
reduzieren. Auch die Beleuchtungstechnik
10:44
profitierte lange Zeit von Lantern und Verwandten selten
10:47
Erdmetallen. In sogenannten Kohlebogenlampen,
10:51
wie sie über weite Teile des 20. Jahrhunderts in Filmprojektoren,
10:56
Suchscheinwerfern sowie in Studiobeleuchtungen der
10:59
Filmindustrie eingesetzt wurden, sorgten Kohlenstoff Elektroden,
11:04
die mit Verbindungen aus Lentern Zerr und weiteren selten
11:08
Erdmetallen dotiert waren, für ein außergewöhnlich helles der
11:12
Sonne. Ähnliches Licht bei der
11:15
elektrischen Entladung zwischen den beiden Elektroden.
11:19
Diese Technologie ist heute weitgehend durch modernere
11:22
Leuchtmittel wie Xenon, Kurzbogenlampen und LED Technik
11:26
abgelöst worden, prägte jedoch über Jahrzehnte hinweg
11:30
maßgeblich das Erscheinungsbild großer Kinoprojektionen und
11:35
spektakulärer Lichtinszenierungen.
11:38
Auch in der Medizin findet Lantern eine gezielte, wenn auch
11:42
spezialisierte Anwendung. Lanthancarbonat wird als
11:46
sogenannter Phosphatbinder bei Patientinnen und Patienten mit
11:51
chronischer Nierenerkrankung eingesetzt, insbesondere bei
11:55
jenen, die auf eine Dialysebehandlung angewiesen
11:58
sind, da die erkrankten Nieren überschüssiges Phosphat aus der
12:03
Nahrung nicht mehr ausreichend ausscheiden können.
12:06
Würde sich dieses im Körper gefährlich anreichern und unter
12:10
anderem zu einer schädlichen Verkalkung von Blutgefäßen
12:14
führen können? Lantan Carbonat bindet das mit
12:18
der Nahrung aufgenommene Phosphat bereits im
12:20
Verdauungstrakt und verhindert dadurch dessen Aufnahme in den
12:24
Blutkreislauf, wodurch es Betroffenen hilft, ihren
12:28
Phosphatspiegel innerhalb sicherer Grenzen zu halten, ohne
12:32
dass das Lantan selbst dabei nennenswert vom Körper
12:35
aufgenommen wird. Da die verwendete Verbindung im
12:38
Verdauungstrakt praktisch unlöslich bleibt.
12:43
Nicht zuletzt begegnet uns Lantern auch im Alltag oft, ohne
12:48
dass wir es bemerken, das sogenannte Mischmetall, eine
12:53
Legierung aus Zehr, Lantern und weiteren Seltenerdmetallen mit
12:57
einem geringen Eisenanteil, wird traditionell für die Feuersteine
13:02
in klassischen Sturmfeuerzeugen und Feuerzeugen verwendet.
13:06
Wird ein solcher Feuerstein mechanisch angeritzt, lösen sich
13:10
winzige, extrem reaktionsfreudige
13:13
Metallpartikel, die beim Kontakt mit der Umgebungsluft aufgrund
13:17
ihrer hohen Reaktionsfreudigkeit spontan Funken erzeugen.
13:22
Ein einfaches, aber verlässliches physikalisches
13:25
Prinzip, das seit mehr als einem Jahrhundert nahezu unverändert
13:30
genutzt wird. Kommen wir nun zu jenem Aspekt
13:34
der Lantan und die gesamte Gruppe der Seltenen Erden in den
13:38
vergangenen Jahren verstärkt in den Fokus der weltweiten
13:41
Öffentlichkeit gerückt hat. Ihre geopolitische und
13:46
wirtschaftliche Bedeutung. Obwohl selten Erdmetalle, wie
13:51
eingangs erwähnt, in der Erdkruste keineswegs selten
13:54
sind. Konzentriert sich ihre
13:56
wirtschaftlich lohnende Förderung und vor allem ihre
14:00
Weiterverarbeitung heute auf verhältnismäßig wenige Standorte
14:04
weltweit? China dominiert mit einem Anteil
14:08
von deutlich über der Hälfte der weltweiten Förderung,
14:12
insbesondere durch die riesigen Lagerstätten und
14:16
Verarbeitungsanlagen rund um die Stadt Bao TU in.
14:20
In der Inneren Mongolei seit Jahrzehnten den globalen Markt
14:24
für selten Erdmetalle nahezu vollständig.
14:28
Dieses Ungleichgewicht führt regelmäßig zu politischen
14:31
Spannungen, da selten Erdmetalle für zahlreiche
14:35
Schlüsseltechnologien von der Elektromobilität über
14:38
Windkraftanlagen bis hinzu Präzisionswaffen und
14:42
Unterhaltungselektronik unverzichtbar sind.
14:46
Andere bedeutende Lagerstätten, etwa die Mountain Path Mine im
14:50
US amerikanischen Bundesstaat Kalifornien, wurden in den
14:54
vergangenen Jahren wiederbelebt, um die weltweite Abhängigkeit
14:58
von einem einzigen Förderland zu verringern.
15:02
Erschwerend kommt hinzu, dass viele selten Erdmineralien, in
15:06
denen auch Lantern vorkommt, etwa monazit und Bastnesit,
15:10
häufig auch geringe. Aber nicht zu vernachlässigende
15:14
Mengen des radioaktiven Elements Thorium sowie Uran enthalten die
15:21
Aufbereitung dieser Erze erzeugt dadurch erhebliche Mengen
15:25
schwach radioaktiver Abfälle, deren umweltgerechte Entsorgung
15:29
technisch aufwendig und mit erheblichen Kosten verbunden
15:33
ist. In der Vergangenheit führte eine
15:36
unzureichende Handhabung dieser radioaktiven Rückstände.
15:41
Insbesondere in weniger streng regulierten Fördergebieten
15:44
wiederholt zu ernsthaften Umwelt und Gesundheitsproblemen in den
15:48
betroffenen Regionen. Ein Umstand, der die Debatte um
15:52
eine Verantwortungsvollere, stärker diversifizierte und
15:57
umweltgerechtere globale Förderung seltener Erden
16:01
zusätzlich befeuert. Doch Lantan ist nicht nur ein
16:04
technisches Metall, sondern auch ein geologischer Erzähler.
16:08
Die Mineralien, in denen es vorkommt, monazit, Bastnesit
16:13
Alanite, sind stille Archive der Erdgeschichte.
16:18
Sie entstehen in magmatischen Gesteinen oft tief unter der
16:22
Erdoberfläche, wo sich seltene Elemente in langsamen
16:26
Jahrtausendelangen Kristallisationsprozessen
16:29
anreichern. Geologen nutzen Lantan und seine
16:33
Verwandten sogar als geochemische Marker.
16:36
Die Verteilung der Lantanoide in Gesteinen verrät viel über die
16:40
Entstehungsbedingungen eines Magmas, über Temperatur, Druck
16:45
und die chemische Zusammensetzung der
16:47
ursprünglichen Schmelze. In diesem Sinne ist Lantan nicht
16:52
nur ein technisches Metall, sondern auch ein Werkzeug, mit
16:55
dem wir die Vergangenheit unseres Planeten lesen können,
17:00
in der modernen Forschung spielt Lantan eine Rolle, die oft
17:03
übersehen wird. Lantan dotierte Kristalle werden
17:07
in bestimmten Lasertypen eingesetzt, insbesondere in
17:11
Festkörperlasern, die extrem stabile Lichtfrequenzen
17:15
erzeugen. In der Quantenoptik dienen
17:18
lantanhaltige Materialien als Wirtsgitter für seltene Ionen,
17:23
die als Quantenbits genutzt werden können.
17:26
Die besondere elektronische Struktur der Lanternoide
17:30
ermöglicht extrem scharfe optische Übergänge.
17:34
Ein Vorteil für präzise Messungen und zukünftige
17:37
Quantentechnologien. Während die Welt nach neuen
17:41
Wegen sucht, energieeffizienter zu nutzen, taucht Lantern immer
17:46
wieder auf. In modernen
17:49
Wasserstoffspeichertechnologien wird erforscht, wie
17:52
lantanhaltige Legierungen Wasserstoff sicher und
17:56
reversibel speichern können. Ein entscheidender Schritt für
18:00
eine mögliche Wasserstoffwirtschaft auch in
18:03
der Brennstoffzellentechnik wird Lantan untersucht, insbesondere
18:08
in keramischen Materialien, die als Elektrolyte dienen könnten.
18:14
Die Fähigkeit des Elements, Sauerstoffionen zu
18:17
transportieren, macht es zu einem Kandidaten für zukünftige
18:21
Hochtemperatur Brennstoffzellen. Die Geschichte der Seltenen
18:26
Erden ist voller kurioser Episoden.
18:30
Im 19 Jahrhundert reisten Forscher durch Europa, um
18:34
Mineralproben auszutauschen, die oft nur wenige Gramm wogen und
18:39
dennoch ganze wissenschaftliche Karrieren begründeten.
18:43
Lantan war eines jener Elemente, das in winzigen Mengen in
18:48
unscheinbaren Mineralien steckte, die in abgelegenen
18:52
schwedischen Minen gefunden wurden.
18:54
Manche dieser Minen existieren heute nicht mehr, doch ihre
18:58
Namen Utabu Bastnes sind in der Chemie unsterblich, die
19:03
Förderung von Lantan ist nur der erste Schritt, danach folgen
19:07
chemische Trennprozesse, die oft über 100 einzelne Schritte
19:11
umfassen. Die Weiterverarbeitung erfordert
19:14
hochspezialisierte Anlagen, die nur wenige Länder besitzen.
19:18
China dominiert diese Prozesse, doch neue Projekte entstehen in
19:22
Australien, Kanada, den USA und sogar in Europa.
19:29
Die EU prüft derzeit, wie sie eine eigene Lieferkette für
19:33
kritische Rohstoffe aufbauen kann, Lantern eingeschlossen.
19:37
Die Gewinnung von Seltenerdmetallen ist
19:40
umwelttechnisch anspruchsvoll. Die radioaktiven Begleitstoffe
19:45
Thorium und Uran erfordern strenge Sicherheitsmaßnahmen,
19:50
moderne Anlagen setzen zunehmend auf geschlossene
19:54
Wasserkreisläufe, um Abfälle zu minimieren, Forscher arbeiten an
19:59
neuen Trennverfahren, die weniger Chemikalien benötigen.
20:03
Darunter biologische Methoden, bei denen Mikroorganismen
20:07
bestimmte Elemente selektiv binden können.
20:11
Lantan das verborgene Element ist zu einem Symbol geworden für
20:16
das Unsichtbare, das dennoch entscheidend ist in der Technik,
20:22
in der Medizin, in der Forschung, überall wirkt es im
20:27
Hintergrund, ohne dass wir es bemerken.
20:31
Wenn wir heute an Lantern denken, sollten wir nicht nur an
20:35
ein unscheinbares Metall denken, sondern an ein Element, das die
20:40
Geschichte der Chemie geprägt hat, das die moderne Technologie
20:44
mitträgt und das uns lehrt, wie eng Wissenschaft, Wirtschaft und
20:48
Umwelt miteinander verwoben sind.
20:52
Lantern erinnert uns daran, dass selbst die verborgensten Dinge
20:56
eine enorme Wirkung entfalten können.
20:59
Wenn wir sie verstehen, respektieren und
21:02
verantwortungsvoll nutzen. Damit sind wir am Ende unserer
21:06
erweiterten Reise durch die Welt von Lantan angekommen.
21:11
Wir hoffen, dir hat dieser tiefere Blick vom verborgenen
21:14
Element bis zur globalen Rohstoffpolitik gefallen, wenn
21:19
dir diese Folge gefallen hat, lass uns gerne eine Bewertung da
21:23
bis zur nächsten Folge bleib neugierig.