Was sind seltene Erden

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Was sind seltene Erden ?

Seltene Erden sind sehr seltene Metalle oder auch Minerale und Mineralien die nur in sehr geringen Menge auf unserem Planeten gibt. Die meissten werden derzeit in solchen Ländern wie China und in Sibirien Russlands gefordert bzw. abgebaut.

Wie von der IUPAC, seltene Erde Elementen (“REEs”) oder Seltene Erdmetalle definiert sind eine Reihe von siebzehn chemischen Elemente des Periodensystems, insbesondere die fünfzehn Lanthaniden und Scandium und Yttrium. Scandium und Yttrium sind seltene Erden Elemente, da sie neigen dazu, in den gleichen Gebieten wie der Lanthaniden aufzutreten und zeigen ähnliche chemische Eigenschaften.

Trotz ihres Namens sind Elemente der Seltenen Erden (mit Ausnahme der radioaktiven Promethium) relativ reichlich in der Erdkruste, mit Cer als das 25. häufigste Element bei 68 Teilen pro Million (ähnlich wie Kupfer). Jedoch aufgrund ihrer geochemischen Eigenschaften, sind Elemente der Seltenen Erden in der Regel dispergiert und nicht häufig in konzentrierten und wirtschaftlich nutzbaren Formen zu finden. Die wenigen wirtschaftlich nutzbaren Gebieten werden als Seltenen Erden bekannt.  Es war die Knappheit dieser Mineralien (früher “Erden”), die mit dem Begriff “seltene Erde” geführt werden. Die erste mineralische seltene Erde wie entdeckt wurde ist Gadolinit, eine Verbindung von Cer, Yttrium, Eisen, Silizium und anderen Elementen. Dieses seltene Erde ein Art Mineral wurde aus einer Mine in der Ortschaft Ytterby in Schweden gewonnen, einige der Elemente der seltenen Erden tragen Namen von den Orten wo die abgebaut werden.

seltene Erden

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Elemente der Seltenen Erden wurde bekannt in der Welt mit der Entdeckung des schwarzen Mineral “ytterbite” (umbenannt in 1800 Gadolinit) von Leutnant Carl Axel Arrhenius im Jahre 1787, in einem Steinbruch im Dorf Ytterby, Schweden.

Arrhenius ‘”ytterbite” erreicht Johan Gadolin, ein Royal Academy of Turku Professor, und seine Analyse ergab eine unbekannte Oxid (Erde), die er als Yttriumoxid. Anders Gustav Ekeberg isolierten Beryllium aus dem Gadolinit scheiterte aber an anderen Elementen, die das Erz enthielten. Nach dieser Entdeckung im Jahre 1794 ein Mineral aus der Nähe Bastnäs Riddarhyttan, Schweden, das vermutlich um einen Eisen-Wolfram-Mineral handelte, wurde von Jöns Jacob Berzelius und Wilhelm Hisinger erneut untersucht. Im Jahr 1803 erhielten sie ein weißes Oxid und nannten es Ceroxid. Martin Heinrich Klaproth entdeckt, unabhängig voneinander das gleiche Oxid und nannte es ochroia.

Somit von 1803 gab es zwei bekannte Elemente der Seltenen Erden, Yttrium und Cer, obwohl es weitere 30 Jahre für Forscher dauerte, um zu bestimmen, dass andere Elemente in den beiden Erzen Ceroxid und Yttriumoxid (eine Ähnlichkeit der Seltenerdmetalle in den chemischen Eigenschaften war vorhanden, so dass es schwierig war beide seltene Erden voneinander zu trennen).

Im Jahre 1839 hat Carl Gustav Mosander, ein Assistent von Berzelius, Ceroxid durch Erwärmen des Nitrat-und Lösen des Produkts in Salpetersäure getrennt. Er bezeichnet das Oxid des Salzes Lanthanoxid. Er brauchte drei Jahre, um die Lanthanoxid weiter zu trennen und rein in didymia Lanthanoxid. Didymia, obwohl nicht weiter trennbare Mosander der Technik eine Mischung von Oxiden war.

Im Jahr 1842 Mosander auch das Yttriumoxid in drei Oxide getrennt: pure Yttriumoxid, terbia und erbien (der Name ist von der Stadt mit dem Namen “Ytterby” abgeleitet). Die seltene Erde gibt rosa Salze die er Terbium nannte; derjenige, das gelbe Peroxid nannte er Erbium.

So im Jahre 1842 die Zahl der Elemente der Seltenen Erden hatte sechs erreicht: Yttrium, Cer, Lanthan, Didym, Erbium und Terbium.

Nils Johan Berlin und Marc Delafontaine versuchten auch das rohe Yttriumoxid zu trennen und fanden die gleichen Substanzen, die Mosander erhielt, aber bei Berlin (1860) die Substanz ergab rosa Salze Erbium und Delafontaine und benannte daher die Substanz mit dem gelben Peroxid Terbium. Diese Verwirrung führte zu mehreren falschen Behauptungen von neuen Elementen, wie dem mosandrium von J. Lawrence Smith, oder dem philippium und decipium von Delafontaine.

Was ist seltene Erde

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Spektroskopie der seltenen Erden

Es gab keinen weiteren Entdeckungen seit 30 Jahren, und das Element Didym wurde im Periodensystem der Elemente mit einem Molekulargewicht von 138 aufgelistet. Im Jahre 1879 Delafontaine verwendet das neue physikalische Verfahren der optischen Spektroskopie-Flamme, und er fand einige neue Spektrallinien in didymia. Auch im Jahr 1879 wurde das neue Element Samarium von Paul Emile Lecoq de Boisbaudran aus dem Mineral Samarskit isoliert.

Die Samaria-Erde wurde durch Lecoq de Boisbaudran im Jahr 1886 getrennt und ein ähnliches Ergebnis wurde von Jean Charles Galissard de Marignac durch direkte Isolierung von Samarskit erhalten. Sie nannten das Element Gadolinium, nachdem Johan Gadolin, und sein Oxid wurde “Gadoliniumoxid”.

Weitere spektroskopische Analyse zwischen 1886 und 1901 von Samaria, Yttriumoxid und Samarskit von William Crookes, Lecoq de Boisbaudran und Eugène-Anatole Demarcay ergab mehrere neue spektroskopische Linien, die die Existenz eines unbekannten Elements angeben. Die fraktionierte Kristallisation der Oxide ergab  dann Europium im Jahr 1901.

Im Jahr 1839 stand die dritte Quelle für seltene Erden zur Verfügung. Dies ist ein Mineral ähnlich dem Gadolinit, uranotantalum (heute: “Samarskit”). Dieses Mineral aus Miass in dem südlichen Ural wurde von Gustave Rose dokumentiert. Der russische Chemiker R. Hartmann hat diese seltene Erde entdeckt, so, dass ein neues Element entstand, das  er “ilmenium” nannte. Später forschten mit diesem Mineral Christian Wilhelm Blomstrand, Galissard de Marignac, und Heinrich die nur Tantal und Niob (Columbium) darin fanden.

Die genaue Anzahl der Elemente der Seltenen Erden war sehr undeutlich, und eine maximale Anzahl war in Höhe von 25 abgeschätzt. Die Verwendung von X-Spektren (erhalten durch Röntgenkristallographie) von Henry Gwyn Jeffreys Moseley machte es möglich, die Ordnungszahlen der Elemente zu zuweisen. Moseley stellte fest, dass die genaue Zahl der Lanthanoide bis 15 sein musste und dass Element 61 war noch nicht entdeckt.

Mit diesen Fakten über Ordnungszahlen von Röntgenkristallographie zeigte Moseley auch, dass Hafnium (Element 72) nicht ein Element der seltenen Erden ist. Moseley wurde im Ersten Weltkrieg im Jahre 1915 getötet, Jahre bevor Hafnium entdeckt wurde. Daher wurde der Antrag von Georges Urbain, er habe Element 72 entdeckt als unwahr festgestellt. Hafnium ist ein Element, das im Periodensystem direkt unter Zirkonium liegt, sowohl Hafnium als auch Zirkonium sind sehr ähnlich in ihren chemischen und physikalischen Eigenschaften.

In den 1940er Jahren entwickelte Frank Spedding und andere Wissenschaftler in den Vereinigten Staaten (während des Manhattan-Projekt) die chemischen Ionenaustausch Verfahren zur Trennung und Reinigung der Elemente der seltenen Erden. Diese Methode wurde zum ersten Mal zu den Aktiniden zur Abtrennung von Plutonium-239 und Neptunium, aus Uran, Thorium, Actinium, und die anderen Aktiniden Seltenen Erden in den Materialien, die in Kernreaktoren hergestellt werden, angewendet. Die Plutonium-239 war sehr wünschenswert, weil es ein spaltbares Material ist.

Die Hauptquellen der Elemente der seltenen Erden sind die Mineralien Bastnasite, Monazit, und Loparite und die Laterit-Ionen-Adsorption Tone. Trotz ihrer hohen relativen Abundanz sind seltenen Erden schwieriger abzubauen und als entsprechende Quellen von Übergangsmetallen (teilweise aufgrund ihrer ähnlichen chemischen Eigenschaften) zu extrahieren, so dass die Elemente der Seltenen Erden relativ teuer sind. Ihre industrielle Anwendung war sehr begrenzt, bis eine effiziente Techniken zu deren Trennung entwickelt wurde, wie zum Beispiel Ionenaustausch, fraktionierte Kristallisation und flüssige Extraktion in den späten 1950er und frühen 1960er.

Frühere Klassifizierung der seltenen Erden

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Bevor ein Ionenaustauschverfahren und Elution vorhanden waren, wurde die Trennung der seltenen Erden in erster Linie durch wiederholte Fällung oder Kristallisation erreicht. In dieser Zeit war die erste Trennung in zwei Hauptgruppen unterteilt, die Zer-Gruppe Erden (Scandium, Lanthan, Cer, Praseodym, Neodym und Samarium) und der Yttrium-Gruppe Erden (Yttrium, Dysprosium, Holmium, Erbium, Thulium, Ytterbium und Lutetium).

Europium, Gadolinium und Terbium wurden entweder als separate Gruppe der seltenen Erden (das Terbium-Gruppe) definiert, oder Europium wurde in der Zer-Gruppe und Gadoliniun mit Terbium in der Yttrium-Gruppe enthalten.

Der Grund für diese Spaltung entstand aus dem Unterschied in der Löslichkeit der seltenen Erden als Doppel Sulfate mit Natrium und Kalium. Die Natrium-Doppel Sulfaten der Zer-Gruppe sind im Gegensatz zu der Gruppe Terbium schwer löslich. Die seltene Erden der Yttrium-Gruppe sind ebenfalls wie Gruppe Terbium  sehr löslich.

Herkunft der seltenen Erden

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Elemente der Seltenen Erden sind schwerer als Eisen und somit durch Supernova-Nukleosynthese oder den s-Prozess in asymptotischen Riesenast Sterne entstanden. In der Natur werden seltene Erden durch spontane Spaltung von Uran-238 Spuren vom radioaktiven Promethium produziert, aber das meiste Promethium wird synthetisch in Kernreaktoren erzeugt.

Elemente der seltenen Erden entstehen durch die Veränderung über die sehr lange Zeit in kleinen Mengen (ppm, parts per million), so dass ihr Anteil für Geochronologie und Datierung der Fossilien verwendet werden kann.