Erfahren Sie hier alles über Seltene Erden.

Seltene Erden, die;

Der Name Seltene Erden muss aus der Geschichte der Seltenen Erden und den Anfängen ihrer Gewinnung heraus verstanden werden.

Selten, da man früher davon ausging, dass die Metalle dieser Gruppe sehr selten seien. Faktisch sind jedoch einige der Rohstoffe ganz und gar nicht selten. Cer kommt etwa ähnlich häufig vor wie Kupfer oder Nickel.

Erden, da Seltene Erden früher nur als Oxide aus bestimmten Mineralien gewonnen wurden. Erden ist die ältere Bezeichnung für Oxide.

Die 17 Seltenen Erden

Seltene Erden kommen nie alleine, sondern stets im Verbund miteinander vor. Für die Lanthanoide lässt sich in Bezug darauf, welche Elemente eher gemeinsam auftreten und besondere Ähnlichkeit miteinander besitzen, eine grobe Unterteilung in Ceriterden (Ordnungszahl 58-64) und Yttererden (Ordnungszahlen 65-71) vornehmen.

Die Seltenen Erden bestehen aus den den chemischen Elementen der 3. Gruppe des Periodensystems: Scandium (Ordnungszahl 21), Yttrium (39), Lanthan (57), sowie die 14 auf das Lanthan folgenden Elemente, die Lanthanoide. Zu ihnen gehören 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).

Grundsätzlich unterscheidet man zwischen leichten und schweren Seltenen Erden. Im Durchschnitt entfallen mehr als 95% des Vorkommens an Seltenen Erden auf die vier leichten Seltenen Erden Cer, Lanthan, Neodym und Praseodym. Folglich liegt der Anteil für die 13 schweren Seltenen Erden Dysprosium, Erbium, Europium, Gadolinium, Holmium, Lutetium, Promethium, Samarium, Scandium, Terbium, Thulium, Ytterbium und Yttrium bei nicht einmal 5%.

Seltene Erden gehören wie Technologiemetalle zu den sogenannten strategischen metallen. diese Metalle sind für technologische Innovationen von entscheidender bedeutung. da allerdings über 90 Prozent aller seltenen erden in china abgebaut und verarbeitet werden, ergibt sich hier eine gefährliche marktdominanz. die europäische industrie ist massiv von der lieferbereitschaft in China abhängig.

Seltene Erden gehören wie Technologiemetalle zu den sogenannten strategischen metallen. diese Metalle sind für technologische Innovationen von entscheidender bedeutung. da allerdings über 90 Prozent aller seltenen erden in china abgebaut und verarbeitet werden, ergibt sich hier eine gefährliche marktdominanz. die europäische industrie ist massiv von der lieferbereitschaft in China abhängig.

Eigenschaften

Seltenen Erden sind silberfarbene, an der Luft schnell anlaufende und relativ weiche Metalle. Sie sind stark elektropositiv und reaktionsfähig und haben eine geringe Leitfähigkeit. Mit Wasser und verdünnten Säuren reagieren sie unter Wasserstoffbildung. Beim Entzünden an der Luft verbrennen sie zu Ln2O3 (im Fall von Cer zu CeO2), wobei manche der Elemente, wie Terbium und Ytterbium, in fein verteiltem Zustand sogar pyrophor sind. Das heißt, sie entzünden sich selbst. Basizität, Schmelzpunkt und Dichte nehmen von links nach rechts im Periodensystem zu. Ausnahmen bilden Europium und Ytterbium.

Seltene Erden haben besondere spektroskopische Eigenschaften: Sie weisen im Festkörper – anders als etwa bei Halbleitern – ein diskretes Energiespektrum auf. Grund: die besondere Struktur der Elektronenhülle. Optische Übergänge finden innerhalb der 4f-Schale statt, welche durch die größeren besetzten 5s-, 5p- und 6s-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 der Elemente unterschiedlichen elektronischen Umgebung im Kristall ausgesetzt. Die inhomogene Linienbreite reicht, je nach Kristall, von zehn bis zu einigen hundert Gigahertz.

Die chemischen Eigenschaften der Seltenen Erden sind fast alle identisch.

Voneinander abgrenzbar werden sie über die leichten Differnzen in ihren Gewichten. Unterschieden bei ihren 4f-Elektronen verleihen zudem einigen Seltenen Erden besondere Eigenschaften. Gadolinium zum Beispiel ist das einzige Seltenerdelement das ferromagnetisch ist – d. h. es klebt an Magneten wie Eisen. Lanthan ist der einzige Supraleiter unter ihnen.

VORKOMMEN & GEWINNUNG

Selteneerdelemente kommen nicht rein als Metalle oder Oxide vor, sondern werden aus Erzen gewonnen und zu Seltenerd-Metallen (SEM) oder Seltenerd-Oxiden (SEO) weiterverarbeitet. Sie finden sich vor allem in den Mineralien Bastnäsit, Monazit und Xenotim. Hier kommen die Rohstoffe immer im Verbund mit anderen Seltenen Erden vor. Der Anteil an Seltenen Erden im Bastnäsit und Xenotim liegt bei 55-60 %, im Monazit lediglich bei 30-35 %.

Da die Eigenschaften der einzelnen Erden sich so ähnlich sind, ist der Trennprozess besonders aufwendig und kompliziert. Ferner unterliegt dieser strengen Umweltauflagen, da immer geringe Konzentrationen des radioaktiven Thoriums im Erz enthalten sind.

Das Vorkommen von Seltenen Erden konzentriert sich auf China, Brasilien, Vietnam, Russland, Indien und Australien. Die namenhaftesten Minen für den Abbau der Seltenen Erden sind Bayan Obo in China (von hier entstammen 50 % des chinesischen Seltenerd-Produktion), Mount Weld in Australien (im Besitz der Firma Lynas welche als einziger Konkurrent zu China bezeichnet werden kann) und Mountain Pass in Kalifornien. Gewonnen werden Seltene Erden vor allem in China, sowie Malaysia und Thailand.

Luftaufnahme Bayan Obo / Allen & Simmon NASA/GSFC/METI/ERSDAC/JAROS

ANWENDUNGSGEBIETE

ANWENDUNGS-

GEBIETE

Seltene Erden werden in sehr vielen Industriezweigen benötigt. Als wichtigstes Einsatzgebiet können leistungsstarke Dauermagneten genannt werden. Sie kommen ebenso in großen Anlagen wie Windkraftturbinen als auch in Kopfhörern vor.

Seltene Erden werden aber auch für Leuchtmittel und Laser, verwendet, ebenso für LED-Technik, Katalysatoren, Akkumulatoren und sogar in Atomkraftwerken. Auf die wichtigsten Verwendungen für Seltene Erden wollen wir kurz eingehen:

Magnettechnik

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Einen Mengenmäßig großen Anteil am Gesamtverbrauch Seltener Erden haben leistungsstarke Dauermagneten, die etwa in Windkrafträdern, Elektromotoren, Kernspintomographen oder Kopfhörern Verwendung finden. Die am häufigsten verwendete Legierung besteht aus Neodym, Eisen und Bor (NdFeB). NdFeB-Magneten sind äußerst leistungsfähig, jedoch korrosionsanfällig und ihr Magnetfeld ist nur bis etwa 80 °C stabil. Durch die Beigabe von Dysprosium kann dieser Wert auf etwa 200 °C angehoben werden. Vor Korrosion werden NdFeB-Magnete durch eine Beigabe von Kobalt oder eine Beschichtung geschützt.

Die hohe magnetische Stabilität (Koerzitivkraft) hat dafür gesorgt, dass NdFeB-Magnete die bisher leistungstärksten Magnete aus Eisen, Aluminium, Nickel und Kobalt (Alnico) weitestgehend verdrängt haben. Für Hochtemperaturanwendungen sind Alnico-Magneten jedoch weiterhin gefragt.

NdFeB-Magneten sind so stark, dass, falls mehr als ein Magnet verschluckt wird, es zu einer Darmperforation kommen kann. Entsprechendes Kinderspielzeug ist daher nur unter Aufsicht zu verwenden. Magnete größer als drei bis vier Kubikzentimeter sind mit der Hand praktisch nicht mehr zu trennen.

  Andere Anwendungen

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Im Bereich der Lichttechnik sind zahlreiche Seltene Erden zu finden. So werden Europium und Yttrium in LED und Plasmabildschirmen eingesetzt. Scandium wird für die gleißend helle Beleuchtung von Fußballstadien benötigt. Erbium, Ytterbium und im kleineren Umfang auch Dysprosium finden in Lasern Anwendung. Erbium spielt zudem bei Glasfaserkabeln eine Rolle.

In der Medizin finden sich ebenfalls einige Seltenen Erden. So taucht Scandium in der Röntgentechnik auf, und Gadolinium wird als Kontrastmittel in der Kernspintomographie verwendet. In der Positronen-Emissions-Tomographie wird hingegen Lutetium eingesetzt. Auch Holmium gehört zu den Seltenen Erden, die in der Medizintechnik eine Rolle spielen.

Aber auch darüber hinaus finden sich zahlreiche Anwendungen Seltener Erden. Praseodym verbessert zum Beispiel die UV-Absorption, es wird darum auch für Augenschutzgläser (etwa Schweißerbrillen) benutzt. Neodym sorgt in Legierungen mit Magnesium für hochfeste Metalle im Flugzeugmotorenbau. Terbium wird bei der Herstellung von Halbleitern verwendet und dient als Aktivator für fluoreszierende Leuchtstoffe. Zusammen mit Zirkondioxid arbeitet es zudem in einer der wichtigsten Zukunftsbranchen: als Stabilisator von Hochtemperatur-Brennstoffzellen.