SELTENERDCHEMIE. Layout Werner Kohl Auer von Welsbach Forschungs-Institut

Transkript

1

2 1784 hat alles in Ytterby/Schweden mit dem Fund eines seltenen tiefschwarzen Stein begonnen der sorgfältig mithilfe der damaligen Methoden analysiert wurde, wobei Ytteriumoxyd festgestellt und isoliert wurde. Die Chronologie der weiteren Entdeckungen der Seltenen Erden findest Du auf der nächsten Seite! Es sind dies die folgenden Elemente, in ansteigender Ordnungszahl (): Scandium (21) Yttrium (39) Lanthan (57) 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) Lutetium (71)

3

4

5 Im Laufe der Jahrzehnte hat sich dann herausgestellt, dass die Seltener-Elemente und -Verbindungen gar nicht so selten wirtschaftlich äußerst interessant ihr Vorkommen in abbauwürdigen Mengen allerdings nur auf wenige Länder beschränkt sind Der überwiegende Teil dieser Ausstellung ist den Entdeckungen, Eigenschaften, und was für uns alle von größtem Interesse ist,der wirtschaftlichen Nutzbarmachung der Seltenerd-Metalle für uns Menschen gewidmet: Einige davon siehst Du in den Vitrinen und/oder in den vielen PPP: Der Bogen reicht von der Beleuchtungs-Industrie, High-Tec-Elektronik, bis hinüber in die Hyper-Laser- und Nano-Technologie. Die Herstellungsmethoden sind teils schwierig, aufwendig, und daher nicht billig, weshalb sich mehr und mehr die Einsatzmöglichkeiten auf die Gebiete der höchsten Wertschöpfung konzentriert. Der größten Produzenten 2010 in ca. jato(reserven in t): China (35 Mio) Indien 2700 (3,1 Mio) Brasilien 700 (0,5 Mio) Malaysia 400 (0,3 Mio) Die USA, Australien und die GUS-Staaten halten die Zahlen aus strategischen Gründen geheim, verfügen aber über insgesamt geschätzte 38 Mio t Reserven Solltest Du Dich schon einmal gefragt haben, weshalb so viele Forschungs-wie Spionage-Satelliten die Erde, den Mond, den Mars umkreisen: Die dienen u.a. dazu, um mit den hochtechnologisiertestenmöglichkeiten neue Vorkommen zu finden nicht nur auf der Erde, auch am Mond war man schon fündig.. Text + Layout Werner Kohl Auer von Welsbach Forschungs- Institut

6 Layout Werner Kohl Auer von Welsbach Forschungs-Iinstitut Grafik: Wikipedia

7 Die Beschreibung dieser 4 Elemente findest Du in den jeweiligen PPP die den entsprechenden Vitrinen zugeordnet sind! Text + Layout Werner Kohl Auer von Welsbach Forschungs- Institut Foto: Peter Unfried

8 Foto: Peter Unfried

9 Foto: Peter Unfried

10 Scandium Sc Kennzahlen (Auswahl): Ordnungszahl: 21 Symbol: Sc Name (dt./engl.): Scandium (offizieller Name nach IUPAC) Gruppe: Scandiumgruppe IUPAC-Gruppe: 3 (alte Nomenklatur: Gruppe III B) Periode: 4 Masse (gerundet): 44,956 u Entdecker: Nilson Entdeckungsjahr: 1879 Vorkommen: natürlichhäufigkeit: 5, % (prozentualer Massenanteil der Erdhülle, d.h. der Erdkruste/Ozeane bis 16 km Tiefe) CAS-Nummer: Dichte: 2,985 g/cm 3 Mohshärte: 2,5 Schmelzpunkt: 1814 K (1541 C) Siedepunkt: 3103 K (2830 C) Grafik: Wikipedia Text: + wikipedia

11 Scandium Sc Verwendung (Auswahl): wobei schon Spurenanteile von Sc reichen: Seine Hauptanwendung findet Scandium als Scandiumiodid in Hochleistungs- Hochdruck- Quecksilberdampflampen, beispielsweise zur Stadionbeleuchtung. In Kombination mit Holmiumund Dysprosiumentsteht ein dem Tageslicht ähnliches Licht. Für die Herstellung von Laserkristallen. Magnetischen Datenspeichern wird Scandiumoxidzur Erhöhung der Ummagnetisierungsgeschwindigkeit zugesetzt. als Scandiumchlorid in Mikromengen als Co- Katalysator bei der Chlorwasserstoffherstellung Als Legierungszusatz zur Stabilisierungdes Eutektikums und der Kornfeinheit. In speziellen Aluminium- Lithium- Legierung mit geringem Scandiumzusatz zur Herstellung von ultraleichten Kampfflugzeug-Teilen. Für die Herstellung ultra-leichter Zweiräder im Sportund Touristik-Bereich. Grafik: Wikipedia Text: wk/wikipedia

12 Lanthan La Kennzahlen (Auswahl): Ordnungszahl: 57 Symbol: La Name (deutsch):lanthan(englisch):lanthanum(offizieller Name nach IUPAC) Gruppe: Lanthanoide Periode: 6 Masse (gerundet): 138,91 u Entdecker: Mosander Entdeckungsjahr: 1839 Vorkommen: natürlichhäufigkeit:2, %(prozentualer Massenanteil der Erdhülle, d.h. der Erdkruste/Ozeane bis 16 km Tiefe) CAS-Nummer : Dichte: 6,17 g/cm 3 (20 C) Mohshärte: 2,5 Schmelzpunkt: 1193 K (920 C) Siedepunkt: 3743 K (3470 C) Grafik: Wikipedia Text: + wikipedia

13 Lanthan La Verwendung (Auswahl) Als Bestandteil im Mischmetall In Zündsteinenmit 25 bis 45 GEW-% Als Reduktionsmittel in der Metallurgie Als Gusseisenzusatzunterstützt es die Bildung von Kugelgraphit Verbesserung die Oxidationsbeständigkeitvon Legierugen La reduziert die Härte und Temperaturempfindlichkeit von Molybdän Lanthanborid(LaB 6 ) als Ersatz für Wolframdraht für Kathoden-Herstellung Für die Herstellung hochwertiger optischer Linsen mit hohem Brechungsindex für die Optik (Kameras, Mikroskope, etc.) Grafik: Wikipedia Text:

14 Prometium Pm Kenndaten (Auswahl): Ordnungszahl: 61 Symbol: Pm Name (dt./engl.):promethium(offizieller Name nach IUPAC) Gruppe: Lanthanoide Periode: 6 Masse (circa): 144,9127 u (kein zuverlässiger Messwert verfügbar) Entdecker: Marinsky Entdeckungsjahr: 1945 Vorkommen: entsteht durch natürliche radioaktive Zerfallsprozesse Häufigkeit: 1, %(prozentualer Massenanteil der Erdhülle, d.h. der Erdkruste/Ozeane bis 16 km Tiefe) CAS-Nummer: Anzahl instabiler Isotope: 14 Schmelzpunkt: 1315 K (1042 C ) Siedepunkt: 3273 K (3000 C) Dichte: 7,26 g/cm 3 Grafik: Wikipedia Text: + wikipedia

15 Samarium Sm Kenndaten (Auswahl): Ordnungszahl: 62 Symbol: Sm Name (dt./engl.): Samarium (offizieller Name nach IUPAC) Gruppe: Lanthanoide Periode: 6 Masse (gerundet):150,36 u (gerundet) Entdecker: Lecoq de Boisbaudran Entdeckungsjahr: 1879 Vorkommen: natürlichhäufigkeit:6, % (prozentualer Massenanteil der Erdhülle, d.h. der Erdkruste/Ozeane bis 16 km Tiefe) CAS-Nummer: Dichte: 7,536 g/cm 3 (25 C) Schmelzpunkt: 1345 K (1072 C) Siedepunkt: 2076 K (1803 C Grafik: Wikipedia Text: + wikipedia

16 Samarium Sm Natürliches Vorkommen nur in chem. Verbindungen wie z. B. im Monazit, dort mit 1 %, Herstellung über Ionen-Austauscher und mit Hilfe metallischem Lanthan Reduktion des Samarium(III)-oxidSm 2 O 3 zum Metall Sm > 150 C heftige Selbstentzündung mit Wasser unter starker H-Bildung hydrolisiert Es existieren vier stabile und 19 instabile, radioaktive Isotope; die häufigsten natürlichen Isotope sind 152 Sm (26,7%), 154 Sm (22,7%) und 147 Sm (15%) Verwendung (Auswahl): Als Neutronen-Absorber in der Kern-Energie Als Samarium-Cobalt-oxidein Permanentmagneten: SmCo 5, Sm 2 Co 17 Als IR-Absorber in der Optik Als Katalysator für div. chem. Herstellungsprozesse Isotop 153 in der Knochenkrebs-Behandlung Foto: Wikipedia Samarium-Metall, unter Argon gelagert Text: wk/wikipedia

17 Europium Eu Kenndaten (Auswahl): Ordnungszahl: 63 Symbol: Eu Name (dt./engl.): Europium (offizieller Name nach IUPAC) Gruppe: Lanthanoide Periode: 6 Masse (gerundet): 151,96 u (gerundet) Entdecker: Demarçay Entdeckungsjahr: 1901 Vorkommen: natürlichhäufigkeit:1, % (prozentualer Massenanteil der Erdhülle, d.h. der Erdkruste/Ozeane bis 16 km Tiefe) CAS-Nummer: Dichte: 5,245 g/cm 3 (25 C) Schmelzpunkt: 1099 K (826 C) Siedepunkt: 1800 K (1527 C) Grafik: Wikipedia Text: + wikipedia

18 Europium Eu Natürliches Vorkommen in den Mineralien Monazit und Bastnäsit Herstellung aus o. a. Mineralien durch Lösemittel-Extraktion und anschließendem Ionen-Austauschen und abschließender Reduktion mit Lazum reinen Eu Eigenschaften (Auswahl): Hochreaktiv: > 150 C Selbstentzündung mit roter Flamme zum SesquioxidEu 2 O Eu ist ein Alphastrahler mit einer unvorstellbaren Halbwertszeit von ca. 1,7 Trillionen Jahren Verwendung (Auswahl): Y 2 O 2 S:Eu 3+ bildet den roten Leuchtstoff (Luminophor) in Farbbildröhren Eu-Tetracyclin-Komplexe in der Fluoreszenzspektroskopie zum Nachweis von Wasserstoffperoxid Sicherheitshinweis: Eu-Metall ist hoch-reaktiv, explosiv Eu-Verbindungen sind giftig Foto: Wikipedia hochrieines Eu-Metall Text: wk/wikipedia

19 Gadolinium Gd Kenndaten (Auswahl) Ordnungszahl: 64 Symbol: Gd Name (dt./engl.): Gadolinium (offizieller Name nach IUPAC) Gruppe: Lanthanoide Periode: 6 Masse (gerundet):157,25 u Entdecker: de Marignac Entdeckungsjahr: 1880 Vorkommen: natürlichhäufigkeit:6, % (prozentualer Massenanteil der Erdhülle, d.h. der Erdkruste/Ozeane bis 16 km Tiefe) CAS-Nummer: Dichte:7,886 g/cm 3 (25 C) Magnetismus:paramagnetisch Schmelzpunkt:1585 K(1312 C) Siedepunkt: 3523 K(3250 C) Grafik: Wikipedia Text: + wikipedia

20 Gadolinum Gd Herstellung: Nach den für Seltenerd-Mineralien wie Monazitund Bastnäsitaufwendigen Trenn-Verfahren über das Gadolinium(III)-oxidGd 2 O 3 und mit HFzum Gadolinium(III)-fluoridGdF 3, und mittels Cazum metallischem Gd reduziert Eigenschaften (Auswahl): silbrigweiß bis grauweiß glänzende Metall < 16 C ferromagnetisch HAT-Supraleiter als Ba 2 GdCu 3 O 7-x Freies Gd ist hoch toxisch und leicht entzündlich Verwendung (Auswahl): Grün nachleuchtende Oxysulfide in Radar-Bildschirmen Als Anti-Oxidanz in Fe- und Cr-Legierungen Als Gallium-Gadolinium-Granat Ga 3 Gd 5 O 12 für wiederüberbennbare CDs Foto: Wikipedia hochrieines GdMetall Text: wk/wikipedia

21 Terbium Tb Kenndaten (Auswahl) Ordnungszahl: 65 Symbol: Tb Name (dt./engl.):terbium (offizieller Name nach IUPAC) Gruppe: Lanthanoide Periode: 6 Masse (gerundet): 158,93 u Entdecker: Mosander Entdeckungsjahr:1843 Vorkommen: natürliche Häufigkeit:9, % (prozentualer Massenanteil der Erdhülle, d.h. der Erdkruste/Ozeane bis 16 km Tiefe) CAS-Nummer: Dichte 8,253 g/cm 3 (25 C) [ Schmelzpunkt 1629 K (1356 C) Siedepunkt 3503 K (3230 C) Grafik: Wikipedia Text: + wikipedia

22 Terbium Tb Herstellung: Nach aufwändiger Abtrennung der anderen Terbiumbegleiterwird das Oxid mit HFzum Terbiumfluoridumgesetzt. Anschließend wird mit Calcium unter Bildung von Calciumfluoridzum Tb reduziert. Die Abtrennung verbleibender Calciumreste und Verunreinigungen erfolgt in einer zusätzlichen Umschmelzung im Vakuum Eigenschaften (Auswahl): Bei Temperaturen oberhalb 1315 C wandelt sich α- Terbium (hcp-kristallgitter) in β-terbium um; in Luftist Terbium relativ beständig, es überzieht sich mit einer Oxidschicht. In der Flamme verbrennt es zum braunem Terbium(III,IV)-oxid(Tb 4 O 7 ). Mit Wasser reagiert es unter Wasserstoffentwicklung zum Hydroxid. Verwendung (Auswahl): Terbium-Eisen-Cobalt- oder Terbium-Gadolinium-Eisen- Cobalt-Legierungen dienen als Beschichtung auf wiederbeschreibbaren magneto-optischen (MO) Disks. Foto: Wikipedia hochrieines Tb-Metall Text: wk/wikipedia

23 Dysprosium Dy Kenndaten (Auswahl) Ordnungszahl: 66 Symbol: Dy Name (dt./engl.): Dysprosium (offizieller Name nach IUPAC) Gruppe: Lanthanoide Periode: 6 Masse (gerundet): 162,5 u Entdecker: Lecoq de Boisbaudran Entdeckungsjahr: 1886 Vorkommen: natürlichhäufigkeit:4, % (prozentualer Massenanteil der Erdhülle, d.h. der Erdkruste/Ozeane bis 16 km Tiefe) CAS-Nummer: Dichte: 8,559 g/cm 3 (25 C) Schmelzpunkt 1680 K (1407 C) Siedepunkt: 2840 K (2567 C) Grafik: Wikipedia Text: + wikipedia

24 Dysprosium Dy Herstellung: ähnlich Tb: Nach Hochvakuum-Destillation gelangt man zum hochreinen Dy Eigenschaften (Auswahl): >1384 C Umwandlung von α-dysprosium(hexagonaldichtest) in β-dysprosium(kubisch-raumzentriert) Verwendung (Auswahl): In Magneten für Windkraftanlagen mit Vanadiumzur Herstellung von Laserwerkstoffen zum Dotieren von Calciumfluorid-und Calciumsulfatkristallen für Dosimeter Terbium-und dysprosiumhaltigelegierungen zeigen eine starke Magnetostriktion und werden in der Materialprüftechnik eingesetzt. In Neodym-Eisen-Bor-Magnetenerhöht es die Koerzitivitätund erweitert den nutzbaren Temperaturbereich. verbessert das dielektrische Verhalten von Bariumtitanat für Kondensatoren Vereinzelt wird es wegen seines hohen Einfangquerschnittes für thermischen Neutronen zur Herstellung von Regelstäben in der Kerntechnik verwendet. verbessert das Emissionspektrumvon Hochleistungshalogenlampen Dysprosium-Cadmium-Chalkogenidedienen als Infrarotquellezur Untersuchung von chemischen Reaktionen. Foto: Wikipedia hochrieines Dy-Metall Text: wk/wikipedia

25 Holmium Ho Kenndaten (Auswahl) Ordnungszahl: 67 Symbol: Ho Name (dt./engl.): Holmium (offizieller Name nach IUPAC) Gruppe: Lanthanoide Periode: 6 Masse (gerundet): 164,93 u Entdecker: Cleve Entdeckungsjahr: 1879 Vorkommen:natürlichHäufigkeit:1, % (prozentualer Massenanteil der Erdhülle, d.h. der Erdkruste/Ozeane bis 16 km Tiefe) CAS-Nummer: Dichte: 8,78 g/cm 3 (25 C) Schmelzpunkt: 1734 K (1461 C) Siedepunkt: 2993 K (2720 C) Grafik: Wikipedia Text: + wikipedia

26 Holmium Ho Herstellung: Ähnlich wie Tb, Dy letzter Schritt Hochvakuum- Destillation Eigenschaften (Auswahl): Höchste Magnet-Eigenschaften aller natürlich vorkommender Elemente Ist in trockener Luft relativ gut beständig >150 C Verbrennung zum Sesquioxid Ho 2 O 3. Mit Wasser reagiert es unter Wasserstoffentwicklung zum Hydroxid. In Mineralsäuren löst es sich unter Bildung von Wasserstoff auf. Verwendung (Auswahl): Als Magnetblasenspeicher unter Verwendung von Dünnschichtlegierungen aus Ho-Fe, Ho-Ni und Ho-Co. Für Steuerstäbe in Brutreaktoren. Zur Dotierung von Y-Fe-Granat (YIG), Y-Al-Granat (YAG) und Y-La-Fluorid (YFL) für Feststofflaser Für Mikrowellenbauteile in der Medizintechnik Foto: Wikipedia hochrieines Ho-Metall Text: wk/wikipedia

27 Erbium Er Kenndaten (Auswahl) Ordnungszahl: 68 Symbol: Er Name (dt./engl.):erbium(offizieller Name nach IUPAC) Gruppe: Lanthanoide Periode: 6 Masse (gerundet):167,26 u Entdecker: Mosander Entdeckungsjahr: 1842 Vorkommen: natürlichhäufigkeit:2, % (prozentualer Massenanteil der Erdhülle, d.h. der Erdkruste/Ozeane bis 16 km Tiefe) CAS-Nummer: Dichte: 9,045 g/cm 3 (25 C) Schmelzpunkt: 1802 K (1529 C) Siedepunkt: 3141 K (2868 C Grafik: Wikipedia Text: + wikipedia

28 Erbium Er Herstellung: Ähnlich wie Tb, Dy, Ho über das Fluorid letzter Schritt Hochvakuum-Destillation Eigenschaften (Auswahl): Er läuft an der Luft grau an, ist aber gut beständig. Bei höheren Temperaturen verbrennt es zum Sesquioxid Er 2 O 3. Mit Wasser reagiert es unter H-Entwicklung zum Hydroxid. In Mineralsäuren löst es sich unter Bildung von H auf. In seinen Verbindungen liegt es in der Oxidationsstufe +3 vor; die Er 3+ -Kationen bilden in Wasser rosafarbene Lösungen, detto die Er-Salze. Verwendung (Auswahl): Er-dotierte Lichtwellenleiter werden für optische Verstärker verwendet, die in der Lage sind, ein über Glasfasern übertragenes Lichtsignal zu verstärken, ohne es zuvor in ein elektrisches Signal zu wandeln. Gold (Au) als Wirtsmaterial dotiert mit einigen hundert ppm Er wird als Sensormaterialmagnetischer Kalorimeter zur hochauflösenden Teilchendetektionin der Physik und Technik verwendet. In der Laser-Technologie Foto: Wikipedia hochrieines Er-Metall Text: wk/wikipedia

29 Thulium Tm Kenndaten (Auswahl) Ordnungszahl: 69 Symbol: Tm Name (dt./engl.):thulium(offizieller Name nach IUPAC) Gruppe: Lanthanoide Periode: 6 Masse (gerundet): 168,93 u Entdecker: Cleve Entdeckungsjahr: 1879 Vorkommen: natürlichhäufigkeit:2, % nur in Verbindungen. Tm-haltige Minerale geringer Konzentration sind: Monazit (Ce,La,Th,Nd,Y)PO 4 (Tm-Gehalt < 0,01%) Gadolinit(Tm-Gehalt etwa 0,25%) CAS-Nummer: Dichte: 9,318 g/cm 3 (25 C) Schmelzpunkt: 1818 K (1545 C) Siedepunkt: 2223 K (1950 C Grafik: Wikipedia Text: + wikipedia

30 Thulium Tm Herstellung: Nach einer aufwändigen Abtrennung der anderen Thuliumbegleiterwird das Oxid mit Lanthan zum metallischen Threduziert. Anschließend wird das Thulium absublimiert. Eigenschaften (Auswahl): ist sehr weich, gut dehn- und schmiedbar. In trockener Luftist Threcht beständig, in feuchter Luft läuft es grau an. Bei höheren Temperaturen verbrennt es zum Sesquioxid: Mit Wasser reagiert es unter H-Entwicklung zum Hydroxid. In Mineralsäuren löst es sich unter Bildung von H auf. In seinen Verbindungen liegt es in der Oxidationsstufe +3 vor, die Tm 3+ -Kationen bilden in Wasser pastellbläulich-grüne Lösungen. Verwendung (Auswahl): 170 Tm dient als Röntgenstrahlungsquelle (Gammastrahler in der Materialprüfung) In der Laser-Technologie Foto: Wikipedia hochrieines Tm-Metall Text: wk/wikipedia