Die meisten von uns verwenden täglich Seltenerdelemente - ohne es zu wissen. Diese wenig bekannten und faszinierenden Elemente ermöglichen eine moderne Elektronik.
Eine Handvoll Europium. Bild über Alchemist-HP.
Von Stanley Mertzman, Franklin & Marshall College
Die meisten Amerikaner verwenden täglich Elemente der Seltenen Erden - ohne es zu wissen oder etwas darüber zu wissen, was sie tun. Das könnte sich ändern, da diese ungewöhnlichen Materialien im eskalierenden Handelskrieg zwischen den USA und China zum Mittelpunkt werden.
Stanley Mertzman, ein Geologe, der sich auf die Röntgenanalyse von Gesteinen und Mineralien zur Bestimmung ihrer chemischen Zusammensetzung spezialisiert hat und am Franklin & Marshall College Mineralogie lehrt, beantwortet vier Fragen zu diesen wenig bekannten und faszinierenden Elementen - und der modernen Elektronik, die sie herstellen möglich.
1. Was sind Seltenerdelemente?
Genau genommen handelt es sich um Elemente wie andere Elemente des Periodensystems - wie Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff - mit den Ordnungszahlen 57 bis 71. Es gibt zwei andere Elemente mit ähnlichen Eigenschaften, die manchmal in Gruppen zusammengefasst werden, aber die wichtigsten Elemente der Seltenen Erden sind diese 15. Um das erste Lanthan herzustellen, beginnen Sie mit einem Bariumatom und fügen Sie ein Proton und ein Elektron hinzu. Jedes aufeinanderfolgende Seltenerdelement fügt ein weiteres Proton und ein weiteres Elektron hinzu.
Ein Elektronendiagramm eines Bariumelements, das letzte Element vor den Lanthaniden-Seltenerdelementen. Bild über Greg Robson und Pumbaa.
Ein Elektronendiagramm eines Lanthanatoms mit einem Elektron mehr im fünften Orbital als Barium. Bild über Greg Robson und Pumbaa.
Cer hat ein Elektron mehr im fünften Orbital und eines mehr im vierten als Barium. Bild über Greg Robson und Pumbaa.
Es ist bezeichnend, dass es 15 Seltenerdelemente gibt: Chemiestudenten erinnern sich vielleicht, dass sich Elektronen, wenn sie einem Atom hinzugefügt werden, in Gruppen oder Schichten sammeln, die als Orbitale bezeichnet werden und konzentrischen Kreisen eines Ziels um das Bullauge des Kerns gleichen.
Der innerste Zielkreis eines Atoms kann zwei Elektronen enthalten. Hinzufügen eines dritten Elektrons bedeutet Hinzufügen eines im zweiten Zielkreis. Dort gehen auch die nächsten sieben Elektronen hin - danach müssen die Elektronen in den dritten Zielkreis gelangen, der 18 halten kann. Die nächsten 18 Elektronen gehen in den vierten Zielkreis.
Dann wird es merkwürdig. Obwohl im vierten Zielkreis noch Platz für Elektronen ist, gehen die nächsten acht Elektronen in den fünften Zielkreis. Und trotz mehr Platz im fünften gehen die nächsten beiden Elektronen danach in den sechsten Zielkreis.
Dann wird das Atom zu Barium, Ordnungszahl 56, und die leeren Stellen in früheren Zielkreisen beginnen sich zu füllen. Das Hinzufügen eines weiteren Elektrons - um Lanthan, das erste in der Reihe der Seltenerdelemente, herzustellen - fügt dieses Elektron in den fünften Kreis ein. Durch Hinzufügen eines weiteren, um Cer zu bilden, Ordnungszahl 58, wird dem vierten Kreis ein Elektron hinzugefügt. Beim Herstellen des nächsten Elements, Praseodym, wird das neueste Elektron im fünften bis vierten Kreis verschoben und ein weiteres hinzugefügt. Von dort aus füllen zusätzliche Elektronen den vierten Kreis.
In allen Elementen haben die Elektronen im äußersten Kreis einen großen Einfluss auf die chemischen Eigenschaften des Elements. Da die Seltenen Erden identische äußerste Elektronenkonfigurationen aufweisen, sind ihre Eigenschaften ziemlich ähnlich.
2. Sind Seltenerdelemente wirklich selten?
Nein. Sie kommen in der Erdkruste viel häufiger vor als viele andere wertvolle Elemente. Selbst die seltenste seltene Erde, Thulium mit der Ordnungszahl 69, ist 125-mal häufiger als Gold. Und die am wenigsten seltene Seltene Erde Cer mit der Ordnungszahl 58 ist 15.000-mal häufiger als Gold.
Das seltenste Seltenerdelement, Thulium. Bild über Jurii.
In gewisser Hinsicht sind sie jedoch selten - Mineralogisten würden sie als "verstreut" bezeichnen, was bedeutet, dass sie größtenteils in relativ geringen Konzentrationen über den Planeten verteilt sind. Seltene Erden kommen häufig in seltenen magmatischen Gesteinen vor, die Karbonatite genannt werden - nicht so häufig wie Basalt aus Hawaii oder Island oder Andesit vom Mount St. Helens oder dem Vulkan Fuego in Guatemala.
Es gibt einige Regionen mit vielen Seltenen Erden - und dies hauptsächlich in China, wo mehr als 80 Prozent der weltweiten jährlichen Gesamtmenge von 130.000 Tonnen produziert werden. Australien hat ebenso wie einige andere Länder einige Gebiete. Die USA haben ein kleines Stück Land mit vielen seltenen Erden, aber die letzte amerikanische Quelle für sie, der kalifornische Bergpasssteinbruch, wurde 2015 geschlossen.
3. Wenn sie nicht selten sind, sind sie sehr teuer?
Ja ganz 2018 belaufen sich die Kosten für ein Neodymoxid mit der Ordnungszahl 60 auf 107.000 USD pro Tonne. Es wird erwartet, dass der Preis bis 2025 auf 150.000 USD steigen wird.
Europium ist sogar noch teurer - ungefähr 712.000 USD pro Tonne.
Ein Grund dafür ist, dass es chemisch schwierig sein kann, Seltenerdelemente voneinander zu trennen, um eine reine Substanz zu erhalten.
4. Wozu sind Seltenerdelemente nützlich?
In der letzten Hälfte des 20. Jahrhunderts wurde Europium mit der Ordnungszahl 63 wegen seiner Rolle als farbproduzierender Leuchtstoff in Videobildschirmen, einschließlich Computermonitoren und Plasmafernsehgeräten, stark nachgefragt. Es ist auch nützlich, um Neutronen in den Kontrollstäben von Kernreaktoren zu absorbieren.
Ein Würfel aus kleinen Neodym-Magneten. Bild über XRDoDRX.
Andere seltene Erden werden heutzutage auch häufig in elektronischen Geräten verwendet. Neodym, Ordnungszahl 60, ist beispielsweise ein leistungsstarker Magnet, der in Smartphones, Fernsehgeräten, Lasern, wiederaufladbaren Batterien und Festplatten nützlich ist. Eine kommende Version von Teslas Elektroautomotor wird voraussichtlich auch Neodym verwenden.
Die Nachfrage nach Seltenen Erden ist seit Mitte des 20. Jahrhunderts stetig gestiegen, und es gibt keine wirklichen alternativen Materialien, um diese zu ersetzen. So wichtig Seltene Erden für eine moderne technologiebasierte Gesellschaft sind und so schwierig, sie abzubauen und zu nutzen, die Zollschlacht könnte die USA an einen sehr schlechten Ort bringen und sowohl das Land als auch die Seltenen Erden selbst zu Bauern machen Dieses wirtschaftliche Schachspiel.
Stanley Mertzman, Professor für Geowissenschaften, Franklin & Marshall College
Dieser Artikel wurde ursprünglich am veröffentlicht Die Unterhaltung. Lesen Sie den Originalartikel.
Fazit: Vier Fragen zu Seltenerdelementen beantwortet.
