Als Metalle der Seltenen Erden (ugs. Seltene Erden) wird eine Gruppe von 17 chemischen Elementen des Periodensystems bezeichnet. Sie umfasst Scandium und Yttrium der 3. Nebengruppe sowie die 15 Lanthanoide. Nach den Definitionen der anorganischen Nomenklatur heißt diese Gruppe chemisch ähnlicher Elemente Seltenerdmetalle. Im Deutschen gibt es des Weiteren den Begriff Seltene Erdelemente und dazu passend das dem englischen REE () nachempfundene Akronym SEE.
mini|links|hochkant=3|Metalle der Seltenen Erden (fett umrandet) im Periodensystem der chemischen Elemente
Bezeichnung und Einteilung + Seltene-Erden-Elemente leichte(engl.: LREE) Z schwere(engl.: HREE) Z Scandium Sc 21 Yttrium Y 39 Lanthan La 57 Gadolinium Gd 64 Cer (engl.: Cerium) Ce 58 Terbium Tb 65 Dysprosium Dy 66 Praseodym Pr 59 Holmium Ho 67 Neodym Nd 60 Erbium Er 68 Promethium Pm 61 Thulium Tm 69 Samarium Sm 62 Ytterbium Yb 70 Europium Eu 63 LutetiumÖko Institut e. V. 2011: Seltene Erden – Daten & Fakten (PDF; 139 kB). Lu 71
+ Häufigkeit in Kontinental-Erdkruste (ppm) Sb. Hf. Sb. Hf. Sb. Hf. Sb. Hf. Ce 66 Pr 9,2 Er 3,5 Ho 1,3 Nd 42 Sm 7,5 Yb 3,2 Tb 1,2 La 39 Gd 6,2 Lu 0,8 Y 33 Tb 5,2 Tm 0,52 Sc 22 Eu 2,0 Pm 10−15
Die oft verwendete abgekürzte Bezeichnung Seltene Erden statt Metalle der Seltenen Erden ist missverständlich. Sie stammt aus der Zeit der Entdeckung dieser Elemente und basiert auf der Tatsache, dass sie zuerst in seltenen Mineralen gefunden und aus diesen in Form ihrer Oxide (früher „Erden“ genannt) isoliert wurden.
Entgegen ihrem Namen sind die Metalle der Seltenen Erden mit einem Anteil von 1013 bis 1015 Tonnen an der kontinentalen Erdkruste nicht wirklich gering. Eine Ausnahme stellt das extrem seltene, kurzlebige, radioaktive Promethium mit weniger als einem Kilogramm dar.
Cer ist vergleichbar mit Kupfer und Zink (60–70 ppm); Neodym, Lanthan, Yttrium und Scandium mit Cobalt und Blei (15–25 ppm). Am seltensten kommen Holmium, Terbium, Lutetium und Thulium vor, sie sind aber immer noch deutlich häufiger als Silber und Quecksilber (0,08 ppm) oder gar Gold und Platin (0,005 ppm).
Größere Lagerstätten von wirtschaftlich abbaubaren Erzen sind wiederum tatsächlich selten. Die Elemente kommen meist nur in jeweils kleinen Mengen vor, in sehr vielen weit verstreut lagernden Mineralen und als Beimischungen in anderen Mineralen. Ein Großteil der industriellen Gewinnung von Seltenerdmetallen geschieht daher als Nebenprodukt, wenn andere, stärker konzentriert vorliegende Metalle durch chemische Aufbereitung aus deren Erzen gewonnen werden.
Man unterscheidet leichte und schwere Seltene-Erdelemente; die exakte Einteilung ist strittig. In der Geochemie werden oft nur die Lanthanoide gemeint, wenn von Seltenen Erden gesprochen wird. Wegen unterschiedlicher Fraktionierungseigenschaften werden Scandium und Yttrium in der geochemischen Modellierung der Seltenen Erden nicht betrachtet.
Eigenschaften hochkant=2|mini|Alle Lanthanoide (außer dem radioaktiven Promethium) auf einen Blick Physikalische Eigenschaften Von besonderem Interesse sind die spektroskopischen Eigenschaften Seltener Erden. So weisen sie im Festkörper, im Gegensatz beispielsweise zu Halbleitern, ein diskretes Energiespektrum auf. Dies liegt an der besonderen Struktur der Elektronenhülle. Optische Übergänge finden innerhalb der 4f-Schale statt (außer bei Scandium und Yttrium), die 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, wegen der für die einzelnen Ionen der Elemente unterschiedlichen elektronischen Umgebung im Kristall (Kristallfeld), ausgesetzt. Die inhomogene Linienbreite reicht, je nach Kristall, von einigen hundert Gigahertz bis zu etwa zehn Gigahertz.
Im atomaren Zustand sind die meisten dieser Übergänge hingegen „verboten“ (siehe Verbotener Übergang). Im Festkörper hebt das Kristallfeld durch andere Übergänge diese atomaren Verbote jedoch zu einem gewissen Grad auf. Die Übergangswahrscheinlichkeiten sind dennoch gering.
Chemische Eigenschaften Die Ähnlichkeit der chemischen Eigenschaften der Seltenerd-Metalle macht ihre Trennung aufwändig und teuer. Oft genügt es, preiswertes Mischmetall einzusetzen. Es ist eine Mischung aus Seltenerd-Metallen, die bei der Aufbereitung von Seltenerd-Erzen, zum Beispiel Monazit, anfällt. Seltenerd-Metalle zählen zu den lithophilen und inkompatiblen Elementen.
Lage im Periodensystem
1H 2He 3Li 4Be 5B 6C 7N 8O 9F 10Ne 11Na 12Mg 13Al 14Si 15P 16S 17Cl 18Ar 19K 20Ca 21Sc 22Ti 23V 24Cr 25Mn 26Fe 27Co 28Ni 29Cu 30Zn 31Ga 32Ge 33As 34Se 35Br 36Kr 37Rb 38Sr 39Y 40Zr 41Nb 42Mo 43Tc 44Ru 45Rh 46Pd 47Ag 48Cd 49In 50Sn 51Sb 52Te 53I 54Xe 55Cs 56Ba 57La 58Ce 59Pr 60Nd 61Pm 62Sm 63Eu 64Gd 65Tb 66Dy 67Ho 68Er 69Tm 70Yb 71Lu 72Hf 73Ta 74W 75Re 76Os 77Ir 78Pt 79Au 80Hg 81Tl 82Pb 83Bi 84Po 85At 86Rn 87Fr 88Ra 89Ac 90Th 91Pa 92U 93Np 94Pu 95Am 96Cm 97Bk 98Cf 99Es 100Fm 101Md 102No 103Lr 104Rf 105Db 106Sg 107Bh 108Hs 109Mt 110Ds 111Rg 112Cn 113Nh 114Fl 115Mc 116Lv 117Ts 118Og
Geschichte Jahr Element/Mineral Entdecker Namensgebung 1787 Gadolinit C. A. Arrhenius Person: Johan Gadolin 1794 Yttrium Johan Gadolin Ort: Ytterby 1751 Cerit A. F. Cronstedt Planetoid: Ceres 1804 Cer J. J. Berzelius,W. von Hisinger 1839 Samarskit M. H. Klaproth,G. Rose Person: Wassili Samarski Lanthan C. G. Mosander Eigenschaft: versteckt sein 1842 Didym Eigenschaft: Zwillinge 1843 Erbiumab 1864: Terbium Ort: Ytterby Terbiumab 1864: Erbium 1878 Ytterbium de Marignac Ort: YtterbyEigenschaft: zwischenErbium und Yttrium 1879 Samarium de Boisbaudran Mineral: Samarskit Scandium L. F. Nilson Ort: Skandinavien Thulium P. T. Cleve Ort: Skandinavienalter Name: Thule Holmium Ort: Stockholm 1886 Dysprosium de Boisbaudran Eigenschaft:griech.: unzugänglich Gadolinium de Marignac Person: J. Gadolin Praseodym A. von Welsbach Eigenschaft: grüner Zwilling Neodym Eigenschaft: neuer Zwilling 1901 Europium E.-A. Demarçay Ort: Europa 1907 Lutetium G. Urbain,A. von Welsbach Ort: Paris (lat.: Lutetia) 1947 Promethium J. Marinsky,L. Glendenin,C. Coryell Sage: Prometheus
Im Jahr 1787 entdeckte Carl Axel Arrhenius, ein Leutnant der schwedischen Armee, ein ungewöhnliches Exemplar schwarzen Erzes nahe der Grube Ytterby, einer Feldspatmine.C. K. Gupta, N. Krishnamurthy: Extractive Metallurgy of Rare Earths. CRC Press, 2005, ISBN 0-415-33340-7. 1794 isolierte Johan Gadolin, ein finnischer Professor an der Universität Turku, rund 38 % einer neuen, bislang nicht beschriebenen „Erde“ (Oxid). Obwohl Arrhenius das Mineral Ytterite benannt hatte, bezeichnete es Anders Gustaf Ekeberg als Gadolinit. Kurz darauf, im Jahre 1803, isolierten der deutsche Chemiker Martin Heinrich Klaproth sowie Jöns Jakob Berzelius und Wilhelm von Hisinger in Schweden unabhängig voneinander eine ähnliche „Erde“ aus einem Erz, das 1751 Axel Frederic Cronstedt in einer Mine nahe Bastnäs in Schweden gefunden hatte. Dieses Mineral wurde Cerit und das Metall Cer benannt, nach dem damals gerade entdeckten Planetoiden Ceres.
Carl Gustav Mosander, ein schwedischer Chirurg, Chemiker und Mineraloge, führte zwischen 1839 und 1841 Versuche zur thermischen Zersetzung einer Probe aus Nitrat, die aus Cerit gewonnen war, durch. Er laugte das Produkt mit verdünnter Salpetersäure aus, identifizierte das unlösliche Produkt als Ceroxid und gewann schließlich zwei neue „Erden“ aus der Lösung, Lanthana (zu verstecken) und Didymia (Zwillingsbruder von Lanthana). Auf ähnliche Weise isolierte Mosander 1843 drei oxidische Fraktionen aus dem ursprünglichen Yttriumoxid: eine weiße (Yttriumoxid), eine gelbe (Erbiumoxid) und eine rosafarbene (Terbiumoxid).
Diese Beobachtungen führten zu einer Periode intensiver Erforschung sowohl von Ceroxid als auch von Yttriumoxid bis gut in die 1900er Jahre hinein, an der bedeutende Forscher der damaligen Zeit beteiligt waren. Es gab Doppelarbeit, ungenaue Berichte, zweifelhafte Entdeckungsansprüche und unzählige Beispiele von Verwirrung aufgrund mangelnder Kommunikationsmöglichkeiten und fehlender Charakterisierungs- und Trennmethoden.
Nach 1850 diente die neu entdeckte Spektroskopie dazu, das Vorhandensein der bekannten Elemente nachzuweisen und neue zu identifizieren. 1864 nutzte Marc Delafontaine, ein schweizerisch-amerikanischer Chemiker, die Methode, um Yttrium, Terbium und Erbium als Elemente eindeutig nachzuweisen. Er verwechselte dabei die Namen von Terbium und Erbium; der Namentausch wegen dieses Irrtums wurde nie wieder rückgängig gemacht.
1885 begann Carl Auer von Welsbach mit Untersuchungen an Didym. Zum damaligen Zeitpunkt wurde bereits vermutet, dass es sich bei diesem nicht um ein einziges Element handelte. Jedoch waren die bisherigen Anstrengungen, die einzelnen Elemente zu trennen, nicht erfolgreich gewesen. Auer wandte dabei seine Methode der fraktionierten Kristallisation an, statt eine fraktionierte Fällung. Dadurch gelang ihm die Trennung des vermeintlichen Didyms in Praseodym und Neodym. 1907 veröffentlichte er Versuchsergebnisse zur Existenz von zwei Elementen in Ytterbium, die er Aldebaranium und Cassiopeium nannte. Nach dem längsten Prioritätsstreit in der Geschichte der Chemie mit dem französischen Chemiker Georges Urbain werden diese als Ytterbium und Lutetium bezeichnet.
Growyn und Moseley entdeckten 1913 auch, dass es eine mathematisch darstellbare Beziehung zwischen der Ordnungszahl eines Elements und der Frequenz der emittierten Röntgenstrahlen an einer Antikathode des gleichen gibt. Urbain unterwarf daraufhin alle Elemente der Seltenen Erden, die in jüngster Zeit entdeckt worden waren, dem Test von Moseley und bestätigte, dass sie echte Elemente waren. Der Bereich der Elemente der seltenen Erden vom Lanthan mit der Ordnungszahl 57 bis zum Lutetium mit 71 wurde aufgestellt; nur 61 blieb weiterhin unbekannt.
1941 bestrahlten Forscher der Universität Ohio Praseodym, Neodym und Samarium mit Neutronen, Deuteronen und Alphapartikeln und erzeugten dadurch neue Radioaktivitäten, die höchstwahrscheinlich auf die des Elementes Nummer 61 zurückzuführen waren. Die Bildung von Element 61 wurde 1942 auch von Wu und Segrè beansprucht. Der chemische Nachweis gelang 1945 am Clinton Laboratory, dem späteren Oak Ridge National Laboratory, durch Marinsky, Glendenin und Coryell, die das Element durch Ionenaustauschchromatographie aus den Produkten der Kernspaltung von Uran und der Neutronen-Bombardierung von Neodym isolierten. Sie nannten das neue Element Promethium. Die theoretische Erklärung zur großen Ähnlichkeit der Eigenschaften der Metalle der Seltenen Erden und zur Maximalanzahl dieser kam erst später mit der Entwicklung der Atomtheorie.
Von 1963 bis 1995 leistete Allan Roy Mackintosh entscheidende Beiträge zum atom- und festkörperphysikalischen Verständnis der Seltenen Erden.
Vorkommen