Reichelt Chemietechnik Magazin
Die „Seltenen Erden“ wirken immer ein wenig geheimnisvoll. Dazu trägt gewiss ihr Name bei, aber auch die Tatsache, dass sie im Periodensystem der chemischen Elemente eine Sonderstellung einnehmen. So kennt wahrscheinlich jeder Chemiker das Periodensystem auswendig, aber wenn es um die Seltenen Erden geht, gerät er ins Stocken. Doch dieser Eindruck trügt. Diese Elemente sind weder selten noch geheimnisvoll. Für viele Anwendungen spielen sie eine wichtige Rolle und auch im Alltag sind sie überall zu finden, vom unverzichtbaren Legierungsbestandteil für Turbinenschaufeln in Flugzeugtriebwerken bis zum winzigen Magneten in Kopfhörern.
Die gar nicht so seltenen Seltenen Erden
Als Seltene Erden bezeichnet man die Elemente der 3. Nebengruppe: Scandium (Sc) und Yttrium (Y) sowie das Lanthan (La) und die ihm folgenden vierzehn Elemente Cer (Ce), Praseodym (Pr), Neodym (Nd), Promethium (Pm), Samarium (Sm), Europium (Eu), Gadolinium (Gd), Terbium (Tb), Dysprosium (Dy), Holmium (Ho), Erbium (Er), Thulium (Tm), Ytterbium (Yb) und Lutetium (Lu). Diese Metalle werden deshalb auch „Lanthanoide“ genannt, eine ältere Bezeichnung dafür ist „Lanthanide“.
Die Seltenen Erden sind allesamt Metalle und lassen sich in leichte und schwere Seltene Erden trennen. Diese oft geübte Einteilung ist allerdings umstritten, weil sie keinerlei wissenschaftlicher Grundlage entspricht. Oftmals werden auch nur Lanthan und die Lanthanoide als Seltene Erden genannt.
Die unterschiedlichen Bezeichnungen sind teilweise historisch bedingt. Der Begriff „Seltene Erden“ ist eine Wortkürzung für „Metalle der Seltenen Erden“. Dieser Begriff ist heute allerdings obsolet. Als diese Elemente entdeckt wurden, konnten sie zuerst nur in seltenen Mineralien gefunden und nur in oxidischen Formen, damals „Erden“ genannt, isoliert werden. Heutzutage lassen sie sich hochrein gewinnen und sind vielerorts in der Erdkruste zu finden. Der Name aber ist geblieben.
Weitere Bezeichnungen sind „Seltenerdmetalle“ oder „Seltene Erdelemente“, auch als SEE abgekürzt. Dieses allgemein gebräuchliche Kürzel lehnt sich an das entsprechende englische Pendant REE für „Rare Earth Elements“ an.
Tatsächlich seltene Elemente
Promethium (Pm) stellt das einzige Element der Seltenen Erden dar, welches tatsächlich selten ist. Es hat im Periodensystem der chemischen Elemente die Ordnungszahl 61. Das natürlich vorkommende Isotop ist radioaktiv und besitzt eine Halbwertszeit von nur 2,6 Jahren. Es entsteht beim radioaktiven α-Zerfall des Isotops Europium-151, das zwar etwa die Hälfte des natürlichen Europium-Isotopengemisches ausmacht, aber die unvorstellbar lange Halbwertszeit von 1,7 Trillionen Jahren hat.
Demzufolge ist die im natürlichen Gleichgewicht ubiquitäre Promethium-Konzentration äußerst gering. Wegen seiner enorm langen Halbwertszeit von 1,7 · 1018 Jahren – im Vergleich dazu: das Alter unserer Erde beträgt „lediglich“ 4,5 · 109 Jahre – wird Europium-151 in der Literatur gewöhnlich als „stabil“ geführt.
Die Existenz eines Elementes mit der Ordnungszahl 61 war bereits von dem Russen Dmitri I. Mendelejew (1834 – 1907), der in St. Petersburg wirkte, vorausgesagt und die Entdeckung in den 1920er Jahren von mehreren Autoren beschrieben worden. Doch diese Publikationen erwiesen sich als nicht stichhaltig. Erst 1945 wurde Promethium wissenschaftlich korrekt nachgewiesen, damals allerdings noch nicht in natürlichen Vorkommen, sondern in den Reaktor-Spaltprodukten des Urans. Der Nachweis des natürlichen Vorkommens konnte erst in den späten 1950er Jahren erbracht werden, als die Strahlenmesstechnik soweit entwickelt war, das Element auch in Uranmineralien, wie in der Uran-Pechblende, zu identifizieren.
Die anderen Seltenen Erdelemente machen ihren Namen allerdings keine Ehre: Cer, Yttrium und Neodym sind in der Erdkruste häufiger zu finden als Blei oder Molybdän und das seltenste Element der Seltenen Erden, das Thulium, häufiger als Gold oder Platin. Dass es im 19. Jahrhundert in Amerika zu einem Gold- und nicht zu einem Thuliumrausch kam, liegt daran, dass größere Lagerstätten der Seltenen Erden tatsächlich kaum aufzufinden sind.
Die Elemente sind fast immer nur in sehr geringen Konzentrationen vorhanden. Auch lassen sie sich nicht wie Gold in reiner Form finden, sondern stets nur als Beimischung in anderen Mineralien. Dies erschwert ihre Gewinnung enorm.
Wenige Lagerstätten und große Belastungen
Es gibt nur sehr wenige Lagerstätten, in denen die Metalle der Seltenen Erden abgebaut werden können. China spielt hier eine wichtige Rolle, da dort die größten Vorkommen der Erde liegen. Am Wichtigsten ist hier die Bayan-Obo-Mine. Die seltenen Erdmetalle liegen dort als Fluorite vor. Die Vorkommen sind derart umfangreich, dass diese Mine zugleich auch die größte Fluorit-Lagerstätte der Erde ist.
Die Innere Mongolei beherbergt mit 2,9 Millionen Tonnen die größten Vorkommen an Seltenen Erden. Außerhalb Chinas findet sich in Australien, in der Mount Weld Mine, die größten Vorkommen. Mit 1,4 Millionen Tonnen sind sie allerdings nur halb so groß wie die in China. Für den Abbau bietet Grönland eine interessante Perspektive. Dort wurden Vorkommen von 2,6 Millionen Tonnen gefunden, der mögliche Abbau wird jedoch noch erforscht.
Um reine Metalle erhalten zu können, müssen diese aufwendig aus den Erzen gelöst und von anderen Elementen abgetrennt werden. Dafür gibt es unterschiedliche Verfahren, zu den wichtigsten zählen die fraktionierte Kristallisation und die Nutzung von Ionenaustauschern.
Das effektivste Verfahren ist jedoch die Flüssig-Flüssig-Extraktion. Hierbei werden die in Säuren aufgeschlossenen Erze und darin gelösten Metalle mit Hilfe von organischen Komplexbildnern in eine organische Phase überführt, anschließend als Carbonate, Hydroxide oder Oxalate ausgefällt und zu Oxiden verglüht. Auch hierfür finden sich, von wenigen Ausnahmen abgesehen, die meisten Produktionsstätten in China. Da Auftrennung und Reinigung der Seltenen Erden äußerst komplex und kostspielig sind, werden auch Mischmetalle eingesetzt. Dies ist möglich, da sich die Seltenen Erden in ihren Eigenschaften ähneln.
Bei der Gewinnung der Seltenen Erden kommt es zu erheblichen Belastungen für die Umwelt. Für jede Tonne, die an Seltenen Erden abgebaut wird, werden zwischen 10000 und 12000 Kubikmeter toxische und ätzende Abgase produziert. Zu diesen Abgasen zählen u.a. Fluorwasserstoff und Schwefeldioxid. Weiterhin fallen bis zu 75 Kubikmeter saure Abwässer an.
Vom Feuerzeug bis zum Nuklearreaktor
Obwohl die Metalle der Seltenen Erden so schwer zu gewinnen sind, lassen sie sich dennoch nahezu überall finden. Wenn wir uns im Fernsehen eine spannende Serie anschauen, sorgt Europium für die Rotkomponente im Plasmabildschirm, auch Lanthan wird hier verwendet. Neodym, Praseodym und Samarium werden bevorzugt für Dauermagneten eingesetzt und stecken in Diktiergeräten oder Kopfhörern. Für die Anwendung in Lasern werden Neodym, Terbium und Dysprosium eingesetzt.
Eine große Rolle spielen die Seltenen Erden im Bereich der Elektromotoren und Batterien und sind damit essentiell für die Elektromobilität. Praseodym und Neodym werden für Elektromotoren verwendet, Lanthan wird heute schon für die Nickel-Metallhydrid-Akkus in Elektro- oder Hybridautos genutzt. Wer raucht und immer ein Feuerzeug dabei hat, wird vielleicht überrascht sein, dass auch hier Seltene Erden enthalten sind. Der Hauptbestandteil des Feuersteins ist Cer, welches als Oxid auch in selbstreinigenden Öfen genutzt wird.
Weil die Seltenen Erden in so unterschiedlichen Anwendungen zu finden sind, steigt auch ihr Bedarf immer weiter an. Da die Lagerstätten stark begrenzt sind, spielen diese auch eine wichtige wirtschaftliche Rolle. Auch das Recycling dieser Metalle aus Elektroschrott ist eine Möglichkeit, um die Metalle wirtschaftlich und ökologisch sinnvoll nutzen zu können.