Seltenerdmetalle

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Einleitung

Seltenerdmetalle, die chemischen Elemente der Gruppe 3 des Periodensystems – Scandium (Sc), Yttrium (Y) und Lutetium (Lu) – sowie die Lanthanoiden mit den Ordnungszahlen 57 bis 70: Lanthan (La), Cer (Ce), Praseodym (Pr), Neodym (Nd), Promethium (Pm), Samarium (Sm), Europium (Eu), Gadolinium (Gd), Terbium (Tb), Dysprosium (Dy), Holmium (Ho), Erbium (Er), Thulium (Tm) und Ytterbium (Yb).

Nähere Einzelheiten zu den Elementen sind in den jeweiligen Artikeln zu finden. Es sind weiche, relativ unedle Metalle, die bei erhöhter Temperatur leicht mit Nichtmetallen reagieren, beispielsweise mit Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff, Kohlenstoff und Halogenen. Sie sind meistens dreiwertig und kommen in der Natur gewöhnlich mit anderen Elementen aus derselben Gruppe zusammen vor („vergesellschaftet”); meist sind noch Verbindungen von Titan und Niob zugegen.

Die Bezeichnung „Seltene Erden” ist historisch bedingt und bezieht sich auf die Oxide von Metallen dieser Gruppe, aber nicht auf die Elemente selbst. Die betreffenden Oxide wurden relativ spät entdeckt, und man hielt sie daher für selten. Das gilt jedoch nicht unbedingt für die Elemente dieser Gruppe: Beispielsweise sind Cer oder Yttrium häufiger als Blei oder Arsen; und Thulium, das Seltenerdmetall mit dem geringsten Anteil an der Erdkruste, kommt sogar häufiger vor als Gold oder Platin.

Die Lanthanoiden sind – in der Reihenfolge der Ordnungszahlen im Periodensystem – die ersten Elemente, die Elektronen in einer f-Schale aufweisen (siehe Atom). Weil bei den Lanthanoiden eine innere Elektronenschale, nämlich die vierte Hauptschale, und nicht die äußere aufgefüllt wird (siehe Lanthanoiden-Kontraktion), sind ihre Außen- oder Valenzelektronen gleich, so dass sich diese Elemente chemisch kaum voneinander unterscheiden. Daher war es lange Zeit schwierig oder gar unmöglich, sie rein herzustellen.

Besonders stabil sind Elektronenkonfigurationen mit leerer 4f-Schale (Lanthan), mit halb besetzter 4f-Schale (Gadolinium) und mit voller 4f-Schale (Lutetium). Dadurch können die jeweils benachbarten Elemente – also Cer, Praseodym, Samarium, Europium, Terbium, Dysprosium, Thulium und Ytterbium – auch mit anderen Valenzen bzw. Oxidationsstufen als 3 auftreten, wenn dadurch die erwähnten Konfigurationen erreicht werden.

Das leichteste Seltenerdmetall ist das Scandium. Bei diesem wird, wie auch beim Yttrium und beim Lanthan, noch keine innere Elektronenschale aufgefüllt.

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Vorkommen

Am häufigsten kommen in der Erdkruste Cer (in den Ceriterden) und Yttrium (in den Yttererden) vor. Die bekanntesten Mineralien sind Monazit und Bastnäsit sowie – mit schwereren Seltenerdmetallen – Xenotim, Gadolinit und Euxenit. Reiche Lagerstätten finden sich auf der russischen Halbinsel Kola. Eine künstliche Quelle von einigen dieser Elemente sind abgebrannte Brennstäbe in Kernkraftwerken (siehe Atomenergie).

Bei der Gewinnung aus den Erzen müssen diese vor der chemischen Behandlung zunächst mit physikalischen Methoden angereichert werden; dabei wird die relativ hohe Dichte dieser Mineralien ausgenutzt.

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Anwendung

Das technisch wichtigste Seltenerdmetall ist das Cer, dessen Legierungen u. a. als Zündsteine in Feuerzeugen sowie als magnetische Werkstoffe, Heizleiter oder Elektrodenmaterialien in Bogenlampen dienen. Yttrium ist in einigen der neuerdings entwickelten Hochtemperatursupraleitern enthalten. Einige Seltenerdmetalle dienen als Katalysatoren, und manche werden in geringer Menge den Kristallen einiger Festkörperlaser zugesetzt. Manche Chloride von Seltenerdmetallen sind Bestandteil von Pigmenten zur Einfärbung von Gläsern oder als Aktivatoren in den Leuchtstoffen von Bildschirmen und Lampen.

Einige Salze von Seltenerdmetallen werden in der Medizin verwendet, und zwar als Antibrechmittel, zur Vorbeugung von Thrombose und als Kontrastmittel bei der Kernspintomographie.