57. Lanthan (La) - Der Beginn der Seltenen Erden

0:00 Willkommen zu einer neuen Folge von Wissensreise durch das Periodensystem der Elemente, deinem Podcast zum Entspannen, Loslassen und lernen. Wenn dir der Podcast gefällt, bewerte ihn bitte, das hilft uns, weitere Folgen zu produzieren. Kennst du schon unsere anderen Podcastreihen wie Wissensreise durch die Uhrzeit oder Wissensreise durch die Länder der Erde heute widmen wir uns einem Element. Das sich buchstäblich versteckt hielt, bevor es entdeckt wurde. Das einer ganzen heute geopolitisch hochbrisanten Elementgruppe ihren Namen gab und das in kameraobjektiven, Autobatterien und Erdölraffinerien gleichermaßen unverzichtbar geworden ist.

0:47 Lehn dich zurück, schließ die Augen und lass dich mitnehmen in die Welt von Lantern, dem Beginn der Seltenen Erden. Lantan trägt im Periodensystem das Symbol LA und die Ordnungszahl 57. Es gilt gemeinhin als das erste Element der sogenannten Lanthanoide, einer Gruppe von 15, chemisch bemerkenswert ähnlichen Metallen, die gemeinsam mit Skandium und Yttrium die Gruppe der sogenannten Seltenen Erden bilden.

1:19 Diese Bezeichnung ist historisch gewachsen, aber in der Sache irreführend. Die meisten dieser Elemente sind in der Erdkruste gar nicht selten zäher, beispielsweise ist häufiger als Kupfer und selbst lanthan kommt häufiger vor als Blei. Selten war ursprünglich vielmehr die Form, in der man diese Elemente vorfand, nämlich gebunden in seltenen Mineralien, aus denen sie sich zudem aufgrund ihrer nahezu identischen chemischen Eigenschaften nur äußerst mühsam voneinander trennen ließen.

1:53 Genau diese Trennschwierigkeit steht auch am Anfang der Entdeckungsgeschichte von Lantern. Im Jahr 1839 untersuchte der schwedische Chemiker Karl Gustav Mosander, ein Schüler und enger Mitarbeiter des berühmten Chemikers Jöns Jacob Bercelius, eine Probe des kurz zuvor entdeckten Elements zäher. Das seinerseits erst 1803 von Bercelius und dem deutschen Chemiker Martin Heinrich Klapprot unabhängig voneinander identifiziert worden war.

2:31 Mosander bemerkte, dass sich in vermeintlich reinem Keroxid noch ein weiteres, bis dahin unbekanntes Element verbarg. Durch fraktionierte Kristallisation, ein mühsames Verfahren, bei dem sich chemisch sehr ähnliche Salze anhand kleinster Löslichkeitsunterschiede schrittweise voneinander trennen lassen, gelang es ihm, diese neue Substanz zu isolieren. Da sich das Element derart hartnäckig im vermeintlich bekannten Zehr versteckt hatte, wählte Mosander für seine Entdeckung einen passenden Namen Lantan. Abgeleitet vom griechischen Wort lantan ein, was so viel bedeutet wie verborgen sein oder sich verstecken. Die Ironie der Geschichte wollte es, dass auch das von Mosander isolierte Lantan selbst noch

3:21 nicht chemisch rein war. Erst Jahrzehnte später stellte sich heraus, dass in seiner Probe ein weiteres, ebenfalls verborgenes Element steckte, das Mosander Didym. Nannte, was auf griechisch Zwilling bedeutet, da es dem Lantern so verblüffend ähnelte, noch einmal Jahrzehnte später im Jahr 1885, gelang es dem österreichischen Chemiker Karl Auer von Welsbach schließlich zu zeigen, dass selbst dieses vermeintliche Didym in Wahrheit aus 2 weiteren, bis dahin unentdeckten Elementen bestand, die er Praseodym und Neodym nannte. Diese verschachtelte Entdeckungsgeschichte, bei der sich immer wieder neue Elemente in vermeintlich reinen Proben verbargen, ist bezeichnend für die gesamte Gruppe der Seltenen Erden und ein eindrucksvolles

4:16 Beispiel dafür, wie sehr die analytische Chemie des 19 Jahrhunderts an die Grenzen ihrer damaligen Möglichkeiten stieß. Der Grund für diese außergewöhnliche chemische Ähnlichkeit der Lanthanoide untereinander liegt in ihrer besonderen elektronischen Struktur. Bei diesen Elementen wird mit steigender Ordnungszahl schrittweise eine innenliegende Elektronenschale aufgefüllt, die sogenannte 4 f Schale, während die äußeren, chemisch entscheidenden Elektronenschalen nahezu unverändert bleiben. Da diese innere Schale das chemische Verhalten der Elemente nach außen kaum beeinflusst, verhalten sich benachbarte Lanthanoide chemisch fast identisch, was ihre Trennung selbst mit modernen Methoden

5:06 noch immer aufwendig macht. Ein damit verbundenes Phänomen ist die sogenannte Lanthanoidenkontraktion. Mit zunehmender Ordnungszahl innerhalb der Reihe schrumpft der Atomradius der Elemente entgegen, der eigentlich in zu erwartenden Tendenz leicht. Ein Effekt, der sich bis weit in die nachfolgenden Übergangsmetalle des Periodensystems auswirkt und beispielsweise erklärt, warum sich die Elemente Zirkonium und Hafnium chemisch so verblüffend ähnlich sind, obwohl eine ganze Periode zwischen ihnen liegt.

5:44 Lanthan selbst ist chemisch und physikalisch ein typischer Vertreter dieser Elementgruppe. Es handelt sich um ein weiches, silbrig weißes Metall, das sich mit einem einfachen Messer schneiden lässt und an feuchter Luft binnen kurzer Zeit anläuft und sich mit einer grauen Oxidschicht überzieht. In reinem Sauerstoff kann Lanthan sogar von selbst zu brennen beginnen. Und mit Wasser reagiert es unter Bildung von Lantanhydroxid und Wasserstoffgas, wenn auch weniger heftig als die benachbarten Erdalkali oder Alkalimetalle. Aus diesem Grund wird reines Lantan üblicherweise unter Mineralöl oder in einer Schutzgasatmosphäre gelagert, Lantan besitzt zudem nur ein einziges wirklich stabiles Isotop lantan 139.

6:40 Das mit einem Anteil von rund 99,9% das natürlich vorkommende Element nahezu vollständig ausmacht. Daneben existiert in winzigen Spuren das extrem langlebige radioaktive Isotop Lantan 138, dessen Halbwertszeit mit rund 105 Milliarden Jahren. Die Existenz des gesamten bisherigen Universums um ein Vielfaches übersteigt und das damit zu den am langsamsten zerfallenden radioaktiven Isotopen überhaupt zählt. Wenden wir uns nun den praktischen Anwendungen zu, die Lantern trotz seines eher unscheinbaren Rufs zu einem der wirtschaftlich bedeutendsten Seltenerdmetalle machen. Eine der wichtigsten Anwendungen findet sich in der Erdölraffination, genauer gesagt beim sogenannten katalytischen Cracken.

7:36 Einem zentralen Verfahren, bei dem schwere, Langkettige Erdölfraktionen in leichtere, wirtschaftlich wertvollere Produkte wie Benzin umgewandelt werden. Die dabei eingesetzten Katalysatoren bestehen häufig aus speziellen, mit Lantern angereicherten Zeolithen feinporigen kristallinen Mineralien, deren Struktur die gewünschten chemischen Reaktionen gezielt begünstigt.

8:05 Lanthan trägt in diesen Katalysatoren entscheidend dazu bei, die Stabilität und Aktivität des Katalysator Materials bei den hohen Temperaturen des Crackprozesses zu erhalten, wodurch weltweit ein erheblicher Anteil des gesamten Lanthanverbrauchs allein auf die Erdölindustrie entfällt. Auch in der Batterietechnologie hat Lanthan über viele Jahre hinweg eine bedeutende Rolle gespielt. Nickel metallhydrid Akkumulatoren, wie sie insbesondere in den ersten Generationen von Hybridfahrzeugen, etwa dem frühen Toyota Prius, sowie in vielen Wiederaufladbaren Haushaltsbatterien zum Einsatz kamen, enthalten in ihrer negativen Elektrode häufig eine spezielle Legierung aus Lantern und anderen Seltenerdmetallen, das sogenannte Mischmetall.

8:56 Diese Legierung besitzt die bemerkenswerte Eigenschaft, Wasserstoffatome reversibel in ihrer Kristallstruktur einzulagern und wieder abzugeben. Ein Vorgang, der dem eigentlichen Lade und Entladeprozess der Batterie zugrunde liegt. Mit dem zunehmenden Aufstieg der Lithium Ionen Technologie hat die Bedeutung der Nickel Metallhydrid Technologie in den vergangenen Jahren zwar spürbar abgenommen.

9:25 In bestimmten Anwendungsbereichen, etwa bei besonders sicherheitsrelevanten oder kostensensiblen Anwendungen, spielt sie jedoch weiterhin eine Rolle. Eine weitere bedeutende Anwendung findet sich in der optischen Industrie, lantanoxid wird gezielt zu speziellen Glasschmelzen hinzugefügt, um sogenanntes Lantanglas herzustellen, das. Das sich durch einen außergewöhnlich hohen Brechungsindex bei gleichzeitig geringer Dispersion, also geringer Farbaufspaltung des Lichts, auszeichnet. Diese Kombination von Eigenschaften macht Lantanglas zu einem geschätzten Material für hochwertige optische Linsen, wie sie in professionellen Kameraobjektiven, Ferngläsern, Mikroskopen und wissenschaftlichen Präzisionsinstrumenten verwendet

10:18 werden. Renommierte Objektivhersteller setzen bis heute gezielt auf lanternhaltige Glassorten, um Abbildungsfehler wie die sogenannte chromatische Aberration, bei der unterschiedliche Lichtwellenlängen unterschiedlich stark gebrochen werden und dadurch farbsäume in Bildern entstehen, wirksam zu reduzieren. Auch die Beleuchtungstechnik profitierte lange Zeit von Lantern und Verwandten selten Erdmetallen. In sogenannten Kohlebogenlampen, wie sie über weite Teile des 20. Jahrhunderts in Filmprojektoren, Suchscheinwerfern sowie in Studiobeleuchtungen der Filmindustrie eingesetzt wurden, sorgten Kohlenstoff Elektroden, die mit Verbindungen aus Lentern Zerr und weiteren selten Erdmetallen dotiert waren, für ein außergewöhnlich helles der

11:12 Sonne. Ähnliches Licht bei der elektrischen Entladung zwischen den beiden Elektroden. Diese Technologie ist heute weitgehend durch modernere Leuchtmittel wie Xenon, Kurzbogenlampen und LED Technik abgelöst worden, prägte jedoch über Jahrzehnte hinweg maßgeblich das Erscheinungsbild großer Kinoprojektionen und spektakulärer Lichtinszenierungen.

11:38 Auch in der Medizin findet Lantern eine gezielte, wenn auch spezialisierte Anwendung. Lanthancarbonat wird als sogenannter Phosphatbinder bei Patientinnen und Patienten mit chronischer Nierenerkrankung eingesetzt, insbesondere bei jenen, die auf eine Dialysebehandlung angewiesen sind, da die erkrankten Nieren überschüssiges Phosphat aus der Nahrung nicht mehr ausreichend ausscheiden können.

12:06 Würde sich dieses im Körper gefährlich anreichern und unter anderem zu einer schädlichen Verkalkung von Blutgefäßen führen können? Lantan Carbonat bindet das mit der Nahrung aufgenommene Phosphat bereits im Verdauungstrakt und verhindert dadurch dessen Aufnahme in den Blutkreislauf, wodurch es Betroffenen hilft, ihren Phosphatspiegel innerhalb sicherer Grenzen zu halten, ohne dass das Lantan selbst dabei nennenswert vom Körper aufgenommen wird. Da die verwendete Verbindung im Verdauungstrakt praktisch unlöslich bleibt.

12:43 Nicht zuletzt begegnet uns Lantern auch im Alltag oft, ohne dass wir es bemerken, das sogenannte Mischmetall, eine Legierung aus Zehr, Lantern und weiteren Seltenerdmetallen mit einem geringen Eisenanteil, wird traditionell für die Feuersteine in klassischen Sturmfeuerzeugen und Feuerzeugen verwendet.

13:06 Wird ein solcher Feuerstein mechanisch angeritzt, lösen sich winzige, extrem reaktionsfreudige Metallpartikel, die beim Kontakt mit der Umgebungsluft aufgrund ihrer hohen Reaktionsfreudigkeit spontan Funken erzeugen. Ein einfaches, aber verlässliches physikalisches Prinzip, das seit mehr als einem Jahrhundert nahezu unverändert genutzt wird. Kommen wir nun zu jenem Aspekt der Lantan und die gesamte Gruppe der Seltenen Erden in den vergangenen Jahren verstärkt in den Fokus der weltweiten Öffentlichkeit gerückt hat. Ihre geopolitische und wirtschaftliche Bedeutung. Obwohl selten Erdmetalle, wie eingangs erwähnt, in der Erdkruste keineswegs selten sind. Konzentriert sich ihre wirtschaftlich lohnende Förderung und vor allem ihre

14:00 Weiterverarbeitung heute auf verhältnismäßig wenige Standorte weltweit? China dominiert mit einem Anteil von deutlich über der Hälfte der weltweiten Förderung, insbesondere durch die riesigen Lagerstätten und Verarbeitungsanlagen rund um die Stadt Bao TU in. In der Inneren Mongolei seit Jahrzehnten den globalen Markt für selten Erdmetalle nahezu vollständig.

14:28 Dieses Ungleichgewicht führt regelmäßig zu politischen Spannungen, da selten Erdmetalle für zahlreiche Schlüsseltechnologien von der Elektromobilität über Windkraftanlagen bis hinzu Präzisionswaffen und Unterhaltungselektronik unverzichtbar sind. Andere bedeutende Lagerstätten, etwa die Mountain Path Mine im US amerikanischen Bundesstaat Kalifornien, wurden in den vergangenen Jahren wiederbelebt, um die weltweite Abhängigkeit von einem einzigen Förderland zu verringern.

15:02 Erschwerend kommt hinzu, dass viele selten Erdmineralien, in denen auch Lantern vorkommt, etwa monazit und Bastnesit, häufig auch geringe. Aber nicht zu vernachlässigende Mengen des radioaktiven Elements Thorium sowie Uran enthalten die Aufbereitung dieser Erze erzeugt dadurch erhebliche Mengen schwach radioaktiver Abfälle, deren umweltgerechte Entsorgung technisch aufwendig und mit erheblichen Kosten verbunden ist. In der Vergangenheit führte eine unzureichende Handhabung dieser radioaktiven Rückstände.

15:41 Insbesondere in weniger streng regulierten Fördergebieten wiederholt zu ernsthaften Umwelt und Gesundheitsproblemen in den betroffenen Regionen. Ein Umstand, der die Debatte um eine Verantwortungsvollere, stärker diversifizierte und umweltgerechtere globale Förderung seltener Erden zusätzlich befeuert. Doch Lantan ist nicht nur ein technisches Metall, sondern auch ein geologischer Erzähler.

16:08 Die Mineralien, in denen es vorkommt, monazit, Bastnesit Alanite, sind stille Archive der Erdgeschichte. Sie entstehen in magmatischen Gesteinen oft tief unter der Erdoberfläche, wo sich seltene Elemente in langsamen Jahrtausendelangen Kristallisationsprozessen anreichern. Geologen nutzen Lantan und seine Verwandten sogar als geochemische Marker.

16:36 Die Verteilung der Lantanoide in Gesteinen verrät viel über die Entstehungsbedingungen eines Magmas, über Temperatur, Druck und die chemische Zusammensetzung der ursprünglichen Schmelze. In diesem Sinne ist Lantan nicht nur ein technisches Metall, sondern auch ein Werkzeug, mit dem wir die Vergangenheit unseres Planeten lesen können, in der modernen Forschung spielt Lantan eine Rolle, die oft übersehen wird. Lantan dotierte Kristalle werden in bestimmten Lasertypen eingesetzt, insbesondere in Festkörperlasern, die extrem stabile Lichtfrequenzen erzeugen. In der Quantenoptik dienen lantanhaltige Materialien als Wirtsgitter für seltene Ionen, die als Quantenbits genutzt werden können.

17:26 Die besondere elektronische Struktur der Lanternoide ermöglicht extrem scharfe optische Übergänge. Ein Vorteil für präzise Messungen und zukünftige Quantentechnologien. Während die Welt nach neuen Wegen sucht, energieeffizienter zu nutzen, taucht Lantern immer wieder auf. In modernen Wasserstoffspeichertechnologien wird erforscht, wie lantanhaltige Legierungen Wasserstoff sicher und reversibel speichern können. Ein entscheidender Schritt für eine mögliche Wasserstoffwirtschaft auch in der Brennstoffzellentechnik wird Lantan untersucht, insbesondere in keramischen Materialien, die als Elektrolyte dienen könnten.

18:14 Die Fähigkeit des Elements, Sauerstoffionen zu transportieren, macht es zu einem Kandidaten für zukünftige Hochtemperatur Brennstoffzellen. Die Geschichte der Seltenen Erden ist voller kurioser Episoden. Im 19 Jahrhundert reisten Forscher durch Europa, um Mineralproben auszutauschen, die oft nur wenige Gramm wogen und dennoch ganze wissenschaftliche Karrieren begründeten.

18:43 Lantan war eines jener Elemente, das in winzigen Mengen in unscheinbaren Mineralien steckte, die in abgelegenen schwedischen Minen gefunden wurden. Manche dieser Minen existieren heute nicht mehr, doch ihre Namen Utabu Bastnes sind in der Chemie unsterblich, die Förderung von Lantan ist nur der erste Schritt, danach folgen chemische Trennprozesse, die oft über 100 einzelne Schritte umfassen. Die Weiterverarbeitung erfordert hochspezialisierte Anlagen, die nur wenige Länder besitzen.

19:18 China dominiert diese Prozesse, doch neue Projekte entstehen in Australien, Kanada, den USA und sogar in Europa. Die EU prüft derzeit, wie sie eine eigene Lieferkette für kritische Rohstoffe aufbauen kann, Lantern eingeschlossen. Die Gewinnung von Seltenerdmetallen ist umwelttechnisch anspruchsvoll. Die radioaktiven Begleitstoffe Thorium und Uran erfordern strenge Sicherheitsmaßnahmen, moderne Anlagen setzen zunehmend auf geschlossene Wasserkreisläufe, um Abfälle zu minimieren, Forscher arbeiten an neuen Trennverfahren, die weniger Chemikalien benötigen.

20:03 Darunter biologische Methoden, bei denen Mikroorganismen bestimmte Elemente selektiv binden können. Lantan das verborgene Element ist zu einem Symbol geworden für das Unsichtbare, das dennoch entscheidend ist in der Technik, in der Medizin, in der Forschung, überall wirkt es im Hintergrund, ohne dass wir es bemerken.

20:31 Wenn wir heute an Lantern denken, sollten wir nicht nur an ein unscheinbares Metall denken, sondern an ein Element, das die Geschichte der Chemie geprägt hat, das die moderne Technologie mitträgt und das uns lehrt, wie eng Wissenschaft, Wirtschaft und Umwelt miteinander verwoben sind. Lantern erinnert uns daran, dass selbst die verborgensten Dinge eine enorme Wirkung entfalten können.

20:59 Wenn wir sie verstehen, respektieren und verantwortungsvoll nutzen. Damit sind wir am Ende unserer erweiterten Reise durch die Welt von Lantan angekommen. Wir hoffen, dir hat dieser tiefere Blick vom verborgenen Element bis zur globalen Rohstoffpolitik gefallen, wenn dir diese Folge gefallen hat, lass uns gerne eine Bewertung da bis zur nächsten Folge bleib neugierig.