58. Cer (Ce) – Der Feuerstein der Moderne

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0:27 Widmen wir uns einem Element, das nach einem Zwergplaneten benannt wurde, das einst ganze Städte mit Gas betriebenem Licht erstrahlen ließ und das bis heute in jedem Feuerzeug funken schlägt. Lehn dich zurück, schließ die Augen und lass dich mitnehmen in die Welt von CER, dem Feuerstein der moderne CER trägt im Periodensystem das Symbol C und die Ordnungszahl Eichel 58. Es gehört zur Gruppe der Lanthanoide und damit zur größeren Familie der Seltenen Erden, jener 15, chemisch eng verwandten Metalle, die gemeinsam mit Skandium und Ytrium diese Elementgruppe bilden. Innerhalb dieser Familie kommt Cer eine besondere Stellung zu. Es ist mit einem Anteil von rund 68 Gramm pro Tonne Erdkruste nicht nur das häufigste aller

1:25 selten erdmetalle, sondern übertrifft in seiner natürlichen Häufigkeit sogar bekannte Alltagsmetalle wie Kupfer, was die Bezeichnung selten bei dieser Elementgruppe einmal mehr als historisches Missverständnis entlarvt. Entdeckt wurde CER im Jahr 1803. Nahezu zeitgleich und unabhängig voneinander von 2 Forschergruppen in Schweden gelang es dem Chemiker Jöns Jacob Bercelius gemeinsam mit dem Bergbauunternehmer und Amateurchemiker Wilhelm Hiesinger, das neue Element in einem Mineral aus der Grube Bastnes nachzuweisen, jenem Fundort, der später auch dem Mineral Bastnesit seinen Namen geben sollte, einem der bis heute wichtigsten Erze für die Gewinnung.

2:14 Von seltenen Erden zur selben Zeit identifizierte auch der deutsche Chemiker Martin Heinrich Klapproth in Berlin. Unabhängig von seinen schwedischen Kollegen dasselbe neue Element in einer ähnlichen Mineralprobe. Bei der Namensgebung entschieden sich Bercelius und Hiesinger für einen astronomischen Bezug. Nur 2 Jahre zuvor im Jahr 1801.

2:42 Hatte der italienische Astronom Giuseppe Piazzi den Zwergplaneten Ceres entdeckt, benannt nach der römischen Göttin des Ackerbaus, der zu jener Zeit noch als vollwertiger Planet galt. In Anlehnung an diese aktuelle astronomische Sensation tauften die Forscher ihr neues Element cer, eine Tradition, die kurz zuvor bereits beim Element Uran begonnen hatte. Das nach dem ebenfalls neu entdeckten Planeten Uranus benannt worden war.

3:14 Chemisch unterscheidet sich CER in einem entscheidenden Punkt von den meisten seiner Verwandten innerhalb der Lanthanoide während die überwiegende Mehrheit der Seltenerdmetalle in ihren Verbindungen fast ausschließlich die Oxidationsstufe Plus 3 annimmt, ist Cer eines von nur wenigen Lanthanoiden, das stabil.

3:37 Auch in der Oxidationsstufe Plus 4 Auftreten kann. Dieser Umstand lässt sich mit der besonderen Elektronenkonfiguration von CER erklären. Durch die Abgabe eines vierten Elektrons erreicht das CER ION eine energetisch besonders günstige, vollständig leere 4 f Schale, ein Zustand, der chemisch überdurchschnittlich stabil ist. Diese Fähigkeit.

4:07 Zwischen den Oxidationsstufen plus 3 und plus 4 vergleichsweise leicht zu wechseln, verleiht CER eine chemische Vielseitigkeit, die viele seiner wichtigsten technischen Anwendungen erst ermöglicht, wie wir gleich noch ausführlich hören, werden in reiner metallischer Form ist CER ein weiches. Silbrig graues, stark reaktionsfreudiges Metall, das an der Luft rasch anläuft und sich mit einer Oxidschicht überzieht.

4:40 Besonders bemerkenswert ist die Neigung von fein verteiltem Zerspanntem Zehr spontan funken zu schlagen, sobald es mechanisch beansprucht wird. Eine Eigenschaft, die als Pyrophorie bezeichnet wird und die für eine der bekanntesten Alltagsanwendungen von Zehr von zentraler Bedeutung ist, auf die wir gleich noch zu sprechen kommen.

5:02 Aufgrund seiner Reaktionsfreudigkeit wird reines Zehr. Ähnlich wie viele andere selten Erdmetalle üblicherweise unter Mineralöl oder Schutzgas gelagert, kommen wir nun zu jenem Kapitel der Cer Geschichte, das dem heutigen Element seinen Beinamen als Feuerstein der Moderne eingebracht hat und das untrennbar mit dem Namen des österreichischen Chemikers Karl Auer von Welsbach verbunden ist. Auer von Welsbach, der bereits durch die Entdeckung der Elemente Praseodym und Neodym im Jahr 1885 international bekannt geworden war, entwickelte im Jahr 1891 eine bahnbrechende Erfindung, die als Auerglühstrumpf oder Gasglühkörper in die Geschichte der Beleuchtungstechnik einging. Dabei handelte es sich um ein

5:57 feines, netzartiges Gewebe. Das mit einer Mischung aus überwiegend thoriumoxid und einem geringen Anteil, meist rund einem Prozent Zeroxid getränkt war, wurde dieses Gewebe über eine offene Gasflamme gehalten, verbrannte das ursprüngliche Textilmaterial rückstandslos, sodass ein extrem feines, Formstabiles Keramikgerüst zurückblieb, das durch die Hitze der Gasflamme zum hellen Glühen angeregt wurde. Der geringe Anteil an Zeroxid war dabei entscheidend, um die Lichtausbeute des Glühstrumpfs deutlich zu erhöhen. Diese Erfindung revolutionierte die Gasbeleuchtung, die zu jener Zeit durch die aufkommende elektrische Glühlampe bereits unter erheblichen Konkurrenzdruck geraten war. Und verlängerte deren

6:50 wirtschaftliche Lebensdauer in vielen Städten und Haushalten um weitere Jahrzehnte, bevor sich die elektrische Beleuchtung endgültig durchsetzte. Doch Auer, von Welsbachs vielleicht folgenreichste Erfindung im Zusammenhang mit Zehr sollte erst wenige Jahre später folgen, im Jahr 1903 entwickelte er eine Legierung aus Zehr und Eisen.

7:16 Die er nach sich selbst Auermetall nannte und die heute meist als Ferrozer oder Zerreisen bezeichnet wird. Diese Legierung besitzt die bemerkenswerte Eigenschaft beim Anreißen mit einer harten, rauen Oberfläche eine Vielzahl winziger, extrem heißer metallspäne Abzuschaben, die aufgrund der bereits erwähnten Pyrophorie des enthaltenen Zehrs beim Kontakt mit der Umgebungsluft spontan zu funken beginnen und. Und dabei Temperaturen von weit über 1000 Grad Celsius erreichen können.

7:54 Genau dieses physikalische Prinzip steckt bis heute im sogenannten Feuerstein klassischer Sturmfeuerzeuge in modernen Gasfeuerzeugen sowie in den sogenannten Ferrozerium Feuerstählen, die etwa in der Outdoor Ausrüstung zum Entfachen von Lagerfeuern eingesetzt werden. Die scheinbar unscheinbare, alltägliche Handlung des Feuerzeugbetätigens beruht damit auf genau jener chemischen Eigenschaft, die dem heutigen Element seinen Namen als Feuerstein der Moderne verliehen hat.

8:28 Mehr als ein Jahrhundert nach ihrer ursprünglichen Entdeckung. Neben dieser bekannten Alltagsanwendung hat sich CER im Laufe des 20 und 21 Jahrhunderts zu einem der wirtschaftlich bedeutendsten Industriemetalle unter den Seltenen Erden entwickelt, wobei genau jene Fähigkeit zwischen den Oxidationsstufen plus 3 und plus 4 zu wechseln, in nahezu allen modernen Anwendungen die zentrale Rolle spielt.

9:00 Die vielleicht wichtigste dieser Anwendungen findet sich im Innern nahezu jedes modernen Benzinfahrzeugs, dem 3 Wege Katalysator. In diesen Abgaskatalysatoren wird Zerdioxid als sogenannter Sauerstoffspeicher eingesetzt, herrscht im Motor kurzzeitig ein Sauerstoffüberschuss, nimmt das Zerdioxid zusätzlichen Sauerstoff auf und wandelt sich dabei chemisch um. Herrscht hingegen kurzzeitig Sauerstoffmangel, gibt dieselbe Verbindung den zuvor gespeicherten Sauerstoff wieder ab.

9:37 Auf diese Weise gleicht Terdioxid die im realen Fahrbetrieb unvermeidlichen kurzfristigen Schwankungen des Luft Kraftstoff Gemisches aus und stellt sicher, dass die eigentlichen katalytisch aktiven Edelmetalle im Katalysator meist Platin, Palladium und Rhodium. Kontinuierlich unter optimalen Bedingungen arbeiten können, wodurch die Schadstoffumwandlung deutlich effizienter wird. Eine ganz ähnliche, aber umgekehrte Anwendung findet sich in der Glasindustrie, wo Serverbindungen gleich in 2 gegensätzlichen Funktionen zum Einsatz kommen. Einerseits wird Ceroxid gezielt zur Entfärbung von Glas genutzt. Rohglas enthält häufig geringe Mengen an Eisenverunreinigungen, die dem fertigen Glas einen

10:28 unerwünschten, meist grünlichen Farbstich verleihen. Serverbindungen können diese Eisenverunreinigungen chemisch in eine Form überführen, die für das sichtbare Licht weniger stark absorbierend wirkt, wodurch das Glas deutlich klarer und farbloser erscheint. Andererseits wird Zerdioxid gezielt in Fahrzeugscheiben und in bestimmten Sonnenbrillengläsern eingesetzt, um ultraviolette Strahlung effektiv herauszufiltern, was nicht nur dem Schutz der Augen dient, sondern auch verhindert, dass sich das Glas unter langfristiger UV Einstrahlung bräunlich verfärbt.

11:08 Ein Alterungseffekt, der als Solarisation bezeichnet wird. Auch bei der Herstellung besonders hochwertiger optischer Oberflächen spielt Cer eine zentrale Rolle. Feinstes Ceroxidpulver zählt seit Jahrzehnten zum bevorzugten Poliermittel für die Fertigung optischer Linsen, Spiegel und Computerchip Wafer im Vergleich zu älteren Poliermitteln auf Eisenoxidbasis, dem sogenannten Polierrot.

11:40 Erzielt Ceroxid nicht nur eine deutlich glattere, präzisere Oberfläche, sondern beruht zudem auf einem chemischen Zusatzmechanismus während des Polierprozesses, geht das Ceroxid direkt chemische Bindungen mit der Glasoberfläche ein, wodurch der Materialabtrag gleichmäßiger und kontrollierter erfolgt als bei einer rein mechanischen Politur.

12:05 Diese Technik ist bis heute der Industriestandard für die Herstellung hochpräziser optischer Komponenten von Brillengläsern bis hinzu den empfindlichen Linsensystemen astronomischer Teleskope. In der chemischen Analytik hat sich Cher außerdem als wertvolles Werkzeug etabliert. Aufgrund seines klar definierten und gut kontrollierbaren Wechsels zwischen den Oxidationsstufen plus 3 und plus 4 wird CER in Form von Cer, Ammoniumsulfat oder verwandten Verbindungen häufig als sogenanntes Oxidationsmittel in der Maßanalytischen Chemie eingesetzt, bei der sogenannten Cerimetrie. Bei dieser Analysemethode lässt sich die Konzentration bestimmter reduzierender Substanzen in einer Probe präzise über die exakt messbare

12:58 Menge an Zärionen bestimmen, die zur vollständigen Reaktion benötigt wird. Ein Verfahren, das in industriellen Qualitätskontrollen sowie in analytischen Laboren bis heute breite Anwendung findet, auch in der Grundlagenforschung zu erneuerbaren Energietechnologien spielt Cer. Eine zunehmend wichtige Rolle cerdioxid, häufig in Kombination mit Zirkoniumoxid, wird als Elektrolytmaterial in sogenannten Festoxid Brennstoffzellen erforscht und eingesetzt, jenen hochtemperatur Brennstoffzellen, die chemische Energie aus Wasserstoff oder anderen Brenngasen direkt und mit hohem Wirkungsgrad in elektrische Energie umwandeln können.

13:47 Die besondere Kristallstruktur von Cerdioxid ermöglicht dabei einen effizienten Transport von Sauerstoffionen durch das Material. Ein physikalisches Prinzip, das dem Funktionsmechanismus solcher Brennstoffzellen zugrunde liegt. Auch in der medizinischen Forschung gibt es einen vergleichsweise jungen, aber vielversprechenden Anwendungsbereich für Cer, sogenannte Nano ceria, also cerdioxid Nanopartikel. Diese winzigen Partikel besitzen die bemerkenswerte Fähigkeit, aufgrund ihres reversiblen Wechsels zwischen den Oxidationsstufen von Cher wiederholt schädliche reaktive Sauerstoffverbindungen im Körper abzufangen und dadurch als eine Art künstliches Antioxidans zu wirken. Forschende untersuchen derzeit

14:39 intensiv, inwiefern sich diese Eigenschaft therapeutisch nutzen ließe. Etwa zum Schutz von Nervenzellen bei degenerativen Erkrankungen oder zur Behandlung entzündlicher Prozesse. Wenngleich sich die meisten dieser Ansätze bislang noch in einem frühen experimentellen Forschungsstadium befinden und eine breite klinische Anwendung noch aussteht. Nicht zuletzt fand Cerdioxid auch als Bestandteil der katalytisch beschichteten Innenwände, sogenannter Selbstreinigender Backöfen, Verwendung, bei denen die katalytische Wirkung des Cerdioxids dabei hilft, bei normalen Backtemperaturen anfallende Fettspritzer kontinuierlich chemisch zu zersetzen, ohne dass ein separater Energieintensiver Reinigungszyklus mit sehr hohen Temperaturen notwendig wird.

15:33 Wie es bei rein pyrolytischen Selbstreinigungssystemen der Fall ist, auch die Umweltverträglichkeit von Serverbindungen wurde in der Vergangenheit intensiv diskutiert, insbesondere im Zusammenhang mit einem in Großbritannien zeitweise als dieselkraftstoffzusatz zugelassenen Produkt, das feinste zeroxid Nanopartikel enthielt und zur Verbesserung der Kraftstoffverbrennung sowie zur Reduktion des Rußausstoßes beitragen sollte.

16:03 Nach kontroversen Diskussionen über mögliche gesundheitliche Auswirkungen der dabei entstehenden potenziell lungengängigen Nanopartikel in den Abgasen wurde von diesem speziellen Anwendungsbereich in den folgenden Jahren jedoch weitgehend wieder Abstand genommen. Ein Beispiel dafür, wie technische Innovationen im Bereich der Nanotechnologie stets sorgfältig gegen mögliche unbeabsichtigte Nebenwirkungen abgewogen werden müssen.

16:33 Bleiben wir noch einen Moment bei der Beleuchtungstechnik, denn die Geschichte von Zerr und künstlichem Licht endet keineswegs beim historischen Gasglühstrumpf. Auch in der modernsten verfügbaren Lichttechnologie, der weißen Leuchtdiode, spielt eine zerhaltige Verbindung eine zentrale Rolle. Die meisten weißen Le DS, wie sie heute in haushaltslampen, Bildschirmen und Fahrzeugscheinwerfern eingesetzt werden, erzeugen ihr Licht nicht direkt in weiß, sondern über einen kleinen Umweg, ein blau leuchtender Halbleiterchip strahlt Licht auf eine dünne Schicht aus gelblich fluoreszierendem Material, meist hytrium Aluminium Granat, das gezielt mit Zärionen dotiert ist. Trifft das blaue Licht des Chips

17:26 auf diese zerrdotierte Schicht, wird ein erheblicher Teil davon in längerwelliges, gelbliches Licht umgewandelt. Die Mischung aus dem verbleibenden blauen Licht und dem neu erzeugten gelben Licht ergibt für das menschliche Auge den Eindruck von warmem, weißem Licht. Ohne diese spezielle Eigenschaft von Cer, effizient Licht bestimmter Wellenlängen zu absorbieren und in andere Wellenlängen umzuwandeln, wäre die breite Verfügbarkeit energieeffizienter warmweißer LED Beleuchtung in ihrer heutigen Form kaum denkbar. Eine bemerkenswerte technologische Kontinuität von der Gasflamme des 19 Jahrhunderts bis zur Halbleiterlampe des 21 Jahrhunderts. Zerdotierte Kristalle finden zudem als sogenannte szintilatorenverwendung

18:21 Materialien, die beim Auftreffen energiereicher Strahlung, etwa Röntgen oder Gamma, Strahlung, kurze Lichtblitze aussenden. Solche szintilator Kristalle kommen unter anderem in der medizinischen Bildgebung, etwa bei der Positronen, Emissionstomographie. Sowie in der Teilchenphysik zum Nachweis energiereicher Strahlung zum Einsatz.

18:47 Auch bei der Gewinnung selbst nimmt CER aufgrund seiner hohen Hascon natürlichen Häufigkeit eine besondere ökonomische Stellung innerhalb der Seltenerdindustrie ein. Die wichtigsten Ausgangsmineralien für die Cergewinnung sind Bastnesit und Monazid. Wobei sich die weltweit bedeutendste Lagerstätte, die Mine von Bayan Obo, in der Inneren Mongolei zugleich als eine der größten Eisenerzlagerstätten der Welt erweist, in der die Seltenerdminerale gewissermaßen als wertvolles Nebenprodukt der Eisenerzförderung anfallen.

19:27 Da bei der Verarbeitung dieser Erze stets das gesamte natürliche Gemisch unterschiedlicher Seltenerdmetalle anfällt und. Und CER darin regelmäßig den mit Abstand größten Mengenanteil ausmacht, gilt der Marktpreis von Cer in der Rohstoffwirtschaft häufig als eine Art wirtschaftlicher Anker, da cer selbst vergleichsweise günstig und in großen Mengen verfügbar ist, hängt die Wirtschaftlichkeit der gesamten Förderung eines Vorkommens häufig maßgeblich davon ab, wie gut sich gleichzeitig auch die selteneren. Deutlich wertvolleren Begleitelemente wie Neodym oder Dysprosium vermarkten lassen, die für Hochleistungsmagnete in Windkraftanlagen und Elektromotoren unverzichtbar sind.

20:18 Bezüglich seiner Isotope ist CER ebenfalls bemerkenswert vielfältig aufgestellt. Es besitzt 4 natürlich vorkommende Isotope, von denen CER 140 mit einem Anteil von rund 88% bei weitem das häufigste ist. Eines der natürlichen Isotope Cer 142 gilt zudem als extrem schwach radioaktiv mit einer Halbwertszeit, die um ein Vielfaches länger ist als das Alter des Universums.

20:50 Weshalb es für alle praktischen Zwecke als stabil betrachtet werden kann. Daneben existieren künstlich erzeugte Kurzlebigere, radioaktive Cer Isotope, die als Spaltprodukte in Kernreaktoren entstehen und in der kerntechnischen Forschung sowie gelegentlich in der Nuklearmedizin von Interesse sind.

21:12 Bevor wir zum Ende unserer heutigen Reise kommen, sei noch angemerkt, dass CER trotz seiner enormen technischen Bedeutung im Vergleich zu vielen anderen selten erdmetallen als vergleichsweise unbedenklich gilt. Es besitzt keine bekannte biologische Funktion im menschlichen Körper. Wird jedoch bei versehentlicher Aufnahme nur in sehr geringem Umfang resorbiert und größtenteils unverändert wieder ausgeschieden, weshalb es Toxikologisch als vergleichsweise gering bedenklich eingestuft wird. Ganz im Gegensatz zu manch anderem hier bereits vorgestellten Element unserer Reihe. Wenn wir also heute an Zehr denken, sollten wir nicht nur an den Funken eines Feuerzeugs denken, sondern an ein Element, das von der Gasbeleuchtung des

22:02 19 Jahrhunderts bis zu den Abgaskatalysatoren und Brennstoffzellen unserer Gegenwart eine bemerkenswert kontinuierliche technische Erfolgsgeschichte geschrieben hat. Gerade weil CER heute so maßgeblich dazu beiträgt, Schadstoffe aus Fahrzeugabgasen zu filtern und effizientere Energietechnologien zu ermöglichen, erinnert es uns eindrücklich daran, wie eng wissenschaftlicher Fortschritt und der Schutz unserer natürlichen Umwelt miteinander verknüpft sein können.

22:34 Wenn Forschung verantwortungsvoll und zum Wohle der Allgemeinheit betrieben wird. Unseren Planeten und die offenen demokratischen Gesellschaften zu bewahren, die eine solche verantwortungsvolle Forschung überhaupt erst ermöglichen, bleibt eine der wichtigsten Aufgaben unserer Zeit. Damit sind wir am Ende unserer heutigen Reise durch die Welt von CER angekommen, wir hoffen, dir hat der Ausflug vom Gasglühlicht bis zum modernen Feuerzeug gefallen. Wenn dir diese Folge gefallen hat, lass uns gerne eine Bewertung da.

23:10 Das hilft uns dabei weiterhin spannende Wissensreisen für dich zu produzieren, bis zur nächsten Folge bleib neugierig.