Willkommen zu einer neuen Folge von Wissensreise durch das
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Wissensreise durch die Länder der Erde heute?
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
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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
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
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.
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.
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.
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.
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.
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
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.
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.
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.
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
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.
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
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.
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.
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.
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
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
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.
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.
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.
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.
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.
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
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.
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.
Das hilft uns dabei weiterhin spannende Wissensreisen für dich
zu produzieren, bis zur nächsten Folge bleib neugierig.