Willkommen zu einer neuen Folge von Wissensreise durch das
Periodensystem der Elemente, deinem Podcast zum Entspannen,
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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.
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.
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.
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.
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
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
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
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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
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
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.
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.
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.
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.
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
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.