Professor Haningtons Apropos Wissenschaft: Seltenes Element Cer

Apr 27, 2023

Weiße LED aus Cer

Wie vor ein paar Wochen versprochen, beschäftigen wir uns diesen Monat aus zwei Gründen mit den Seltenen Erden. Eines ist leider: In letzter Zeit gibt es nicht viele interessante Nachrichten aus den Naturwissenschaften, die in den Vereinigten Staaten oder auf der ganzen Welt Schlagzeilen machen, und wie die meisten Leser wissen, behandle ich nichts, was mit Biologie zu tun hat. Das überlasse ich Hannah, die derzeit hart am MIT arbeitet.

Der zweite Grund ist: Das Thema Seltene Erden wird bald ein sehr heißes Thema werden, da China insbesondere in den letzten Monaten damit begonnen hat, den Export dieser wichtigen Elemente einzuschränken. Tatsächlich haben einige Kunden von AHV Fragebögen weitergeleitet, um zu erfragen, ob AHV solche seltenen Erden in einem ihrer Produkte verwendet und ob wir davon betroffen sind. Während Motoren, Magnete und spezielle exotische Elektronik das können, sind wir von diesem Handelsembargo nicht wirklich betroffen. Daher setzen wir auf der Grundlage des oben Gesagten unsere Studie mit dem Seltenerdelement Cer fort.

Cer mit der Ordnungszahl 58 ist ein weiches, duktiles und silberweißes Metall, das, ähnlich wie Silber, an der Luft eine oxidische Anlauffarbe entwickelt. Möglicherweise haben Sie beim Kauf eines selbstreinigenden Elektroofens zum ersten Mal von Cer gehört. Seit Jahrzehnten wird Cer(III)-oxid in den Wänden von Herden verwendet, um die Bildung von Kochfett zu verhindern, indem es als Katalysator für die Oxidation von Kohlenwasserstoffen wirkt. Oder wenn Sie ein Heimwerker sind und ein Teleskop bauen, werden Sie feststellen, dass beim Spiegelschleifen Ceroxid zum Einsatz kommt. Diese Verbindung senkt die Oberflächenenergie des Glases, indem sie ein Cer-Sauerstoff-Silikon-Material bildet, das weicher als das darunter liegende Glas ist und der Oberfläche eine glatte Politur verleiht. Dies ist normalerweise der letzte Schritt vor der Aluminisierung des Spiegels.

Cer ist auch das Hauptmetall in der Legierung namens Mischmetall. Dieser metallische Feststoff hat die interessante Eigenschaft, dass er beim Schlagen oder Kratzen mit Eisen leicht Funken erzeugt und oft als Feuerstein für Feuerzeuge verwendet wird. Mischmetal, deutsch „gemischtes Metall“, enthält außerdem mehrere andere Seltenerdelemente: 55 % Cer, 25 % Lanthan und bis zu 18 % Neodym. Sie können dem deutschen Chemiker Carl Auer von Welsbach dafür danken, dass er diese seltsame Legierung bei seiner Suche nach der Perfektionierung der Straßenbeleuchtungssysteme mit Gasmantel in seiner Heimatstadt entdeckt hat. Denken Sie an ihn, wenn Sie das nächste Mal einen Funkenzünder als Taschenlampe verwenden.

Die Stabilität von Pigmenten bei starker Lichteinwirkung kann durch die Zugabe von Cer erhöht werden. Cersulfidpulver wird normalerweise dort verwendet, wo eine dunkelrote Farbe erforderlich ist, da es eine gute thermische Stabilität aufweist und ungiftig ist. Es bietet einen Farbton, der einer Verdunkelung durch Sonnenlicht standhält. Sie können davon ausgehen, dass viele Verkehrsschilder bei ihrer Herstellung Cer enthalten.

Eine weitere Verwendung für das Element besteht darin, es als Additiv (16 Gew.-% Ce) mit Aluminium zu verwenden, um eine gießbare eutektische Legierung mit ausgezeichneter Hochtemperaturfestigkeit zu erzeugen. Diese Legierung wird insbesondere beim Gießen von Zylinderköpfen von Hochleistungsmotoren verwendet. Indem man den Motor heißer laufen lässt, kann die Leistung deutlich gesteigert werden. Weitere Automobilanwendungen für Cer sind Katalysatoren zur Oxidation von CO- und NOx-Emissionen in den Abgasen.

Cer ist das am häufigsten vorkommende Seltenerdelement und macht 66 ppm der Erdkruste aus, ein Wert, der etwas unter dem von Kupfer (68 ppm) liegt, was seine Einstufung als seltenes Erdelement eigentlich gar nicht so selten macht. Cer kommt in verschiedenen Mineralien vor, wobei Monazit und Bastnäsit die wichtigsten kommerziellen Quellen sind, und gilt aufgrund der stabilen Oxidationsstufe +4 in wässrigen Lösungen als eines der am einfachsten zu extrahierenden Seltenen Erden. Für diejenigen, die Cer aus Bastnäsit raffinieren möchten, waschen Sie es einfach mit Salzsäure, um Calciumcarbonat zu entfernen, und rösten Sie es an der Luft, um es in Cerdioxid umzuwandeln, das nun mit Salzsäure ausgelaugt werden kann.

Eine der jüngsten Anwendungen von Cer im letzten Jahrzehnt war der Bau weißer LEDs. Die meisten „weißen“ LEDs, die heutzutage hergestellt werden, verwenden eine 460-nm-blaue Galliumnitrid-LED, die mit einer gelblichen Phosphorbeschichtung bedeckt ist, die normalerweise aus mit Cer dotierten Yttrium-Aluminium-Granatkristallen besteht, die pulverisiert und in einer Art klaren, viskosen Klebstoff gebunden wurden. Der LED-Chip strahlt blaues Licht aus, das durch YAG:Ce teilweise in Gelb umgewandelt wird. Da gelbes Licht die roten und grünen Rezeptoren des Auges stimuliert, wirkt die resultierende Mischung aus blauem und gelbem Licht weiß.

Sie haben wahrscheinlich schon einmal Nahaufnahmen der Sonne gesehen, die Sonnenflecken, Sonnenstürme oder etwas ganz anderes zeigen. Aber so haben Sie die Sonne noch nie gesehen. Diese Bilder wurden kürzlich vom Daniel K. Inouye Solar Telescope aufgenommen, dem leistungsstärksten Sonnenteleskop der Welt.

Gary Hanington ist emeritierter Professor für Physik am Great Basin College und Chefwissenschaftler am AHV. Er kann unter [email protected] erreicht werden.

Hier ist ein wirklich altes Wort, das an das Rätsel von vor zwei Wochen anknüpft, bei dem IOA die Schreibweise eines Staates mit nur drei Buchstaben war (für Iowa). Noch besser: Nennen Sie einen Staat, der sich mit nur zwei Buchstaben buchstabieren lässt.

Antwort: Ohio (oO)

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