Sc • Ordnungszahl 21

• Vorkommen

  Obwohl Scandium relativ häufig in der Erdkruste vorkommt (etwa so häufig wie Blei), ist es extrem dispers verteilt. Es kommt kaum in konzentrierten Lagerstätten vor. Die klassischen Seltenerd-Minerale sind wirtschaftlich kaum relevante Scandium-Quellen.

  Es fällt meist nur als Beiprodukt beim Abbau anderer Rohstoffe an. Lateritische Nickel- und Kobalterze sind heute die wichtigste Quelle. Bei der Verarbeitung dieser Erze (z.B. in Kuba, den Philippinen, Australien und Russland) fällt Scandium als Beiprodukt in den Rückständen an.

  Auch in Rotschlamm aus der Bauxit-Verarbeitung zu Aluminium ist es in wirtschaftlich interessanten Konzentrationen angereichert.

• Gewinnung

  Bei der Herstellung von Aluminiumoxid aus Bauxit (nach dem Bayer-Verfahren) bleibt Rotschlamm übrig. Dieser kann bis zu 150 g Scandium pro Tonne enthalten. Trotz dieser relativ geringen Menge ist es eine der reichhaltigsten verfügbaren Quellen.

  Das gewonnene Konzentrat (z.B. getrockneter Rotschlamm) wird zunächst mit starken Säuren (meist Salzsäure, HCl, oder auch Schwefelsäure, H₂SO₄) behandelt (Laugung/Leaching). Dabei werden die festen Bestandteile aufgelöst, und das Scandium geht als Scandium-Ion (Sc³⁺) in die wässrige Lösung über. Diese Lösung enthält auch eine große Menge anderer Metall-Ionen (Eisen, Aluminium, Titan, Uran, etc.)

  Darauf folgt die Aufreinigung und Trennung, der schwierigste Schritt. Die Scandium-Ionen müssen von der Vielzahl anderer Ionen in der Lösung getrennt werden. Dafür wird fast immer die Flüssig-Flüssig-Extraktion  verwendet, ein Verfahren, das auch für andere Seltene Erden eingesetzt wird.

  Dieser Prozess wird mehrfach hintereinander in verschiedenen Stufen durchlaufen, um Schritt für Schritt reineres Scandium zu isolieren.

  Schließlich wird das reine Scandium aus der organischen Phase wieder in eine saubere Salzsäure-Lösung zurücküberführt.

  Aus der nun hochreinen Scandium-Salzlösung wird das metallische Scandium gewonnen. Die beiden gebräuchlichsten Methoden sind die Schmelzflusselektrolyse und die metallothermische Reduktion. Das resultierende Metall (genannt "Scandium-Brocken") hat eine Reinheit von etwa 99 % und kann durch weiteres Umschmelzen im Vakuum noch reiner gemacht werden.

• Verwendung

  Die wichtigste und bedeutendste Anwendung von Scandium ist seine Verwendung als Legierungszusatz in Aluminium (Al-Sc-Legierungen).

  Bereits winzige Zugaben von  0,1 bis 0,5 Prozent Scandium verleihen der Aluminiumlegierung eine revolutionäre Verbesserung ihrer Eigenschaften, was sie für Hochleistungsanwendungen unverzichtbar macht.
  
  

  Scandium kann die Festigkeit und Härte von Aluminum um das doppelte als herkömmlich Aluminiumlegierungen erhöhen. 

  Scandium verleiht dem Aluminium außerdem eine herausragende Schweißbarkeit. Das ist ein entscheidender Vorteil in der Luft- und Raumfahrt. Bei herkömmlichen Aluminiumlegierungen kommt es im Bereich der Schweißnaht oft zu einem starken Festigkeitsverlust. Al-Sc-Legierungen behalten ihre Festigkeit in der Schweißnaht nahezu vollständig bei, da Scandium das Kornwachstum während des Erhitzens wirksam unterbindet.

  Scandium wirkt zudem als Kornverfeinerer, was die Legierung zäher und bruchfester macht.

  Außerdem sorgt es für höhere Korrosions- und Wärmebeständigkeit.

  Weitere wichtige Anwendungen, die aber wirtschaftlich weniger relevant sind, sind Festkörperlaser, Hochtemperatur-Brennstoffzellen, Leuchtmittel ( Metalldampflampen)

   

  

• Besonderheiten

  Aufgrund seiner Dichte zählt Scandium zu den Leichtmetallen. An Luft wird es matt, es bildet sich eine schützende gelbliche Oxidschicht. Scandium reagiert mit verdünnten Säuren unter Bildung von Wasserstoff und dreiwertigen Kationen. In Wasserdampf erfolgt ab 600 °C die Umsetzung zu Scandiumoxid Sc2O3. In wässrigen Lösungen verhalten sich Sc-Kationen ähnlich wie Aluminium, was bei analytischen Trennungen oftmals Schwierigkeiten bereitet. In einer Mischung aus Salpetersäure und 48 % Fluorwasserstoff soll es beständig sein.

  

Pr • Ordnungszahl 59

• Vorkommen

  Die wichtigsten Trägermineralien für Praseodym ist Bastnäsit, das die kommerziell wichtigste Quelle für die  leichten Seltenen Erden ist.

  Der dominierende Produzent ist China. Jedoch wird Bastnäsit auch in den USA in der Mountain-Pass-Mine abgebaut. Die Mount Weld-Mine des australischen Unternehmens Lynas Rare Earths ist eine der reichhaltigsten Lagerstätten der Welt. Lynas betreibt eine große Trennanlage in Malaysia und ist damit der wichtigste alternative Lieferant für getrennte Seltene Erden außerhalb Chinas.

• Gewinnung

  Wie bei allen Lanthanoiden werden zuerst die Erze durch Flotation angereichert, danach die Metalle in entsprechende Halogenide umgewandelt und durch fraktionierte Kristallisation, Ionenaustausch oder Extraktion getrennt. Das Metall wird durch Schmelzflusselektrolyse oder Reduktion mit Calcium gewonnen.

  

• Verwendung

  Die wichtigste Anwendung von Praseodym ist seine Verwendung als gelbes Farbpigment in Keramik und Glas.

  Diese Anwendung nutzt seine einzigartige optische Eigenschaft, Licht in einem spezifischen Wellenlängenbereich zu absorbieren und zu streuen, um eine intensive, beständige Farbe zu erzeugen.

  Dabei wird Praseodymoxid wird Zirkondioxid beigemischt und bei hohen Temperaturen gebrannt. Es entsteht ein intensives, beständiges Gelb (Praseodym-Zirkon-Gelb), das weder unter Lichteinfall verblasst noch durch hohe Temperaturen beeinträchtigt wird.

  Dieses Pigment wird vor allem für die Herstellung von hochwertigen gelben Keramikfliesen und künstlerischen Glasuren verwendet.

  Da Praseodym oft nicht vollständig von Neodym getrennt wird, ist eine weitere hochwichtige Anwendung die Nutzung der Praseodym-Neodym-Mischung ("Didym") in Spezialglas. Didymium-Glas wird etwa für Schutzbrillen verwendet. Solche Brillen sind für Glasbläser und Schweißer unverzichtbar.

  

ND • Ordnungszahl 60

Neodym in hochleistungs Magneten in Windkrafträdern

• Vorkommen

  Neodym wird primär aus Bastnäsit und Monazit gewonnen. Der Neodym-Gehalt in beiden Mineralien beläuft sich in etwa bei zwischen 15 und 20 Prozent. 

  Monazit hat den Nachteil, dass es oft auch radioaktives Thorium enthält, was die Weiterverarbeitung und Lagerung des Erzes komplizierter macht. 

  Spitzenreiter beim Abbau ist wie auch bei den restlichen Seltenerdelemente China. Eine weitere wichtige Bastnäsitquelle ist die Mountain-Pass Mine in den USA.

• Gewinnung

  Nach einer aufwändigen Abtrennung der Neodymbegleiter wird das Oxid mit Fluorwasserstoff zu Neodymfluorid umgesetzt und anschließend mit Calcium unter Bildung von Calciumfluorid zu Neodym reduziert. Calciumreste und Verunreinigungen trennt man in einer Umschmelzung im Vakuum ab.

  Bis 2024 schickte MP Materials, der Betreiber der Mountain-Pass-Mine in den USA, die abgebauten Bastnäsiterze zu Weiterverarbeitung nach China. Seitdem hat die Firma eine eigene Weiterverarbeitungsanlage in Betrieb genommen. Das US-Verteidigungsministerium ist 2025 als Protektionsmassnahme als Mehrheitseigentümer bei MP Materials eingestiegen.

• Verwendung

  Die mit Abstand wichtigste industrielle Anwendung von Neodym ist die Herstellung von Permanentmagneten, bekannt als Neodym-Eisen-Bor-Magnete (NdFeB-Magnete).

  NdFeB-Magnete besitzen die höchste magnetische Energiedichte aller kommerziell verfügbaren Permanentmagnete. Sie erzeugen ein sehr starkes Magnetfeld, sind klein und leicht und verbessern die Effizienz und Leistung von elektrischen Geräten erheblich.

  Die Magnete werden in einer Vielzahl von Schlüsselindustrien eingesetzt, dabei stechen insbesondere die Autoindustrie hervor, die Permanentmagneten in den Elektromotoren von E-Autos verwendet. In Windkraftanlagen spielen sie ebenso eine gewichtige Rolle: Generatoren in modernen Windrädern (besonders in Direct-Drive-Anlagen) verwenden diese Magnete, um Rotationsenergie hocheffizient in Strom umzuwandeln. Eine große Offshore-Windturbine kann eine Tonne oder mehr an Neodym enthalten.

  Dank NdFeB-Magneten ist die Miniaturisierung von Geräten möglich. Sie kommen in Lautsprechern, Kopfhörer und auch Festplatten vor. 

  Neodym wird daneben auch in Farbstoffen für Glas (z.B. Schweißerbrillen) und in Lasern (Nd:YAG-Laser) verwendet.