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Allgemein

Tellur

Te • Ordnungszahl 52

Tellur

Tellur ist ein silberweißes Halbmetall in der Sauerstoffgruppe, das eng verwandt mit Selen ist, dem es in seinen chemischen und physikalischen Eigenschaften ähnelt. Es ist spröde und kann daher leicht pulverisiert werden. Es hat eine geringe elektrische Leitfähigkeit und ist lichtempfindlich, was ihm eine hohe Lichtabsorption ermöglicht.

Die Hauptanwendung von Tellur ist daher in Solarzellen. Tellur ist aber ein technisch weniger bedeutendes Element, da es teuer in der Herstellung ist und in der Verwendung häufig durch andere Elemente oder Verbindungen ersetzt werden kann.

Tellur ist selten und fällt hauptsächlich als Nebenprodukt bei der Kupfer- und Bleiraffination an.

Tellur und seine Verbindungen sind giftig.

Über 50 Prozent der Tellurproduktion stammt aus China. Jiangxi Copper ist der größte Tellurproduzent.

  • Geschichte

    Tellur wurde isoliert, bevor man wusste, dass es eine eigenes Element ist. Um 1782 untersuchte der österreichische Mineraloge Franz Joseph Müller von Reichenstein ein Erz namens Germanisches Gold. Aus diesem Erz gewann er ein Material, das sich seinen Analyseversuchen widersetzte und das er Metallum problematikum nannte. 1798 bestätigte Martin Heinrich Klaproth die elementare Natur der Substanz fest. Er benannte das Element nach dem menschlichen „Himmelskörper“ Tellus (Erde).

    Ab Mitte des 19. Jahrhunderts wurde Tellur in Metallurgie eingesetzt, um Stahl und Kupfer zu veredeln.

    In den 1930er fand Tellur Anwendung in der Gummi-Vulkanisation. In den 1950er wurde Bismut-Tellurid für thermoelektrische Geräten zur Kühlung entwickelt. In den 1960er Jahren begann der Einsatz in Halbleitern und Infrarot-Detektoren. In den 1980er Jahren wurden erste Cadmiumtellurid (CdTe)-Solarzellen wurden entwickelt.

    Anfang des Jahrtausends wurden erste CdTe-Dünnschichtsolarzellen auf den Markt gebracht.

  • Verwendung

    Tellur wird vorwiegend zur Herstellung von Cadmiumtellurid (CdTe) für Dünnschicht-Solarzellen verwendet. CdTe-Solarzellen repräsentieren aber nur fünf Prozent des weltweiten Photovoltaikmarktes.

    Ein weiteres bedeutende Einsatzgebiet ist die Herstellung von Wismuttellurid (BiTe), das in thermoelektrischen Geräten zur Kühlung und Energieerzeugung eingesetzt wird.
    Metallurgische Anwendungen umfassen die Verwendung als Legierungszusatz in Stahl zur Verbesserung der Bearbeitungseigenschaften.

  • Vorkommen, Abbau, Gewinnung

    Mit 90 Prozent der Gesamtproduktion ist die Hauptquelle für Tellur Anodenschlamm aus der Kupferraffination. Die größte Hersteller ist mit einem Weltmarktanteil von 70 Prozent China, gefolgt von Japan, Russland und Schweden.

    Innerhalb der EU wird Tellur als Nebenprodukt der Goldgewinnung in der Kankberg-Mine in Schweden abgebaut und in der nahegelegenen Schmelzhütte Rönnskär des Konzerns Boliden raffiniert.

    Die globale Jahresproduktion von Tellurium beläuft sich auf zwischen 900 und 1000 Tonnen.

  • Substitution

    Mehrere Materialien können Tellur in den meisten Anwendungen ersetzen, meist allerdings mit Einbußen bei Effizienz oder Produkteigenschaften.
    Amorphes Silizium und Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid sind die beiden Hauptkonkurrenten von Cadmium-Tellur in Dünnschicht-Solarzellen.
    Wismutselenid und organische Polymere können BiTe in einigen thermoelektrischen Bauelementen ersetzen.
    Wismut, Calcium, Blei, Phosphor, Selen und Schwefel können in Maschinenstahl Tellur ersetzen. Einige der durch Tellur katalysierten chemischen Reaktionen können mit anderen Katalysatoren oder durch nicht katalysierte Verfahren durchgeführt werden.
    Bei der Gummimischung können Schwefel oder Selen anstelle von Tellur als Vulkanisationsmittel wirken.
    Die Selenide und Sulfide von Niob und Tantal können als elektrisch leitfähige Festschmierstoffe anstelle der Telluride dieser Metalle dienen.

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Tantal

Ta • Ordnungszahl 73

Tantal


Tantal ist ein helles, sehr hartes, silbergraues Metall, das eine hohe Dichte, einen extrem hohen Schmelzpunkt und ausgezeichnete Beständigkeit gegen alle Säuren außer Flusssäure bei Normaltemperaturen aufweist. Seine physikalischen Eigenschaften ähneln stark denen von Niob, allerdings kommt es in der Erdkruste deutlich seltener vor.

Die Hauptanwendung von Tantal ist in Kondensatoren, die in so gut wie allen Elektronikgeräten vorkommen.

Das wichtigste Förderland für Tantal ist die Demokratische Republik Kongo. Aufgrund des Konflikts mit Ruanda, gilt Tantal als Konfliktrohstoff. Der Abbau ist oft illegal und geht mit schweren Menschenrechtsverletzungen einher.

Der größte Tantalproduzent ist das US-australische Unternehmen Global Advanced Metals, das mit Greenbushes auch eine der größten Tantalminen der Welt betreibt.

Tantal gilt in zahlreichen Ländern als kritischer und strategischer Rohstoff, so auch in der EU.

  • Geschichte

    1802 entdeckte der schwedische Chemiker Anders Gustaf Ekeberg. Aufgrund der großen chemischen Ähnlichkeit von Niob und Tantal stellte die Bestimmung der individuellen Identität der beiden Elemente ein quälendes Problem. Daher benannten die Chemiker das Element nach der mythologischen Figur Tantalus, die große Qualen erleiden musste.
    Erst 1844 konnte der deutsche Chemiker Heinrich Rose beweisen, dass es sich um zwei verschiedene Elemente handelt, und benannte das zweite Element Niob nach Niobe, der Tochter von Tantalos.

    Tantal wurde ab Anfang des 20. Jahrhunderts zunehmend in der Elektronikindustrie genutzt, besonders für Kondensatoren aufgrund seiner Fähigkeit, stabile Oxidschichten zu bilden. Ab den 1940er Jahren entwickelte sich Tantal zu einem wichtigen Rohstoff für die Luft- und Raumfahrt sowie die Medizintechnik.

  • Verwendung

    Tantal ist aufgrund seiner extrem hohen Korrosionsbeständigkeit, Biokompatibilität und seiner ausgezeichneten elektrischen Leistung ein unverzichtbares Material für Hochtechnologie-Anwendungen.

    60 bis 70 Prozent gehen in die Elektronikindustrie. Das wichtigste Einsatzgebiete von Tantal sind hier Kondensatoren. Tantalkondensatoren bieten eine hohe Kapazität auf kleinem Raum, eine lange Lebensdauer und Stabilität und werden häufig in miniaturisierten elektrischen Schaltkreisen eingesetzt. Sie werden in fast allen Smartphones, Laptops, Tablets und Unterhaltungselektronik verbaut. Auch in der Halbleiterindustrie kommt Tantal zum Einsatz: etwa in Chip-Beschichtungen.

    Ihre Biokompatibilität macht sie in medizinischen Implantaten und Instrumenten interessant.
    In der chemischen Industrie schätzt man ihre Säurebeständigkeit. Sie kommen in säurebeständigen Anlagen und in Beschichtungen für Stahl- oder Titanbauteile zum Einsatz

    Tantal-Legierungen in der Luft- und Raumfahrt werden in Triebwerkskomponenten, die extreme Hitze aushalten müssen, verwendet, sowie auch in Satelliten und Hitzeschilden.

    In der Nukleartechnik absorbiert Tantal Neutronen. Tantal wird auch in einigen supraleitenden Legierungen genutzt.

  • Vorkommen, Abbau, Gewinnung

    Coltan (Columbit-Tantalit) ist das mit Abstand wichtigste Tantal-Erz. Es kommt vor allem in der DR Kongo, Ruanda, Brasilien und Australien. Tantalit ist die reinere Tantal-Variante des Coltans. Microlith kommt häufig in Pegmatiten vor und enthält neben Tantal auch Calcium. Wodginit ist das Erz in der australischen Wodgina-Mine.

    Die größten bestätigten Tantalreserven liegen in Brasilien und Australien, dennoch dominiert der Kongo die aktuelle Förderung, die von Kleinbergbau geprägt ist. Auch Ruanda exportiert sehr große Mengen an Tantalerz, allerdings soll es zum großen Teil aus den Konfliktgebiete im Osten Kongos stammen.

    Die größte Tantalmine ist Greenbushes in Australien, in der auch Lithium abgebaut wird. Brasilien gehört zu den Top-3 Tantalproduzenten der Welt. Global Advanced Metals (GAM) verarbeitetTantal aus seinen Minen in Brasilien. Die australische Firma Pilbara Minerals betreibt die Pilgangoora Lithiummine, in der Tantal als Nebenprodukt anfällt.

    Ein wichtiger aber umstrittener Player ist Mining Minerals Resources aus Ruanda. In China ist Ningxia Non-Ferrous Metals ein wichtiger Verarbeiter von afrikanischem und chinesischem Tantal.
    Die weltweite Jahresproduktion von Tantal beläuft sich auf um die 2000 Tonnen. Allerdings unterschätzen offizielle Zahlen wegen der verbreiteten illegalen Förderung in Zentralafrika die tatsächlichen Mengen.

  • Substitution

    Tantal kann zwar ersetzt werden, allerdings können Leistungseinbußen oder höhere Kosten entstehen.
    Niob und Wolfram kann in Carbiden eingesetzt werden, Aluminium, Keramik und Niob in elektronischen Kondensatoren.
    Glas, Molybdän, Nickel, Niob, Platin, Edelstahl, Titan und Zirkonium ersetzt Tantal in korrosionsbeständigen Anwendungen.
    Hafnium, Iridium, Molybdän, Niob, Rhenium und Wolfram substituiert Tantal in Hochtemperaturanwendungen.

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Strontium

Sr • Ordnungszahl 38

Strontium

Strontium gehört zur Gruppe der Erdalkalimetalle. Es ist weich wie Blei und hat frisch geschnitten einen silbrigen Glanz. Es ist gut leitend und schwach magnetisch. Ähnlich Calcium reagiert es leicht mit Wasser und Luft.

Strontium kommt in der Natur nicht frei vor. Obwohl es zusammen mit Calcium weit verbreitet ist, gibt es nur zwei Haupterze, die Strontium allein enthalten.

Die wichtigste Anwendung von Strontium ist in der Pyrotechnik. In Feuerwerken und Signalfackeln sorgt es für eine rote Flammenfärbung.

Für die EU ist Strontium ein kritischer Rohstoff.

  • Geschichte

    Stronium wurde erst Ende des 18. Jahrhunderts entdeckt, als der schottische Arzt und Chemiker Adair Crawford 1790 ein Mineral aus der Strontian-Region in Schottland untersuchte. Der geografische Fundort ist Namensgeber diese Elements. durch Der deutsche Chemiker Martin Heinrich Klaproth bestätigt 1793 dass es sich um ein neues Mineral handelte. 1808 isolierte der britische Chemiker Sir Humphry Davy erstmals metallisches Strontium.

    Im 19. Jahrhundert wurde Strontiumhydroxid zunächst für die Zuckerraffination genutzt. Später entdeckte man die intensive rote Flammenfärbung von Strontiumsalzen, was es zu einem wichtigen Bestandteil von Feuerwerkskörpern machte.

    Die industrielle Nutzung begann im 20. Jahrhundert: Strontiumoxidwurde in Fernsehröhren eingesetzt, um Röntgenstrahlung zu absorbieren.

    Dann kam der Einsatz von Strontium als Legierungszusatz für Aluminium und Gusseisen um die mechanischen Eigenschaften zu verbessern

  • Verwendung

    Strontiumcarbonat ist die geläufigste Strontiumverbindung, die als Rohstoff dient, aus dem andere Strontiumverbindungen gewonnen werden.

    Die Hauptanwendung von Strontium ist in der Pyrotechnik. Strontiumsalze, wie Strontiumnitrat, verleihen Feuerwerkskörpern, militärischen und maritimen Signalleuchtraketen eine intensive rote Flammenfärbung.

    In der Metallurgie verbessert Strontium in Aluminium-Silicium-Legierungen die mechanischen Eigenschaften. In der Eisen- und Stahlproduktion dient es Als Desoxidationsmittel zur Entfernung von Schwefel und Phosphor.

    Neben der Pyrotechnik ist Strontium auch ein wichtiger Bestandteil bei der Herstellung von Ferritmagneten. Die Verwendung von Strontium in magnetischen Materialien ermöglicht es, zuverlässigere und effizientere Komponenten für Motoren, Sensoren und Audiogeräte zu entwickeln.

    Strontiumverbindungen finden auch in der Glas- und Keramikherstellung Anwendung. Als Zusatz zu Glasrezepturen kann Strontium die optischen Eigenschaften und die Haltbarkeit des Endprodukts verbessern.

    Das Radioisotop Strontium-89 dient in der Medizin zur Schmerzlinderung bei Knochenmetastasen und wirkt als Betastrahler, der gezielt Krebszellen im Knochen zerstört.

    Verschiedene neue Anwendungen von Strontium, etwa in medizinischen und technologischen Anwendungen sowie in ultrapräzisen optischen Atomuhren, werden weiter erforscht.
    Im Jahr 2024 wurde eine Strontium-Atomuhr als die bis dahin genaueste Uhr anerkannt.

  • Vorkommen, Abbau, Gewinnung

    Die wichtigsten Strontium-haltigen Minerale sind Coelestin und Strontianit. Coelestin ist wirtschaftlich bedeutender, da es häufiger vorkommt

    Die größten Strontiumhersteller sind Iran und Spanien sowie Chin. In Spanien betreibt das deutsche Unternehmen Kandelium Barium Strontium GmbH zwei Minen bei Granada. Die Erze werden nach Bad Hönningen zur Weiterverarbeitung verschifft. Kandelium hat einen Weltmarktanteil von etwa 35 Prozent an der Stroniumproduktion und deckt 90 Prozent des EU-Bedarfs an Strontium ab.

    Die Weltproduktion von Strontium beläuft sich auf etwa 500.000 Tonnen im Jahr.

  • Substitution

    Barium kann Strontium in keramischen Ferritmagneten ersetzen. Der resultierende Bariumverbundstoff weist jedoch im Vergleich zu Strontiumverbundstoffen eine geringere maximale Betriebstemperatur auf.
    Der Ersatz von Strontium in der Pyrotechnik wird dadurch erschwert, dass es schwierig ist, die gewünschte Brillanz und Sichtbarkeit zu erreichen, die Strontium und seine Verbindungen verleihen.

  • Eigenschaften

    Physikalische Eigenschaften

    Strontium ist ein im höchstreinen Zustand hellgoldgelb-glänzendes, sonst silberweißes Erdalkalimetall. Mit einem Schmelzpunkt von 777 °C und einem Siedepunkt von 1380 °C steht es beim Siedepunkt zwischen dem leichteren Calcium und dem schwereren Barium, wobei Calcium einen höheren und Barium einen niedrigeren Schmelzpunkt besitzt. Strontium besitzt nach Magnesium und Radium den niedrigsten Siedepunkt aller Erdalkalimetalle. Mit einer Dichte von 2,6 g/cm3 zählt es zu den Leichtmetallen. Strontium ist mit einer Mohshärte von 1,5 sehr weich und lässt sich leicht biegen oder walzen.

    Wie Calcium kristallisiert Strontium bei Raumtemperatur in einer kubisch-flächenzentrierten Kristallstruktur in der Raumgruppe Fm3m (Raumgruppen-Nr. 225) (Kupfer-Typ) mit dem Gitterparameter a = 608,5 pm sowie vier Formeleinheiten pro Elementarzelle. Daneben sind auch zwei weitere Hochtemperaturmodifikationen bekannt. Bei Temperaturen von größer 215 °C wandelt sich die Struktur in eine hexagonal-dichteste Kugelpackung (Magnesium-Typ) mit den Gitterparametern a = 432 pm und c = 706 pm um. Oberhalb von 605 °C ist schließlich eine kubisch-innenzentrierte Struktur (Wolfram-Typ) am stabilsten.

    Chemische Eigenschaften

    Strontium ist nach Barium und Radium das reaktivste Erdalkalimetall. Es reagiert direkt mit Halogenen, Sauerstoff, Stickstoff und Schwefel. Dabei bildet es immer Verbindungen, in denen es als zweiwertiges Kation vorliegt. Beim Erhitzen an der Luft verbrennt das Metall mit der typischen karminroten Flammenfärbung zu Strontiumoxid und Strontiumnitrid.

    Als sehr unedles Metall reagiert Strontium mit Wasser unter Wasserstoff- und Hydroxidbildung. Strontiumhydroxid bildet sich auch schon beim Kontakt des Metalls mit feuchter Luft. Auch in Ammoniak ist Strontium löslich, dabei bilden sich blauschwarze Ammoniakate.

    Im Grundwasser verhält sich Strontium meist ähnlich wie Calcium. Strontiumverbindungen sind unter schwach sauren bis basischen Bedingungen unlöslich. Erst bei niedrigerem pH-Werten tritt Strontium in gelöster Form auf. Kommt es infolge von Verwitterungsprozessen o. ä. zum Abbau von Kohlenstoffdioxid (CO2) wird das Ausfällen von Strontium zusammen mit Calcium (als Strontium- bzw. Calciumcarbonat) verstärkt. Zusätzlich kann eine hohe Kationenaustauschkapazität des Bodens die Bindung von Strontium fördern.

  • Isotope

    Es sind insgesamt 34 Isotope und weitere neun Kernisomere bekannt. Von diesen kommen vier, 84Sr, 86Sr, 87Sr und 88Sr, natürlich vor. In der natürlichen Isotopenzusammensetzung überwiegt dabei das Isotop 88Sr mit einem Anteil von 82,58 %. 86Sr mit 9,86 % und 87Sr mit 7,0 %, sowie 84Sr mit einem Anteil von 0,56 % sind seltener.

    90Sr ist ein Betastrahler mit einer Zerfallsenergie von 0,546 MeV und zerfällt mit einer Halbwertzeit von 28,78 Jahren zu 90Y, das seinerseits rasch (t1/2 = 64,1 h) unter Aussendung von energiereicher Betastrahlung (ZE = 2,282 MeV) und von Gammastrahlung zum stabilen 90Zr zerfällt. Dabei tritt es zumeist als sekundäres Spaltprodukt auf. Es entsteht innerhalb weniger Minuten durch mehrfachen Betazerfall aus primären Spaltprodukten der Massenzahl 90, die bei 5,7 % aller Kernspaltungen von 235U in Kernkraftwerken und Atombombenexplosionen auftreten. Damit ist 90Sr eines der häufigsten Spaltprodukte überhaupt.

     

     

    Größere Mengen 90Sr gelangen bei allen nuklearen Katastrophen in die Umwelt. Unfälle, bei denen 90Sr in die Umwelt gelangte, waren der Windscale-Brand, bei dem 0,07 TBq 90Sr freigesetzt wurden und die Katastrophe von Tschernobyl, bei der die freigesetzte Aktivität an 90Sr 800 TBq betrug. Nach den oberirdischen Kernwaffentests vor allem in den Jahren 1955–58 und 1961–63 stieg die Belastung der Atmosphäre mit 90Sr stark an. Dies führte zusammen mit der Belastung an 137Cs 1963 zur Verabschiedung des Vertrages über das Verbot von Kernwaffenversuchen in der Atmosphäre, im Weltraum und unter Wasser, der solche Tests in den Unterzeichnerstaaten verbot. Daraufhin sank in den folgenden Jahren die Belastung der Atmosphäre wieder deutlich. Die gesamte, durch Kernwaffen freigesetzte Aktivität an 90Sr betrug etwa 6 · 1017 Bq (600 PBq).

    Die Aufnahme von 90Sr, das etwa über belastete Milch in den Körper gelangen kann, ist gefährlich. Durch die energiereiche Betastrahlung des Isotops können Zellen in Knochen oder Knochenmark verändert und somit Knochentumore oder Leukämien ausgelöst werden. Eine Dekorporation des in die Knochen aufgenommenen Strontiums mit Chelatbildnern ist unmöglich, da diese bevorzugt Calcium komplexieren und das Strontium im Knochen verbleibt. Eine Dekorporation mit Bariumsulfat ist nur möglich, wenn sie rasch nach der Inkorporation erfolgt, bevor der Einbau in Knochen erfolgen kann. Auch der Abbau durch biologische Vorgänge verläuft nur sehr langsam, die biologische Halbwertszeit liegt in Knochen bei 49 Jahren, die effektive Halbwertszeit von 90Sr bei 18,1 Jahren. Möglicherweise bindet 90Sr an Zellen der Nebenschilddrüsen. Dies würde die Häufung von Fällen eines Hyperparathyreoidismus bei Liquidatoren des Reaktors in Tschernobyl erklären.

    Die Betastrahlung von 90Sr und 90Y kann in Radionuklidbatterien, etwa für abgelegene Leuchttürme und Funkfeuer in der ehemaligen Sowjetunion, zur langlebigen Isotopenmarkierung, zur Dickenmessung von Materialien oder zum Kalibrieren von Geigerzählern genutzt werden.

    87Sr ist das Zerfallsprodukt des mit einer Halbwertszeit von 48 Milliarden Jahren sehr langlebigen Rubidiumisotops 87Rb. Aus dem Verhältnis der verschiedenen Strontiumisotope kann im Rahmen einer Strontiumisotopenanalyse daher das Alter von rubidium- und strontiumhaltigen Gesteinen wie Granit bestimmt werden.

    Strontium wird unter verschiedenen Bedingungen in unterschiedlichen Mengen in Knochen und Zähnen eingelagert. Gleichzeitig hängt das Isotopenverhältnis von 86Sr und 87Sr von den Gesteinen der Umgebung ab. Daher kann man aus den Isotopenverhältnissen des Strontiums mitunter Rückschlüsse auf Wanderungsbewegungen von prähistorischen Menschen ziehen.

    Der kleine deutsche Kugelhaufenreaktor namens AVR neben dem Gelände des Forschungszentrums in Jülich gilt nach Angabe des Betreibers als die am stärksten mit 90Sr kontaminierte Nuklearanlage weltweit. Auch im Boden unter dem Reaktor befindet sich Strontium. Dieses soll beim Rückbau des Reaktors bis 2017[veraltet] aufwändig entfernt werden.

     

  • Bedeutung

    Biologische Bedeutung

    Nur wenige Lebewesen nutzen Strontium in biologischen Prozessen. Hierzu zählen Acantharia, einzellige eukaryontische Lebewesen, die zu den Strahlentierchen gehören und ein häufiger Bestandteil des Zooplanktons im Meer sind. Diese nutzen als einzige Protisten Strontiumsulfat als Baumaterial für das Skelett. Dadurch bewirken sie auch Veränderungen des Strontiumgehaltes in einzelnen Meeresschichten, indem sie zunächst Strontium aufnehmen und nach dem Absterben in tiefere Schichten sinken, wo sie sich auflösen.

    Physiologische und therapeutische Bedeutung

    Strontium ist nicht essentiell, es sind nur wenige biologische Wirkungen des Elementes bekannt. So ist es möglich, dass Strontium hemmend gegenüber Karies wirkt.

    Im Tierversuch bei Schweinen zeigten sich durch eine strontiumreiche und calciumarme Ernährung Symptome wie Koordinationsstörungen, Schwachheit und Lähmungserscheinungen.

     

    Strontium hat in seinen Eigenschaften große Ähnlichkeit mit Calcium. Jedoch wird es im Gegensatz zu Calcium nur in geringen Mengen über den Darm aufgenommen. Verantwortlich hierfür ist möglicherweise der größere Ionenradius des Elementes. Der Gehalt an Strontium beträgt durchschnittlich bei einem 70 Kilogramm schweren Mann nur 0,32 g, im Vergleich dazu enthält der Körper etwa 1000 g Calcium. Das aufgenommene Strontium wird – wie Calcium – vor allem in den Knochen gespeichert, was eine Behandlungsoption für die Osteoporose darstellt. Durch Salzbildung mit organischen Säuren wie Ranelicsäure oder Malonsäure wird eine entsprechend hohe Bioverfügbarkeit erreicht.

    89Sr wird als Chlorid (unter dem Handelsnamen „Metastron“) zur Radionuklidtherapie von Knochenmetastasen verwendet.

  • Sicherheitshinweise

    Wie andere Erdalkalimetalle ist Strontium brennbar. Es reagiert mit Wasser oder Kohlenstoffdioxid, so dass diese nicht als Löschmittel verwendet werden können. Zum Löschen sollten Metallbrandlöscher (Klasse D) verwendet werden, zudem ist die Verwendung von trockenem Sand, Salz und Löschpulver möglich. Weiterhin bildet sich bei Kontakt mit Wasser Wasserstoff, der explosionsgefährlich ist. Für die Beseitigung kleiner Mengen kann Strontium mit Isopropanol, tert-Butanol oder Octanol umgesetzt werden.

     

  • Verbindungen

    Wie alle Erdalkalimetalle kommt Strontium in stabilen Verbindungen ausschließlich in der Oxidationsstufe +2 vor. Es handelt sich in der Regel um farblose, häufig gut wasserlösliche Salze.

    Halogenide

    Mit den Halogenen Fluor, Chlor, Brom und Iod bildet Strontium jeweils ein Halogenid mit der allgemeinen Formel SrX2. Es sind typische, farblose und bis auf Strontiumfluorid gut wasserlösliche Salze. Sie können durch Umsetzung von Strontiumcarbonat mit Halogenwasserstoffsäuren wie Flusssäure oder Salzsäure dargestellt werden. Verwendung findet unter anderen Strontiumchlorid als Zwischenprodukt für die Herstellung anderer Strontiumverbindungen sowie in Zahnpasta, wo es gegen schmerzempfindliche Zähne wirken soll.

    Salze von Sauerstoffsäuren

    Industriell wichtig sind vor allem die Strontiumsalze von Sauerstoffsäuren wie Strontiumcarbonat, Strontiumnitrat, Strontiumsulfat oder Strontiumchromat. Strontiumcarbonat ist die wichtigste Handelsform von Strontiumverbindungen, der Großteil des abgebauten Coelestins wird zu Strontiumcarbonat umgesetzt. Verwendet wird es vor allem zur Herstellung von röntgenabsorbierendem Glas für Kathodenstrahlröhren, aber auch für die Herstellung von Strontiumferrit für Permanentmagnete oder Elektrokeramiken. Strontiumnitrat wird vorwiegend in der Pyrotechnik für die Strontium-typische rote Flammenfärbung eingesetzt, das gelbe Strontiumchromat dient als Grundierung gegen Korrosion von Aluminium im Flugzeug- oder Schiffbau.

    Weitere Strontiumverbindungen

    Strontium(I)-Verbindungen wurden als instabile Zwischenstufen in heißen Flammen nachgewiesen. Dabei ist Strontium(I)hydroxid, SrOH, ähnlich wie Strontium(I)chlorid, SrCl, ein starker Emitter im roten Spektralbereich und fungiert als alleiniger Farbgeber in lichtstarken und tiefgesättigten roten pyrotechnischen Leuchtsätzen.

    Organische Strontiumverbindungen

    Organische Strontiumverbindungen sind nur in geringem Maße bekannt und untersucht, da sie sehr reaktiv sind und auch mit vielen Lösungsmitteln wie Ethern reagieren können. In unpolaren Lösungsmitteln sind sie dagegen unlöslich. Dargestellt wurde unter anderem ein Metallocen mit Pentamethylcyclopentadienyl-Anionen (Cp*), das in der Gasphase im Gegensatz zu anderen Metallocenen wie Ferrocen gewinkelt ist.

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Silicium

Si • Ordnungszahl 14

Silicium

Silicium ist ein Halbmetall der Kohlenstoffgruppe. Reines, elementares Silicium besitzt eine grau-schwarze Farbe und weist einen typisch metallischen, oftmals bronzenen bis bläulichen Glanz auf. Es ist das zweithäufigste Element in der Erdkruste. Nur Sauerstoff kommt häufiger vor. Ähnlich Wasser weist Silicium eine Dichteanomalie auf: Seine Dichte ist in flüssiger Form höher als in Festform.

In der Natur ist reines Silizium nicht anzutreffen, weil es zu reaktiv ist. Es ist aber praktisch in allen Gesteinen vorhanden. Der Name Silizium leitet sich daher auch vom lateinischen „silex“ oder „silicis“ ab, was „Feuerstein“ bedeutet.

Aufgrund seiner Atomstruktur ist Silizium der wichtigste Halbleiter im Elektronik- und Technologiesektor.

Silicium ist für den menschlichen Körper ein lebensnotwendiges Spurenelement, das vor allem über pflanzliche Nahrung aufgenommen wird. Es ist wertvoller Bestandteil des Bindegewebes.
China ist das wichtigste Herstellerland von metallurgischem Silicium. Deutschland, die USA und Japan sind führend in der Herstellung von hochreinem Silizium für Halbleiter.

Aufgrund seiner Bedeutung für die Herstellung von Halbleiterchips, den Elektronikmarkt und die Solarstromerzeugung, gilt Siliciummetall in der EU als strategischer Rohstoff.

  • Geschichte

    Siliziumhaltige Verbindungen spielten in der Menschheitsgeschichte seit langem als Baumaterial traditionell eine wichtige Rolle. Aufgrund ihrer scharfen Schnittkanten fanden Siliziumhaltige Gesteine schon in der Steinzeit Einsatz als Werkzeuge. Obsidian als besonders geeignetes Werkzeugmaterial wurde schon in vorgeschichtlichen Zeiten abgebaut und gehandelt.
    Die Glasherstellung aus Quarzsand begann etwa um 3.500 v. Chr. in Mesopotamien und Ägypten.

    Als Element wurde Silizium vermutlich zum ersten Mal von Antoine Lavoisier im Jahre 1787 und unabhängig davon von Humphry Davy im Jahre 1800 hergestellt, fälschlicherweise jedoch für eine Verbindung gehalten.

    Im Jahre 1811 stellten der Chemiker Joseph Louis Gay-Lussac und Louis Jacques Thénard (vgl. Thénards Blau) unreines und amorphes Silizium her.
    Der Schwede Jöns Jakob Berzelius erkannte als erster die elementare Natur des Siliziums und gab ihm seinen Namen.

    Der englische Begriff „silicon“ wurde 1831 von dem Engländer Thomas Thomson vorgeschlagen. Die Endung „-on“ soll dabei auf die chemische Verwandtschaft zum Kohlenstoff (engl. carbon) hinweisen.
    Die erstmalige Herstellung reinen, kristallinen Siliziums gelang im Jahre 1854 dem französischen Chemiker Henri Etienne Sainte-Claire Deville mittels Elektrolyse.
    Um die Jahrhundertwende begann die erste technische Siliziumproduktion durch Reduktion von Quarzsand mit Kohle im Lichtbogenofen.

    1916 begann die Firma DuPont mit der Großproduktion von Siliziummetall für Stahllegierungen.

    Mitte des 20. Jahrhundert kam der Bedarf an hochreinem Silizium für Transistoren auf und führte zur Entwicklung des Siemens-Prozesses, der aus der Gasphasenabscheidung von Silan (SiH₄) und der Zersetzung zu Reinstsilizium besteht. Damit war der Beginn des Siliziumzeitalters in der Halbleitertechnik eingeläutet.

  • Verwendung

    Silizium wird industriell in verschiedenen Formen eingesetzt, je nach Reinheitsgrad und chemischer Struktur.

    Siliziumdioxid, also Quarzsand, ist der Grundstoff für Glas.

    Ferrosilizium findet eine breite Verwendung in der Eisenmetallurgie. Es ist eine Vorlegierung für die Herstellung von Stahl und Gusseisen sowie ein Vorprodukt zur Herstellung von hochreinem Silizium für den Photovoltaik- und Halbleitermarkt. Ferrosilizium wird auch als Reduktionsmittel zur Gewinnung von Metallen verwendet.

    Metallurgisches Silizium, das aus Quarzsand gewonnen wird, geht in Aluminiumlegierungen im Leichtbau (Autoindustrie). Etwa die Hälfte des hergestellten Siliziummetalls gehen in diesen Sektor.

    Aus Siliziummetall werden hochreines Polysilizium mit einer Reinheit von über 99 Prozent (hochrein) sowie hochreines monokristallines Silizium hergestellt. Polysilizium wird in Solarzellen und in der Halbleiterindustrie verwendet. Monokristallines Silizium wird in Computerchips, Prozessoren und Hochleistungselektronik eingesetzt.

  • Vorkommen, Abbau, Gewinnung

    Zu den wichtigen Silikatmineralien zählen Tone, Feldspat, Olivin, Pyroxen, Amphibole, Glimmer und Zeolithe. Für die Siliziumgewinnung eignet sich besonders Quarzsand. Da Silizium das zweithäufigste Element der Erdkruste, ist es weit verbreitet.

    Metallurgisches Silizium mit einer Reinheit von 98 bis 99 Prozent wird durch Reduktion von Quarzsand mit Kohle in Hochöfen gewonnen.

    Hochreines Silizium wird aus metallurgischem Silizium über das Siemens-Verfahren oder im Wirbelschichtreaktor hergestellt.

    Die Herstellung von Siliziummetall ist extrem energieintensiv. China dominiert mit einem Marktanteil von 70 bis 80 Prozent die globale Produktion mit Unternehmen wie Hoshine Silicon und Tongwei.

    Die Jahresproduktion von Siliziummetall beträgt etwa 3,3 bis 3,8 Millionen Tonnen.

  • Substitution

    Aluminium, Siliziumkarbid und Silikomangan können in einigen Anwendungen Ferrosilizium ersetzen.
    Galliumarsenid und Germanium sind die wichtigsten Ersatzstoffe für Silizium in Halbleiteranwendungen.

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