De sällsynta jordartsmetallernas historia

2000-05-31 13:00  
De kallas för sällsynta jordartsmetaller, men i själva verket är de inte alls särskilt sällsynta. Exempelvis är silver (0,07 ppm i jordskorpan) betydligt ovanligare än den "sällsynta" jordartsmetallen erbium (3,8 ppm).

Varför har då silver varit känt sedan förhistorisk tid medan erbium upptäcktes först efter oerhörd forskarmöda år 1842? Svaret är naturligtvis att silver visserligen är sällsynt, men där det finns uppträder det i högt anrikad form, lätt att förädla till ren metall. Erbium finns visserligen närvarande praktiskt taget överallt, men i så låga halter att ämnet är snudd på omöjligt att ens påvisa.

Under senare tid har erbium fått stor användning som dopämne i fiberoptiska kablar. Erbiumatomerna kan nämligen exciteras, varefter de sänder ut fotoner med samma våglängd som signalen i kabeln när de faller tillbaka till en lägre nivå. Detta gör att de fungerar som signalförstärkare inne i själva fibern. Erbium är alltså i högsta grad ett ämne som har fått teknisk och kommersiell användning.

Andra av de sällsynta jordartsmetallerna används i supraledare, i teveskärmar, i extremt starka magneter och i batterier. Så låt oss titta lite närmare på de inte alls så ovanliga men svårfångade jordartsmetallerna och hur de upptäcktes.


Historien började i slutet av 1700-talet i Ytterby utanför Vaxholm. Där fanns ett pegmatitbrott där man bröt kvarts och fältspat för porslinstillverkningen i Rörstrand och Gustavsberg. En artilleriofficer och mineralog vid namn Carl Axel Arrhenius upptäckte att det inbäddat i kvartsen och fältspaten från Ytterby fanns klumpar av ett svart tungt mineral som han aldrig sett förut. 1794 skickade han över lite material till den finske geologen Gadolin som då jobbade i Uppsala.

Gadolin undersökte det hela efter konstens alla regler och fann att det bestod av "31 delar kiseljord, 19 delar alunjord, 12 delar järnkalk och 38 delar av en okänd jordart". Saken bekräftades snart av ledande kemister i Tyskland och Frankrike.

Den okända jordarten, dvs det nya grundämnet, gavs namnet yttrium, och därmed hade Ytterby fått en plats på den kemiska världskartan. Mineralet döptes till gadolinit.

Men inte nog med det. I Bastnäs i Västmanland fann man ett likartat mineral, kallat bastnäsit. Det undersöktes av Berzelius, och befanns även det innehålla en ny "jordart". Berzelius gav den namnet cerium efter en nyupptäckt småplanet i asteroidbältet - vilken i sin tur fått sitt namn efter den romerska fruktbarhetsgudinnan.

Två splitter nya grundämnen hade nu upptäckts i Sverige. Men det skulle bli fler.

1825 hade ceriummetall för första gången framställts. Men en av Berzelius lärjungar, Carl Gustaf Mosander, började alltmer misstänka att cerium i själva verket var en blandning av två likartade grundämnen. Till en början gjorde han sina analyser i smyg för att inte förarga sin store läromästare, men 1838 lyckades han isolera ett nytt ämne som legat gömt i ceriumet. Berzelius accepterade sitt misstag, och kallade det nya ämnet lantan, vilket är grekiska för "gömd".

Men även lantan visade sig vara en tvillingmetall. 1840 lyckades Mosander isolera ytterligare ett nytt ämne som han kallade didym, tvillingen.

Kunde det nu vara så att även yttrium var ett sammansatt ämne? Analysmetoderna hade förbättrats, och Mosander fick fram tre olika ämnen vilka han kallade yttrium, terbium och erbium, alla efter fyndplatsen Ytterby.

Några decennier senare visade sig både terbium och erbium dölja ytterligare ämnen. Efter spektralanalys upptäckte kemiprofessorn Per Theodor Cleve i Uppsala thulium (efter romarnas namn Thule för den yttersta Norden) samt holmium (efter Stockholm). Holmium visade sig gömma ytterligare ett ämne som fick namnet dysprosium (efter grekiskans "svårt att komma fram till").

Men det var inte slut här heller. 1885 lyckades en tysk vid namn Auer von Welsbach splittra Mosanders didym i två ämnen som han kallade neodym (den nya tvillingen) och praseodym (den gröna tvillingen). Vidare analyser i Frankrike ledde till upptäckten av samarium (efter mineralet samarskit från Ural) och gadolinium (efter Johan Gadolin, upptäckaren av yttrium).

I periodiska systemetfanns vid den här tiden ett förargligt hål på plats 21. Mendeljev hade kallat detta hypotetiska ämne eka-bor. Uppsalaprofessorerna Cleve och Nilsson förutsåg nu att detta ämne skulle ha ungefär samma egenskaper som de funna sällsynta jordartsmetallerna. Och mycket riktigt. Ur erbium kunde Nilsson 1880 renframställa oxiden av ämne 21, scandium (efter Skandinavien). Dessutom fann han ett nytt ämne som han kallade ytterbium.

Ämnesjakten fortsatte i Paris med upptäkterna av lutetium (efter romarnas namn på Paris) och europium. Hur många sällsynta jordartsmetaller fanns det egentligen?

Med ökad förståelse för elektronskalens uppbyggnad klarnade det hela till sist. I periodiska systemet finns en inskjuten grupp av sammanlagt 14 ämnen, lantaniderna, med atomnummer från 57 till 71. 1910 hade 13 av dem upptäckts? Var fanns då det fjortonde, ämne nummer 61?

Inte på jorden, ämne 61 är nämligen instabilt. Men dess spektrallinjer upptäcktes i ljuset från en supernova i Andromedanebulosan. Ämne 61 bildas som klyvningsprodukt när uran sönderfaller, och 1945 kunde ett lag amerikanska forskare påvisa ämnet vid en forskningsreaktor i Tenessee. Det fick namnet prometium efter Prometeus, titanen som stal elden från gudarna och gav den till människorna.

Efter 150 år var alla de sällsynta jordartsmetallerna äntligen funna, de flesta av svenska kemister. Inte mindre än fyra ämnen har fått namn efter lilla Ytterby.

Om detta och mycket annat finns att läsa i Per Enghags utmärkta bokverk i tre delar "Jordens grundämnen och dess upptäckt". Det här är något så enastående som en blandning av vetenskaps-, teknik- och kulturhistoria, och handlar om allt som har med jordskorpan, mineral och metaller att göra. Här finns redogörelser för upptäckt, fyndorter och användningsområden för vart och ett av de 92 naturliga grundämnena. Dessutom tabeller, illustrationer, biografier och en hel del skrönor.

Det första bandet har undertiteln "Några viktiga teknikmetaller" (248 sidor, 360 kronor), och handlar om grundämnenas ursprung, utbredning och etymologi. I det andra bandet, "Sällsynt ädelt och aktivt" (301 sidor, 360 kronor), kan man bland annat läsa om de sällsynta jordartsmetallerna, ädelmetallerna och transuranerna.

Det tredje och sista bandet, "Byggstenar för marken och vattnet - luften och livet" (512 sidor, pris 530 kronor), har just kommit från trycket. Här kan man läsa om koppar- och järnhanteringens historia och om hur bruket av metaller förändrat människans livsvillkor.
Böckerna är utgivna av förlaget Industrilitteratur. Utgivningen har finansierats av Nationalkommittén för kemi.

Periodiska systemet, med uppgifter om alla de olika grundämnenas egenskaper, finns i flera olika upplagor på internet. En av de bästa, och dessutom på svenska, finns på
http://www.pedagogen.com/nytto/persys/per_sys.htm

Ett annat är Webelements, ett periodiskt system på engelska med länkar till uppgifter om varje ämne. Adressen är
http://www.shef.ac.uk/chemistry/web_elements/

Kaianders Sempler

Kommentarer

Välkommen att säga din mening på Ny Teknik.

Principen för våra regler är enkel: visa respekt för de personer vi skriver om och andra läsare som kommenterar artiklarna. Alla kommentarer modereras efter publiceringen av Ny Teknik eller av oss anlitad personal.

  Kommentarer

Dagens viktigaste nyheter

Aktuellt inom

Debatt