Monazit
Monazit ist ein Sammelbegriff für die von der IMA anerkannten Minerale und Endglieder einer lückenlosen Mischreihe, bestehend aus Monazit-(La), Monazit-(Ce), Monazit-(Nd) und Monazit-(Sm) sowie deren Mischkristalle. Diese eher selten vorkommenden Minerale gehören zur Mineralklasse der „Phosphate, Arsenate und Vanadate“ und kristallisieren im monoklinen Kristallsystem mit folgender chemischen Zusammensetzung[1][2]:
- Monazit-(La) – (La,Ce,Nd)[PO4] bzw. LaPO4
- Monazit-(Ce) – (Ce,La,Nd,Th)[PO4] bzw. CePO4
- Monazit-(Nd) – (Nd,Ce,Sm)[PO4] bzw. NdPO4
- Monazit-(Sm) – (Sm,Gd,Ce,Th)[PO4] bzw. SmPO4
| Monazit | |
|---|---|
 | |
| Allgemeines und Klassifikation | |
| Chemische Formel | siehe Einzelminerale |
| Mineralklasse (und ggf. Abteilung) |
Phosphate, Arsenate, Vanadate |
| System-Nr. nach Strunz und nach Dana |
8.AD.50 (8. Auflage: VII/A.15) 38.04.03 (Monazit-Gruppe) |
| Ähnliche Minerale | Xenotim, Brabantit, Gasparit |
| Kristallographische Daten | |
| Kristallsystem | monoklin |
| Kristallklasse; Symbol | monoklin-prismatisch, 2/m |
| Raumgruppe | P21/n (Nr. 14, Stellung 2) |
| Gitterparameter | siehe Kristallstruktur |
| Formeleinheiten | Z = 4 Bitte Quelle als Einzelnachweis ergänzen |
| Zwillingsbildung | häufig |
| Physikalische Eigenschaften | |
| Mohshärte | 5 bis 5,5 |
| Dichte (g/cm3) | 4,6 bis 5,4 |
| Spaltbarkeit | {001} deutlich; {100} undeutlich |
| Bruch; Tenazität | uneben |
| Farbe | braun, gelb, rötlich, grünlich, farblos |
| Strichfarbe | grauweiß |
| Transparenz | durchscheinend bis undurchsichtig |
| Glanz | Harzglanz |
| Radioaktivität | bei Vorhandensein von Th radioaktiv |
| Kristalloptik | |
| Brechungsindizes | nα = 1,785 bis 1,800 nβ = 1,787 bis 1,801 nγ = 1,837 bis 1,849 |
| Doppelbrechung | δ = 0,049 bis 0,052 |
| Optischer Charakter | zweiachsig positiv |
| Achsenwinkel | 2V = 6 bis 19° |
| Pleochroismus | farblos zu gelb |
| Weitere Eigenschaften | |
| Chemisches Verhalten | unlöslich in Wasser |
| Besondere Merkmale | manchmal fluoreszierend |
Die in der Formel auftretenden Metalle Lanthan (La), Cer (Ce), Neodym (Nd) und Samarium (Sm) werden auch als Metalle der Seltenen Erden bezeichnet. Des Weiteren finden sich aufgrund ihrer vollständigen Löslichkeit ineinander aber immer auch Beimengungen der jeweils anderen Endglieder der Mischreihe sowie von Gadolinium (Gd), Praseodym (Pr), Yttrium (Y) und bis zu 20 % Thorium (Th). Monazit-(Sm) – (Sm,Gd,Ce,Th)[PO4] bzw. SmPO4.
Da die Lanthanoide in der Natur niemals rein, sondern immer als Mischungen der entsprechenden Elemente vorkommen, gibt es für Monazit die alternative chemische Formel Ln[PO4]. Hier steht das Symbol Ln nicht für das einzelne Element Lanthan (La), sondern für die Summe aller Lanthanoide.
Monazit ist neben dem Bastnäsit das wichtigste Erz zur Gewinnung dieser Selten-Erd-Metalle.
Etymologie und Geschichte
Das Wort Monazit leitet sich aus dem Griechischen μονάζειν [monázein] „allein leben“ (zusammengesetzt aus μόνος [mónos] „allein“ und ζήω [zēō] „leben“, deren Etymologien unklar sind) ab, was sich auf die einzeln vorkommenden Kristalle bezieht.[3] Eremit – ein Synonym zu Monazit[4] – wurde 1837 von Shepard beschrieben und so benannt, in Anspielung auf die entfernt voneinander auftretenden Individuen dieses Minerals.[5]
Monazit wurde zunächst von Carl Auer von Welsbach in Ballastsand in Schiffen aus Brasilien beobachtet. Er suchte in den 1880er Jahren nach Thorium für die von ihm erfundenen Glühstrümpfe. Schon bald setzte sich Monazitsand als Thoriumquelle für die Glühstrumpfherstellung durch, was auch den Grundstein der Seltenerdindustrie darstellte. Für kurze Zeit wurde Monazit aus North Carolina importiert, aber bald entdeckte man reichhaltige Quellen in Indien und Brasilien. Bis zum Zweiten Weltkrieg war Monazit die Hauptquelle für Seltenerdmetalle, bis man ca. 1965 damit begann, Bastnäsit zu verarbeiten.
Klassifikation
In der alten (8. Auflage) und neuen Systematik der Minerale (9. Auflage) nach Strunz werden die Minerale der Monazitreihe der Abteilung der „wasserfreien Phosphate ohne fremde Anionen zugeordnet“. Diese Abteilung ist seit der neuen Systematik weiter untergliedert, sodass die Monazite jetzt in der Unterabteilung der Verbindungen mit ausschließlich großen Kationen zu finden sind und mit den weiteren Mineralen Cheralith, Gasparit-(Ce) und Rooseveltit eine System-Gruppe mit der Kurzbezeichnung 8.AD.50 bilden (8. Aufl.: Monazit-(La) – VII/A.15-10, Monazit-(Ce) – VII/A.15-20, Monazit-(Nd) – VII/A.15-30, Monazit-(Sm) – VII/A.15-35).
In der Systematik der Minerale nach Dana gehören die Minerale der Monazitreihe ebenfalls der Abteilung der wasserfreien Phosphate (Anhydrous Phosphates) zugeordnet und bilden entsprechend ihrer allgemeinen chemischen Zusammensetzung A+ XO4 (A=Metall, X=Phosphor, Arsen, Vanadium) und der jeweils gleichen Kristallstruktur zusammen mit den weiteren Mineralen Cheralith, Brabantit und Gasparite-(Ce) die Monazit-Gruppe mit der Kurzbezeichnung 38.4.3.
Kristallstruktur
| Mineral | Gitterparameter |
| Monazit-(La) | a = 6,8313 Å; b = 7,0705 Å; c = 6,5034 Å β = 103,27°[6] |
| Monazit-(Ce) | a = 6,7902 Å; b = 7,0203 Å; c = 6,4674 Å β = 103,38°[7] |
| Monazit-(Nd) | a = 6,7352 Å; b = 6,9500 Å; c = 6,4049 Å β = 103,68°[8] |
| Monazit-(Sm) | a = 6,6818 Å; b = 6,8877 Å; c = 6,3653 Å β = 103,86°[9] |
Alle Monazite kristallisieren im monoklinen Kristallsystem in der Raumgruppe P21/n (Raumgruppen-Nr. 14, Stellung 2) mit den nebenstehend angegebenen, sich nur geringfügig unterscheidenden Gitterparametern sowie jeweils vier Formeleinheiten pro Elementarzelle. Monazit ist eng verwandt mit dem tetragonal kristallisierenden Xenotim (Y,Yb)[PO4]. Monazit enthält die leichteren aber größeren Seltenerdmetalle, die Koordinationszahl am Seltenerdmetall beträgt CN = 9. Die kleineren und schwereren Seltenerdmetalle im Xenotim weisen nur noch eine Koordinationszahl von CN = 8 auf, wodurch auch die höhere Symmetrie seiner Struktur ermöglicht wird.
Eigenschaften
Die Farbe variiert zwischen braunrot und gelb, es kristallisiert monoklin und hat eine Dichte von ca. 5 g/cm3. Es besteht aus ca. 50 % Cer, ca. 20 % Lanthan und Neodym, ca. 5 % Praseodym und Spuren anderer Seltenerd-Verbindungen. Die Zusammensetzung von Cer-Mischmetall entspricht der von Monazit.
Monazit kann bis zu 20 Gew.% radioaktives Thoriumdioxid (ThO2) und bis zu 1 Gew.% Uranoxid (UO2) enthalten, ebenso deren Zerfallsprodukte Blei (Pb) und in sehr geringen Mengen Helium (He). Seine spezifische Aktivität beträgt bis zu 250 kBq pro kg und ist damit etwa 100-fach stärker als bei anderen Mineralsanden[10]. Daher ist Monazit ein wichtiges Mineral für die absolute Altersdatierung von Gesteinen (Geochronologie).
Bildung und Fundorte
Monazit findet sich in zahlreichen geologischen Umgebungen.[11] Es kommt in saurem magmatischen Gestein sowie in metamorphem Gestein vor. Dank seiner chemischen Beständigkeit ist es auch in Trümmergestein sowie in Seifen vorhanden. Als Monazitsand bildet es Lagerstätten in Fluss- und Küstensanden (Seifen-Lagerstätten). Sie entstanden durch Anreicherung der schweren Minerale nach Verwitterung des Muttergesteins.
Wichtige primäre Ablagerungen an Monazit gibt es in den Erzgruben von Bayan Obo in China sowie in Mountain Pass in Kalifornien, Van Rhynsdorp und Naboomspruit in Südafrika. Die Strände von Trivandrum und Travancore in Südindien bestehen aus großen Mengen Sand mit hohem Gehalt an Monazit.
Als weitere Fundorte für Monazite sind bisher unter anderem verschiedene Regionen in Australien; die Küstenstreifen vor Rio de Janeiro, Bahia, Espírito Santo und Paraíba (Parahyba) in Brasilien; Antsirabé in Madagaskar; Iveland und Narestö in Norwegen; Miask im Ural (Russland); Sri Lanka;[12]
Verwendung
Monazite werden fast ausschließlich als Rohstoff zur Gewinnung der Selten-Erd-Metalle benötigt. Daneben wird auch das in den Verbindungen enthaltene Thorium gewonnen, das man bis in die 1970er Jahre zur Herstellung der für Gaslampen wichtigen Glühstrümpfe brauchte. Aufgrund der Tatsache, dass sich spaltbares Uran-233 aus Thorium erbrüten lässt, wurde es, gemischt mit Uran-235, bis 1989 in Hochtemperaturreaktoren verwendet.
Die Metalle der seltenen Erden können entweder durch saure oder alkalische Behandlung aufgeschlossen werden.
Saurer Aufschluss
Im sauren Aufschluss wird ein Gemisch des Sandes mit 98%iger Schwefelsäure in Behältern aus Gussstahl für mehrere Stunden auf 120 bis 150 °C erhitzt. Die Aufschlussreaktion ist stark exotherm. Wenn die Temperatur unterhalb 250 °C gehalten und ein Überschuss an Säure eingesetzt wird, wird das enthaltene Thorium wasserlöslich. Wenn gleiche Gewichtsmengen an Säure und Sand verwendet und eine höhere Temperatur eingestellt werden, wird das Thorium wasserunlöslich. Letzteres ist unüblich. Der entstehende Schlamm wird mit Wasser abgeschreckt, wobei die Sulfate in Lösung gehen. Das Thorium wird anschließend durch Fällung als Pyrophosphat oder durch Neutralisation als basisches Salz ausgefällt. Die in Lösung verbleibenden Lanthanoide werden dann entweder komplett mit Oxalsäure gefällt oder partiell durch Fällung der Cer-Gruppe als Natrium-Sulfat-Doppelsalz gewonnen. Die verbleibende Yttrium-Gruppe wird separat verarbeitet. Die Phosphate können durch Fällung der Hydroxide mit Natriumhydroxid getrennt werden. Wenn das wasserhaltige Präzipitat in Luft getrocknet wird, oxidiert das Cer(III)- zu Cer(IV)-oxid.[11]
Basischer Aufschluss
Beim basischen Aufschluss wird der Monazit-Sand mit Natronlauge bei ca. 140 °C behandelt. Dabei entstehen unlösliche Oxide und Hydroxide sowie Natriumphosphat, welches nach Zugabe von Wasser in Lösung geht. Der unlösliche Schlamm wird mit verdünnter Salzsäure behandelt, wobei die Lanthanoid-Oxide in Lösung gehen, während das Thoriumdioxid als Rückstand verbleibt, verunreinigt mit anderen säureunlöslichen Komponenten. Aus der Lösung kann Cer(IV)-oxid durch Oxidation mit Natriumhypochlorit bei gleichem pH-Wert fast vollständig gefällt werden.[11]
Siehe auch
Literatur
- Paul Ramdohr, Hugo Strunz: Klockmanns Lehrbuch der Mineralogie. 16. Auflage. Ferdinand Enke Verlag, 1978, ISBN 3-432-82986-8, S. 625 bis 626.
Weblinks
- Mineralienatlas:Monazit (Wiki)
Einzelnachweise
- Stefan Weiß: Das große Lapis Mineralienverzeichnis. 5. Auflage. Christian Weise Verlag, München 2008, ISBN 978-3-921656-70-9, S. 176.
- IMA/CNMNC List of Mineral Names (englisch, PDF 1,79 MB)
- Etymology of mineral and rock names
- Wolfgang Brendler: Mineraliensammlungen. 2. Teil. Wilhelm Engelmann, Leipzig 1912, S. 187 archive.org
- “The name bestowed upon the mineral is derived from ερημία, solitude, in allusion to the isolated manner of its occurrence, with respect to other individuals of the same species.” – „Der dem Mineral verliehene Name ist von [gr.] ερημία, Einsamkeit, abgeleitet, anspielend auf die Art seines Auftretens in Beziehung zu anderen Individuen der gleichen Spezies.“ – Charles Upham Shepard: Notice of Eremite, a new Mineral Species. In: The American Journal of Science and Arts. Band 32 (1837), S. 341 f. Volltext in der Google-Buchsuche
- American Mineralogist Crystal Structure Database – Monazite-(La) (englisch, 1995)
- American Mineralogist Crystal Structure Database – Monazite-(Ce) (englisch, 1995)
- American Mineralogist Crystal Structure Database – Monazite-(Nd) (englisch, 1995)
- American Mineralogist Crystal Structure Database – Monazite-(Sm) (englisch, 1995)
- Naturally-Occurring Radioactive Materials
- C.K. Gupta, N. Krishnamurthy, Extactive Metallurgy of Rare Earths. CRC Press, 2005, ISBN 0-415-33340-7.
- MinDat – Localities for Monazite (englisch)