Cer - Cerium

Cer,  58 Ce
Cerium2.jpg
Cer
Wymowa / E ɪər i ə m / ( SEER -ee-əm )
Wygląd zewnętrzny srebrzystobiały
Średnia masa atomowa R STD (CE) 140.116(1)
Cer w układzie okresowym
-

Ce

Th
lantancerprazeodym
Liczba atomowa ( Z ) 58
Grupa grupa nie dotyczy
Okres okres 6
Blok   f-blok
Konfiguracja elektronów [ Xe ] 4f 1 5d 1 6s 2
Elektrony na powłokę 2, 8, 18, 19, 9, 2
Właściwości fizyczne
Faza STP solidny
Temperatura topnienia 1068  K (795 °C, 1463 °F)
Temperatura wrzenia 3716 K (3443 ° C, ​6229 ° F)
Gęstość (w pobliżu  rt ) 6.770 g/cm 3
w stanie ciekłym (przy  mp ) 6,55 g / cm 3
Ciepło stapiania 5,46  kJ/mol
Ciepło parowania 398 kJ/mol
Molowa pojemność cieplna 26,94 J/(mol·K)
Ciśnienie pary
P  (Pa) 1 10 100 1 tys 10 tys 100 tys
T  (K) 1992 2194 2442 2754 3159 3705
Właściwości atomowe
Stany utleniania +1, +2, +3 , +4 (lekko zasadowy tlenek)
Elektroujemność Skala Paulinga: 1,12
Energie jonizacji
Promień atomowy empiryczny: 181,8  pm
Promień kowalencyjny 204±9 pm
Kolorowe linie w zakresie spektralnym
Linie widmowe ceru
Inne właściwości
Naturalne występowanie pierwotny
Struktura krystaliczna podwójne sześciokątny gęstego upakowania (DHCP)
Podwójnie sześciokątna, zamknięta struktura krystaliczna dla ceru

β-Ce
Struktura krystaliczna płaskocentryczną sześcienny (FCC)
Wyśrodkowana na twarzy sześcienna struktura krystaliczna dla ceru

γ-Ce
Prędkość dźwięku cienki pręt 2100 m/s (przy 20 °C)
Rozszerzalność termiczna γ, poli: 6,3 µm/(m⋅K) (w temperaturze  pokojowej )
Przewodność cieplna 11,3 W/(m⋅K)
Rezystancja β, poli: 828 nΩ⋅m (w temperaturze  pokojowej )
Zamawianie magnetyczne paramagnetyczny
Molowa podatność magnetyczna (β) +2 450 0,0 x 10 -6  cm 3 / mol (293 K)
Moduł Younga forma γ: 33,6 GPa
Moduł ścinania forma γ: 13,5 GPa
Moduł objętościowy forma γ: 21,5 GPa
Współczynnik Poissona forma γ: 0,24
Twardość Mohsa 2,5
Twardość Vickersa 210–470 MPa
Twardość Brinella 186-412 MPa
Numer CAS 7440-45-1
Historia
Nazewnictwo na cześć planety karłowatej Ceres , nazwanej tak od rzymskiego bóstwa rolnictwa Ceres
Odkrycie Martin Heinrich Klaproth , Jöns Jakob Berzelius , Wilhelm Hisinger (1803)
Pierwsza izolacja Carl Gustaw Mosander (1838)
Główne izotopy ceru
Izotop Obfitość Okres półtrwania ( t 1/2 ) Tryb zaniku Produkt
134 Ce syn 3,16 dnia ε 134 La
136 Ce 0,186% stabilny
138 Ce 0,251% stabilny
139 Ce syn 137,640 d ε 139 La
140 Ce 88,449% stabilny
141 Ce syn 32,501 dnia β 141 pr
142 Ce 11,114% stabilny
143 Ce syn 33.039 godz β 143 Pr
144 Ce syn 284.893 d β 144 Pr
Kategoria Kategoria: Cer
| Bibliografia

Cer to pierwiastek chemiczny o symbolu Ce i liczbie atomowej 58. Cer to miękki , ciągliwy i srebrzystobiały metal, który matowieje pod wpływem powietrza i jest na tyle miękki, że można go ciąć stalowym nożem kuchennym. Cer jest drugim pierwiastkiem w serii lantanowców i chociaż często wykazuje charakterystyczny dla serii stan utlenienia +3 , ma również stabilny stan +4, który nie utlenia wody. Jest również uważany za jeden z pierwiastków ziem rzadkich . Cer nie odgrywa żadnej roli biologicznej u ludzi i nie jest bardzo toksyczny.

Pomimo zawsze występujące w połączeniu z innymi pierwiastkami ziem rzadkich w składniki mineralne, takie jak te z monacytu i bastnazyt grupy ceru można łatwo wyodrębnić z ich rud, można wyróżnić spośród lantanowców przez unikalną zdolność do utlenia się do Stan +4. Jest to najczęstszy z lantanowców, a następnie neodym , lantan i prazeodym . Jest to 26. najliczniej występujący pierwiastek , stanowiący 66  ppm skorupy ziemskiej, o połowę mniej niż chlor i pięć razy więcej niż ołów .

Cer był pierwszym z lantanowców odkrytych w Bastnäs w Szwecji przez Jönsa Jakoba Berzeliusa i Wilhelma Hisingera w 1803 r. oraz niezależnie przez Martina Heinricha Klaprotha w Niemczech w tym samym roku. W 1839 Carl Gustaf Mosander jako pierwszy wyizolował metal. Obecnie cer i jego związki mają różnorodne zastosowania: na przykład tlenek ceru(IV) jest używany do polerowania szkła i jest ważną częścią katalizatorów . Metalowy cer jest używany w zapalniczkach żelazocerowych ze względu na jego właściwości piroforyczne . Domieszkowany cerem luminofor YAG jest używany w połączeniu z niebieskimi diodami emitującymi światło, aby wytwarzać białe światło w większości komercyjnych źródeł białego światła LED.

Charakterystyka

Fizyczny

Cer to drugi element serii lantanowców . W układzie okresowym występuje między lantanowcami lantanem po lewej i prazeodymem po prawej, a nad aktynowcem toru . Jest to metal ciągliwy o twardości zbliżonej do twardości srebra . Jego 58 elektronów jest ułożonych w konfiguracji [Xe]4f 1 5d 1 6s 2 , z czego cztery zewnętrzne elektrony są elektronami walencyjnymi . Poziomy energii 4f, 5d i 6s są bardzo blisko siebie, a przeniesienie jednego elektronu na powłokę 5d jest spowodowane silnym odpychaniem międzyelektronicznym w kompaktowej powłoce 4f. Efekt ten jest przytłaczający, gdy atom jest zjonizowany dodatnio; zatem samo Ce 2+ ma zamiast tego regularną konfigurację [Xe]4f 2 , chociaż w niektórych rozwiązaniach stałych może to być [Xe]4f 1 5d 1 . Większość lantanowców może używać tylko trzech elektronów jako elektronów walencyjnych, ponieważ później pozostałe 4f elektrony są zbyt silnie związane: cer jest wyjątkiem ze względu na stabilność pustej powłoki f w Ce 4+ i fakt, że pojawia się ona bardzo wcześnie w szereg lantanowców, gdzie ładunek jądrowy jest wciąż wystarczająco niski aż do neodymu, aby umożliwić usunięcie czwartego elektronu walencyjnego środkami chemicznymi.

Cer ma zmienną strukturę elektronową . Energia elektronu 4f jest prawie taka sama jak energia zewnętrznych elektronów 5d i 6s, które są zdelokalizowane w stanie metalicznym, a do zmiany względnego zajętości tych poziomów elektronowych wymagana jest tylko niewielka ilość energii. Daje to początek podwójnym stanom walencyjnym. Na przykład zmiana objętości o około 10% występuje, gdy cer jest poddawany działaniu wysokiego ciśnienia lub niskiej temperatury. Wydaje się, że wartościowość zmienia się z około 3 do 4, gdy jest chłodzony lub ściskany.

Alotropy

Diagram fazowy ceru

Wiadomo, że przy standardowym ciśnieniu istnieją cztery alotropowe formy ceru, którym nadano wspólne oznaczenia od α do δ:

  • Forma wysokotemperaturowa, δ-cer, ma strukturę krystaliczną bcc ( sześcienną skoncentrowaną na ciele ) i występuje w temperaturze powyżej 726°C.
  • Stabilną formą poniżej 726 °C do temperatury zbliżonej do pokojowej jest γ-cer o strukturze krystalicznej fcc ( sześciennie wyśrodkowanej ).
  • DHCP (podwójnie heksagonalny upakowany ) forma β-cer jest strukturą równowagi w przybliżeniu od temperatury pokojowej do -150 °C.
  • Forma fcc α-cer jest stabilna poniżej około -150°C; ma gęstość 8,16 g/cm 3 .
  • Inne fazy stałe występujące tylko pod wysokim ciśnieniem pokazano na diagramie fazowym.
  • Obie formy γ i β są dość stabilne w temperaturze pokojowej, chociaż temperaturę przemiany równowagi szacuje się na około 75 °C.

W niższych temperaturach zachowanie ceru komplikuje powolne tempo przemiany. Temperatury przemiany podlegają znacznej histerezie, a podane tu wartości są przybliżone. Po schłodzeniu poniżej -15°C, γ-cer zaczyna się przekształcać w β-cer, ale transformacja obejmuje wzrost objętości i, w miarę jak powstaje więcej β, narastają naprężenia wewnętrzne i hamują dalszą transformację. Schładzanie poniżej około -160°C rozpocznie tworzenie się α-ceru, ale to tylko z pozostałego γ-ceru. β-cer nie przekształca się znacząco w α-cer, z wyjątkiem obecności naprężeń lub deformacji. Ciekły cer pod ciśnieniem atmosferycznym ma większą gęstość niż jego postać stała w temperaturze topnienia.

Izotopy

Naturalnie występujący cer składa się z czterech izotopów: 136 Ce (0,19%), 138 Ce (0,25%), 140 Ce (88,4%) i 142 Ce (11,1%). Wszystkie cztery są obserwacyjnie stabilne , chociaż teoretycznie przewiduje się , że lekkie izotopy 136 Ce i 138 Ce ulegną odwrotnemu podwójnemu rozpadowi beta do izotopów baru , a najcięższy izotop 142 Ce ulegnie podwójnemu rozpadowi beta do 142 Nd lub alfa do 138 . Ba. Dodatkowo 140 Ce uwalnia energię podczas spontanicznego rozszczepienia . Żaden z tych trybów rozpadu nie został jeszcze zaobserwowany, chociaż eksperymentalnie poszukiwano podwójnego rozpadu beta 136 Ce, 138 Ce i 142 Ce. Obecne limity eksperymentalne dotyczące ich okresów półtrwania to:

136 Ce: >3,8×10 16 lat
138 Ce: >5,7×10 16 lat
142 Ce: >5,0×10 16 lat

Wszystkie inne izotopy ceru są syntetyczne i radioaktywne . Najbardziej stabilne z nich to 144 Ce z okresem półtrwania 284,9 dnia, 139 Ce z okresem półtrwania 137,6 dnia i 141 Ce z okresem półtrwania 32,5 dnia. Wszystkie inne radioaktywne izotopy ceru mają okres półtrwania poniżej czterech dni, a większość z nich ma okres półtrwania poniżej dziesięciu minut. Izotopy pomiędzy 140 Ce i 144 Ce doŁąCZANe występować jako produktów rozszczepienia z uranu . Pierwotny sposób rozpadu izotopów lżejszych niż 140 Ce to odwrotny rozpad beta lub wychwyt elektronów do izotopów lantanu , podczas gdy izotopy cięższe to rozpad beta na izotopy prazeodymu .

Rzadkość bogatych w protony 136 Ce i 138 Ce tłumaczy się tym, że nie można ich wytworzyć w najczęstszych procesach gwiezdnej nukleosyntezy pierwiastków poza żelazem, procesie s (powolne wychwytywanie neutronów ) i procesie r ( szybkie wychwytywanie neutronów). Dzieje się tak, ponieważ są one omijane przez przepływ reakcji procesu s, a nuklidy z procesu r są blokowane przed rozpadem przez bardziej stabilne nuklidy bogate w neutrony. Takie jądra nazywane są jądrami p , a ich pochodzenie nie jest jeszcze dobrze poznane: niektóre spekulowane mechanizmy ich powstawania obejmują wychwytywanie protonów oraz fotodezintegrację . 140 Ce jest najpowszechniejszym izotopem ceru, ponieważ może być wytwarzany zarówno w procesie s, jak i r, podczas gdy 142 Ce może być wytwarzany tylko w procesie r. Innym powodem obfitości 140 Ce jest to, że jest to magiczne jądro , mające zamkniętą powłokę neutronową (ma 82 neutrony), a co za tym idzie ma bardzo mały przekrój w kierunku dalszego wychwytywania neutronów. Chociaż jego liczba protonowa 58 nie jest magiczna, zapewnia dodatkową stabilność, ponieważ osiem dodatkowych protonów powyżej magicznej liczby 50 wchodzi i uzupełnia orbital protonów 1g 7/2 . Obfitość izotopów ceru może nieznacznie różnić się w źródłach naturalnych, ponieważ 138 Ce i 140 Ce są córkami długożyciowych pierwotnych radionuklidów odpowiednio 138 La i 144 Nd.

Chemia

Cer matowieje w powietrzu, tworząc łuszczącą się warstwę tlenku jak rdza żelaza ; centymetrowa próbka metalu ceru koroduje całkowicie w ciągu około roku. Spala się łatwo w temperaturze 150 ° C, tworząc bladożółty tlenek ceru (IV) , znany również jako ceria:

CE + O 2 → CeO 2

Można go zredukować do tlenku ceru(III) gazowym wodorem. Metal cer jest wysoce piroforyczny , co oznacza, że ​​gdy jest szlifowany lub zarysowany, powstałe wióry zapalają się. Reaktywność ta jest zgodna z tendencjami okresowymi , ponieważ cer jest jednym z pierwszych, a zatem jednym z największych (w promieniu atomu ) lantanowców. Tlenek ceru(IV) ma budowę fluorytu , podobnie jak dwutlenki prazeodymu i terbu . Wiele nonstoichiometric tlenowców są także znane, a także trójwartościowe Ce 2 Z 3 (Z = S , Se , Te ). Monochalkogeny CeZ przewodzą elektryczność i lepiej by były sformułowane jako Ce 3+ Z 2− e . Chociaż CeZ 2 są znane, są to polichalkogeny z cerem(III): chalkogenki ceru(IV) pozostają nieznane.

Tlenek ceru(IV)

Cer jest metalem silnie elektrododatnim i reaguje z wodą. Reakcja jest powolna z zimną wodą, ale przyspiesza wraz ze wzrostem temperatury, wytwarzając wodorotlenek ceru (III) i gazowy wodór:

2 Ce (s) + 6 H 2 O (l) → 2 Ce(OH) 3 (aq) + 3 H 2 (g)

Metaliczny cer reaguje ze wszystkimi halogenami, dając trihalogenki:

2 Ce (s) + 3 F 2 (g) → 2 CeF 3 (s) [biały]
2 Ce (s) + 3 Cl 2 (g) → 2 CeCl 3 (s) [biały]
2 Ce (s) + 3 Br 2 (g) → 2 CeBr 3 (s) [biały]
2 Ce (s) + 3 I 2 (g) → 2 CeI 3 (s) [żółty]

Reakcji z nadmiarem fluoru daje stabilne białe tetrafluorek cef 4 ; inne tetrahalogenki nie są znane. Z dihalogenków znany jest tylko dijodek brązu Cel 2 ; podobnie jak dijodki lantanu, prazeodymu i gadolinu , jest to związek będący elektridem ceru(III) . Prawdziwe związki ceru(II) są ograniczone do kilku niezwykłych kompleksów ceru organicznego.

Cer rozpuszcza się łatwo w rozcieńczonym kwasie siarkowym, tworząc roztwory zawierające bezbarwne jony Ce 3+ , które występują jako [Ce (H
2
O)
9
]3+
kompleksy:

2 Ce (s) + 3 H 2 SO 4 (roztwór wodny) → 2 Ce 3+ (roztwór wodny) + 3 SO2-
4
(roztwór wodny) + 3 H 2 (g)

Rozpuszczalność ceru jest znacznie wyższa w kwasie metanosulfonowym . Cer(III) i terb(III) mają pasma absorpcji ultrafioletowej o stosunkowo dużej intensywności w porównaniu z innymi lantanowcami, ponieważ ich konfiguracje (odpowiednio o jeden elektron więcej niż odpowiednio pusta lub w połowie wypełniona podpowłoka f) ułatwiają dodatkowemu elektronowi podlegać przejściom f→d zamiast zakazanych przejść f→f innych lantanowców. Siarczan ceru(III) jest jedną z nielicznych soli, których rozpuszczalność w wodzie maleje wraz ze wzrostem temperatury.

Azotan cerowo-amonowy

Wodne roztwory ceru(IV) można wytwarzać w reakcji roztworów ceru(III) z silnymi środkami utleniającymi, peroksodisiarczanem lub bizmutanem . Wartość E (Ce 4+ /Ce 3+ ) różni się znacznie w zależności od warunków ze względu na względną łatwość kompleksowania i hydrolizy z różnymi anionami, chociaż +1,72 V jest zwykle reprezentatywną wartością; że dla E (Ce 3+ /Ce) wynosi -2,34 V. Cer jest jedynym lantanowcem, który ma ważną chemię wodną i koordynacyjną na stopniu utlenienia +4. Ze względu na przeniesienie ładunku ligand-metal , wodne jony ceru(IV) są pomarańczowo-żółte. Wodny cer(IV) jest metastabilny w wodzie i jest silnym środkiem utleniającym, który utlenia kwas solny na gazowy chlor . Na przykład azotan cerowo-amonowy jest powszechnym środkiem utleniającym w chemii organicznej , uwalniającym organiczne ligandy z karbonylków metali . W reakcji Biełousowa-Żabotyńskiego cer oscyluje między stopniami utlenienia +4 i +3, katalizując reakcję. Sole ceru(IV), zwłaszcza siarczan ceru(IV) , są często stosowane jako standardowe odczynniki do analizy wolumetrycznej w miareczkowaniu cerymetrycznym .

Kompleks azotanowy [Ce(NO
3
)
6
]2-
jest najczęstszym kompleksem cerowym spotykanym przy użyciu ceru(IV) jest środkiem utleniającym: on i jego analog ceru(III) [Ce(NO
3
)
6
]3-
mają 12-współrzędną dwudziestościenną geometrię molekularną, podczas gdy [Ce(NO
3
)
6
]2-
ma dodekadeltaedryczną geometrię molekularną z 10 współrzędnymi dwuczłonowymi . Azotany ceru tworzą również kompleksy 4:3 i 1:1 z 18-korona-6 (stosunek odnoszący się do stosunku ceru do eteru koronowego ). Kompleksowe jony zawierające halogen, takie jak CeF4
8
, CeF2-
6
, a pomarańczowy CeCl2-
6
są również znane.

Chemia ceru organicznego jest podobna do chemii innych lantanowców , głównie w przypadku związków cyklopentadienylowych i cyklooktatetraenylowych . Ceru (III) w związek cyklooktatetraenyl cerocene (Ce (C 8 H 8 ), 2 ) przyjmuje uranocene struktury cząsteczkowej. Alkilowe , alkinylowe i alkenylowe pochodne ceru organicznego wytwarza się z transmetalacji odpowiednich odczynników litoorganicznych lub Grignarda i są bardziej nukleofilowe, ale mniej zasadowe niż ich prekursory.

Cer(IV)

Pomimo wspólnej nazwy związków ceru(IV), japoński spektroskopista Akio Kotani napisał: „nie ma prawdziwego przykładu ceru(IV)”. [ potrzebne źródło ] Przyczyna tego może być widoczna w samej strukturze cerii, która zawsze zawiera pewne oktaedryczne wakaty, w które można by się spodziewać atomów tlenu i można ją lepiej uznać za niestechiometryczny związek o wzorze chemicznym CeO 2− x . Co więcej, każdy atom ceru w cerie nie traci wszystkich czterech swoich elektronów walencyjnych, ale zachowuje częściowe zatrzymanie ostatniego z nich, co skutkuje stopniem utlenienia między +3 a +4. Nawet rzekomo czysto czterowartościowe związki, takie jak CeRh 3 , CeCo 5 lub sam cer mają widma fotoemisji i absorpcji promieniowania rentgenowskiego bardziej charakterystyczne dla związków o pośredniej wartościowości. Elektron 4f w cerocenie, Ce(C
8
h
8
)
2
, znajduje się niejednoznacznie między byciem zlokalizowanym i zdelokalizowanym, a związek ten jest również uważany za średniowartościowy.

Historia

Planeta karłowata / asteroida Ceres , od której pochodzi nazwa cer

Cer została odkryta w Bastnäs w Szwecji przez Jöns Jakob Berzelius i Wilhelm Hisinger i niezależnie w Niemczech przez Martina Heinricha Klaproth , zarówno w 1803 roku cer został nazwany przez Berzelius po asteroidy Ceres , odkryto dwa lata wcześniej. Sama asteroida nosi imię rzymskiej bogini Ceres , bogini rolnictwa, zbóż, płodności i relacji macierzyńskich.

Cer był pierwotnie wyizolowany w postaci jego tlenku, który został nazwany cerią , termin, który jest nadal używany. Sam metal był zbyt elektrododatni, aby można go było wyizolować za pomocą ówczesnej technologii wytapiania, co jest cechą charakterystyczną metali ziem rzadkich w ogóle. Po opracowaniu elektrochemii przez Humphry'ego Davy'ego pięć lat później, ziemie wkrótce dały zawarte w nich metale. Ceria, wyizolowana w 1803 roku, zawierała wszystkie lantanowce obecne w rudzie cerytowej z Bastnäs w Szwecji, a zatem zawierała tylko około 45% tego, co jest obecnie znane jako czysta ceria. Dopiero Carl Gustaf Mosander zdołał usunąć lantanę i "didymię" pod koniec lat 30. XIX wieku, kiedy cerię uzyskano w czystej postaci. Wilhelm Hisinger był zamożnym właścicielem kopalni i naukowcem-amatorem oraz sponsorem Berzeliusa. Był właścicielem i kontrolował kopalnię w Bastnäs i przez lata próbował poznać skład obfitej ciężkiej skały płonnej („Wolfram z Bastnäs”, która pomimo swojej nazwy nie zawierała wolframu ), obecnie znanej jako ceryt, miał w swojej kopalni. Mosander i jego rodzina mieszkali przez wiele lat w tym samym domu co Berzeliusz, a Berzeliusz niewątpliwie przekonał Mosandera do dalszego zbadania cerii.

Pierwiastek odegrał rolę w Projekcie Manhattan , gdzie związki ceru badano w Berkeley jako materiały do tygli do odlewania uranu i plutonu . Z tego powodu w ramach projektu córki Amesa (obecnie Laboratorium Amesa ) opracowano nowe metody preparacji i odlewania ceru . Produkcja niezwykle czystego ceru w Ames rozpoczęła się w połowie 1944 roku i trwała do sierpnia 1945 roku.

Występowanie i produkcja

Cer jest najbogatszym ze wszystkich lantanowców, stanowiąc 66  ppm skorupy ziemskiej; ta wartość jest tuż za miedzią (68 ppm), a cer jest jeszcze bardziej rozpowszechniony niż metale pospolite, takie jak ołów (13 ppm) i cyna (2,1 ppm). Tak więc, pomimo swojej pozycji jako jednego z tak zwanych metali ziem rzadkich , cer w rzeczywistości wcale nie jest rzadki. Zawartość ceru w glebie waha się od 2 do 150 ppm, średnio 50 ppm; woda morska zawiera 1,5 części na bilion ceru. Ceru występuje w różnych minerałów, ale najważniejsze źródła handlowe są minerały z monacytu i bastnazyt grupach, gdzie stanowi około połowy zawartości lantanowców. Monazyt-(Ce) jest najczęstszym przedstawicielem monazytów, przy czym „-Ce” jest przyrostkiem Levinsona informującym o dominacji danego przedstawiciela elementu REE. Również bastnäsyt z przewagą ceru (Ce) jest najważniejszym z bastnäsytów. Cer jest najłatwiejszym do ekstrakcji lantanowcem ze swoich minerałów, ponieważ jako jedyny może osiągnąć stabilny stopień utlenienia +4 w roztworze wodnym. Ze względu na zmniejszoną rozpuszczalność ceru na +4 stopniu utlenienia, cer jest czasami zubożony ze skał w stosunku do innych pierwiastków ziem rzadkich i jest włączany do cyrkonu , ponieważ Ce 4+ i Zr 4+ mają ten sam ładunek i podobne promienie jonowe . W skrajnych przypadkach cer(IV) może tworzyć własne minerały oddzielone od innych pierwiastków ziem rzadkich, takich jak cerianit (Ce,Th)O
2
(prawidłowo nazwany cerianit-(Ce)).

Struktura krystaliczna bastnazytu-(Ce). Kod koloru: węgiel, C, niebiesko-szary; fluor, F, zielony; cer, Ce, biały; tlen, O, czerwony.

Bastnazyt, Ln III CO 3 F, zwykle nie zawiera toru i ciężkich lantanowców poza samarem i europem , a zatem ekstrakcja z niego ceru jest dość bezpośrednia. Najpierw bastnazyt jest oczyszczany przy użyciu rozcieńczonego kwasu chlorowodorowego w celu usunięcia zanieczyszczeń węglanem wapnia . Ruda jest następnie prażona w powietrzu w celu utlenienia jej do tlenków lantanowców: podczas gdy większość lantanowców ulegnie utlenieniu do półtoratlenku Ln 2 O 3 , cer zostanie utleniony do dwutlenku CeO 2 . Jest nierozpuszczalny w wodzie i można go wypłukać 0,5 M kwasem solnym, pozostawiając inne lantanowce.

Procedura dla monazytu, (Ln,Th)PO
4
, który zwykle zawiera wszystkie pierwiastki ziem rzadkich, a także tor, jest bardziej zaangażowany. Monazyt, ze względu na swoje właściwości magnetyczne, można oddzielić przez wielokrotną separację elektromagnetyczną. Po oddzieleniu jest traktowany gorącym stężonym kwasem siarkowym w celu wytworzenia rozpuszczalnych w wodzie siarczanów pierwiastków ziem rzadkich. Kwaśne filtraty są częściowo neutralizowane wodorotlenkiem sodu do pH 3–4. Tor wytrąca się z roztworu w postaci wodorotlenku i jest usuwany. Następnie roztwór traktuje się szczawianem amonu w celu przekształcenia pierwiastków ziem rzadkich w ich nierozpuszczalne szczawiany . Szczawiany są przekształcane w tlenki przez wyżarzanie. Tlenki rozpuszczają się w kwasie azotowym, ale tlenek ceru jest nierozpuszczalny w HNO 3 i dlatego wytrąca się. Należy zachować ostrożność podczas obchodzenia niektórych reszt, ponieważ zawierają one 228 Ra , córkę 232 TH, która jest silnym gamma emitera.

Aplikacje

Carl Auer von Welsbach, który odkrył wiele zastosowań ceru

Płaszcze gazowe i stopy samozapalne

Po raz pierwszy zastosowano cer w płaszczach gazowych , wynalezionych przez austriackiego chemika Carla Auera von Welsbacha . W 1885 roku wcześniej eksperymentował z mieszaninami tlenków magnezu , lantanu i itru, ale dawały one zabarwione na zielono światło i zakończyły się niepowodzeniem. Sześć lat później odkrył, że czysty tlenek toru wytwarza znacznie lepsze, choć niebieskie światło, a zmieszanie go z dwutlenkiem ceru daje jasne, białe światło. Dwutlenek ceru działa również jako katalizator spalania tlenku toru.

Zaowocowało to komercyjnym sukcesem von Welsbacha i jego wynalazku oraz stworzyło duże zapotrzebowanie na tor. Jego produkcja spowodowała, że ​​duża ilość lantanowców została jednocześnie wyekstrahowana jako produkty uboczne. Wkrótce znaleziono dla nich zastosowanie, zwłaszcza w stopie piroforycznym znanym jako „ miszmetal ”, składający się z 50% ceru, 25% lantanu, a resztę stanowią inne lantanowce, powszechnie stosowane w lżejszych krzemieniach. Zazwyczaj dodawane jest żelazo w celu utworzenia stopu ferroceru , również wynalezionego przez von Welsbacha. Ze względu na podobieństwa chemiczne lantanowców, separacja chemiczna nie jest zwykle wymagana do ich zastosowań, takich jak dodawanie miszmetalu do stali jako modyfikatora wtrąceń w celu poprawy właściwości mechanicznych lub jako katalizatorów do krakingu ropy naftowej. Ta właściwość ceru uratowała życie pisarzowi Primo Levi w obozie koncentracyjnym Auschwitz , kiedy znalazł zapas stopu żelazoceru i wymienił go na żywność.

Gatunki Ce(IV)

Ceria jest najczęściej używanym związkiem ceru. Głównym zastosowaniem ceru jest związek polerski, na przykład w planaryzacji chemiczno-mechanicznej (CMP). W tym zastosowaniu cer zastąpił inne tlenki metali do produkcji wysokiej jakości powierzchni optycznych. Główne samochodowych aplikacji dla dolnej półtoratlenek są jako katalizator utleniania CO i NO x emisji w gazach spalinowych z pojazdów mechanicznych, tlenku ceru jest również stosowany jako substytut radioaktywnymi kongener tlenek toru , na przykład przy wytwarzaniu elektrod stosowany w spawaniu łukiem gazowym wolframowym , gdzie cer jako pierwiastek stopowy poprawia stabilność łuku i łatwość rozruchu przy jednoczesnym zmniejszeniu wypalania.

Siarczan ceru(IV) jest używany jako środek utleniający w analizie ilościowej. Cer(IV) w roztworach kwasu metanosulfonowego jest stosowany w elektrosyntezie na skalę przemysłową jako utleniacz podlegający recyklingowi. Azotan cerowo-amonowy jest stosowany jako utleniacz w chemii organicznej i przy trawieniu elementów elektronicznych oraz jako podstawowy wzorzec do analizy ilościowej.

Biała dioda LED w działaniu: dioda wytwarza monochromatyczne niebieskie światło, ale luminofor Ce:YAG zamienia część na światło żółte, przy czym połączenie jest postrzegane przez oko jako białe.

Pigmenty i luminofory

Fotostabilność pigmentów można zwiększyć przez dodanie ceru, który zapewnia pigmentom odporność na światło i zapobiega ciemnieniu przezroczystych polimerów w świetle słonecznym. [ potrzebne cytowanie ]

Przykładem związku ceru stosowanego samodzielnie jako pigment nieorganiczny jest jaskrawoczerwony siarczek ceru(III) (czerwony siarczek ceru), który pozostaje chemicznie obojętny w bardzo wysokich temperaturach. Pigment jest bezpieczniejszą alternatywą dla odpornych na światło, ale toksycznych pigmentów na bazie selenku kadmu .

Dodanie tlenku ceru do płyt ze szkła telewizyjnego starszych kineskopów było korzystne, ponieważ tłumi efekt ciemnienia spowodowany powstawaniem defektów w centrum F z powodu ciągłego bombardowania elektronami podczas pracy.

Ceru jest również ważnym składnikiem jako domieszka dla luminoforów stosowanych w CRT telewizyjnych, lampy fluorescencyjne, a potem białych diod świecących .the najczęściej stosuje się przykład cer (III) -doped granat itrowo-glinowy (Ce: YAG), który emituje światło zielone do żółto-zielonego (550–530 nm), a także zachowuje się jak scyntylator .

Inne stopy i materiały ogniotrwałe

Sole ceru, takie jak siarczki Ce 2 S 3 i Ce 3 S 4 , zostały uznane w ramach Projektu Manhattan za zaawansowane materiały ogniotrwałe do budowy tygli, które mogą wytrzymać wysokie temperatury i silnie redukujące warunki podczas odlewania metalu plutonu. Pomimo pożądanych właściwości siarczki te nigdy nie zostały powszechnie przyjęte ze względu na praktyczne problemy z ich syntezą.

Cer jest stosowany jako pierwiastek stopowy w aluminium do tworzenia odlewniczych eutektycznych stopów aluminium z 6-16% wag. Ce, do których można dodatkowo dodać Mg i/lub Si. Te stopy Al-Ce mają doskonałą wytrzymałość na wysokie temperatury i są odpowiednie do zastosowań motoryzacyjnych, np. w głowicach cylindrów . Inne stopy ceru obejmują stopy plutonu Pu-Ce i Pu-Ce-Co , które były wykorzystywane jako paliwo jądrowe .

Rola biologiczna i środki ostrożności

Cer
Zagrożenia
Piktogramy GHS GHS02: Łatwopalny GHS07: Szkodliwy
Hasło ostrzegawcze GHS Zagrożenie
H228 , H302 , H312 , H332 , H315 , H319 , H335
P210 , P261 , P280 , P301 , P312 , P330 , P305 , P351 , P338 , P370 , P378
NFPA 704 (ognisty diament)
2
0
0

Cer nie odgrywa żadnej znanej roli biologicznej u ludzi, ale nie jest też bardzo toksyczny; nie kumuluje się w łańcuchu pokarmowym w znaczącym stopniu. Ponieważ często występuje razem z wapniem w minerałach fosforanowych, a kości to przede wszystkim fosforan wapnia , cer może gromadzić się w kościach w niewielkich ilościach, które nie są uważane za niebezpieczne. Wiadomo, że cer, podobnie jak inne lantanowce, wpływa na metabolizm człowieka, obniżając poziom cholesterolu, ciśnienie krwi, apetyt i ryzyko krzepnięcia krwi.

Azotan ceru jest skutecznym środkiem przeciwbakteryjnym stosowanym miejscowo w oparzeniach trzeciego stopnia , chociaż duże dawki mogą prowadzić do zatrucia cerem i methemoglobinemii . Wczesne lantanowce działają jako niezbędne kofaktory dla dehydrogenazy metanolu metanotroficznej bakterii Methylacidiphilum fumariolicum SolV, w przypadku której sam lantan, cer, prazeodym i neodym są mniej więcej równie skuteczne.

Podobnie jak wszystkie metale ziem rzadkich, cer ma niską lub umiarkowaną toksyczność. Silny środek redukujący, zapala się samoistnie w powietrzu w temperaturze 65-80 °C. Opary z pożarów ceru są toksyczne. Nie należy używać wody do gaszenia pożarów ceru, ponieważ cer reaguje z wodą, tworząc gazowy wodór. Pracownicy narażeni na działanie ceru odczuwali swędzenie, wrażliwość na ciepło i zmiany skórne. Cer nie jest toksyczny po zjedzeniu, ale zwierzęta, którym wstrzyknięto duże dawki ceru, padły z powodu zapaści sercowo-naczyniowej. Cer jest bardziej niebezpieczny dla organizmów wodnych, ponieważ uszkadza błony komórkowe, jest to poważne zagrożenie, ponieważ jest słabo rozpuszczalny w wodzie, co powoduje zanieczyszczenie środowiska .

Bibliografia

Bibliografia