Церий - Cerium

Церий
Опасности
Пиктограммы GHS
Сигнальное слово GHS	Опасность
Положения об опасности GHS	H228 , H302 , H312 , H332 , H315 , H319 , H335
Меры предосторожности GHS	P210 , P261 , P280 , P301 , P312 , P330 , P305 , P351 , P338 , P370 , P378
NFPA 704 (огненный алмаз)	2 0 0

Церий, ₅₈ к.э.
Церий
Произношение	/ С ɪər я ə м / ( ПРОВИДЕЦ -ее-əm )
Появление	серебристо-белый
Стандартный атомный вес A r, std (Ce)	140,116 (1)
Церий в периодической таблице
	лантан ← церий → празеодим
Атомный номер ( Z )	58
Группа	группа н / д
Период	период 6
Блокировать	f-блок
Электронная конфигурация	[ Xe ] 4f 1 5d 1 6s 2
Электронов на оболочку	2, 8, 18, 19, 9, 2
Физические свойства
Фаза на СТП	твердый
Температура плавления	1068 К (795 ° С, 1463 ° F)
Точка кипения	3716 К (3443 ° С, 6229 ° F)
Плотность (около rt )	6,770 г / см 3
в жидком состоянии (при т. пл. )	6,55 г / см 3
Теплота плавления	5,46 кДж / моль
Теплота испарения	398 кДж / моль
Молярная теплоемкость	26,94 Дж / (моль · К)
Атомные свойства
Состояния окисления	+1, +2, +3 , +4 (умеренно основной оксид)
Электроотрицательность	Шкала Полинга: 1,12
Энергии ионизации
Радиус атома	эмпирический: 181,8 пм
Ковалентный радиус	204 ± 9 часов вечера
	Спектральные линии церия
Прочие свойства
Естественное явление	изначальный
Кристальная структура	двойной гексагональной плотной упаковкой (DHCP) ; β-Ce
Кристальная структура	гранецентрированной кубической (ГЦК) ; γ-Ce
Скорость звука тонкого стержня	2100 м / с (при 20 ° C)
Тепловое расширение	γ, поли: 6,3 мкм / (м⋅K) (при комнатной температуре )
Теплопроводность	11,3 Вт / (м⋅K)
Удельное электрическое сопротивление	β, поли: 828 нОм · м (при комнатной температуре )
Магнитный заказ	парамагнитный
Молярная магнитная восприимчивость	(β) +2 450 0,0 × 10 -6 см 3 / моль (293 К)
Модуль для младших	γ-форма: 33,6 ГПа
Модуль сдвига	γ-форма: 13,5 ГПа
Объемный модуль	γ-форма: 21,5 ГПа
коэффициент Пуассона	γ форма: 0,24
Твердость по шкале Мооса	2,5
Твердость по Виккерсу	210–470 МПа
Твердость по Бринеллю	186–412 МПа
Количество CAS	7440-45-1
История
Именование	в честь карликовой планеты Церера , названной в честь римского божества земледелия Церера
Открытие	Мартин Генрих Клапрот , Йенс Якоб Берцелиус , Вильгельм Хизингер (1803)
Первая изоляция	Карл Густав Мосандер (1838)
Основные изотопы церия
	Категория: Церий; Посмотреть; разговаривать; редактировать; \| использованная литература

Церий - это химический элемент с символом Ce и атомным номером 58. Церий - мягкий , пластичный и серебристо-белый металл, который тускнеет под воздействием воздуха, и он достаточно мягкий, чтобы его можно было разрезать стальным кухонным ножом. Церий является вторым элементом в ряду лантанидов , и, хотя он часто показывает степень окисления +3, характерную для этого ряда, он также имеет стабильное состояние +4, которое не окисляет воду. Он также считается одним из редкоземельных элементов . Церий не играет биологической роли в организме человека и не очень токсичен.

Несмотря на то , что церий всегда встречается в сочетании с другими редкоземельными элементами в минералах, таких как группы монацита и бастнезита , церий легко извлечь из его руд, поскольку его можно выделить среди лантаноидов по его уникальной способности окисляться до +4 состояние. Это самый распространенный из лантаноидов, за которым следуют неодим , лантан и празеодим . Это 26-й элемент по распространенности , составляющий 66 частей на миллион в земной коре, что вдвое меньше хлора и в пять раз больше свинца .

Церий был первым из лантаноидов, обнаруженных в Бастнесе , Швеция, Йенсом Якобом Берцелиусом и Вильгельмом Хизингером в 1803 году и независимо Мартином Генрихом Клапротом в Германии в том же году. В 1839 году Карл Густав Мосандер стал первым, кто выделил металл. Сегодня церий и его соединения имеют множество применений: например, оксид церия (IV) используется для полировки стекла и является важной частью каталитических нейтрализаторов . Металлический церий используется в ферроцериевых зажигалках из-за его пирофорных свойств. Люминофор YAG, легированный церием, используется в сочетании с синими светодиодами для получения белого света в большинстве коммерческих источников белого светодиодного света.

Характеристики

Физический

Церий - второй элемент ряда лантанидов . В периодической таблице он появляется между лантаноидами лантана слева и празеодимом справа и над актинидом тория . Это пластичный металл, твердость которого сравнима с твердостью серебра . Его 58 электронов расположены в конфигурации [Xe] 4f ¹ 5d ¹ 6s ² , из которых четыре внешних электрона являются валентными электронами . Уровни энергии 4f, 5d и 6s очень близки друг к другу, и перенос одного электрона на 5d-оболочку происходит из-за сильного межэлектронного отталкивания в компактной 4f-оболочке. Этот эффект подавляется, когда атом положительно ионизируется; таким образом, Ce ^{2+ сам} по себе имеет вместо этого обычную конфигурацию [Xe] 4f ² , хотя в некоторых твердых растворах это может быть [Xe] 4f ¹ 5d ¹ . Большинство лантаноидов могут использовать только три электрона в качестве валентных электронов, так как впоследствии оставшиеся 4f-электроны становятся слишком прочно связанными: церий является исключением из-за стабильности пустой f-оболочки в Ce ⁴⁺ и того факта, что он возникает очень рано. ряд лантаноидов, где ядерный заряд все еще достаточно низок до неодима, чтобы можно было удалить четвертый валентный электрон химическим путем.

Церий имеет изменчивую электронную структуру . Энергия 4f-электрона почти такая же, как у внешних 5d- и 6s-электронов, которые делокализованы в металлическом состоянии, и для изменения относительной заселенности этих электронных уровней требуется лишь небольшое количество энергии. Это приводит к возникновению состояний с двойной валентностью. Например, изменение объема примерно на 10% происходит, когда церий подвергается воздействию высоких давлений или низких температур. Похоже, что валентность изменяется от примерно 3 до 4 при охлаждении или сжатии.

Аллотропы

Фазовая диаграмма церия

Известно, что четыре аллотропные формы церия существуют при стандартном давлении и имеют общие обозначения от α до δ:

Высокотемпературная форма, δ-церий, имеет кристаллическую структуру ОЦК (объемно -центрированную кубическую ) и существует при температуре выше 726 ° C.
Стабильной формой при температурах ниже 726 ° C и примерно до комнатной температуры является γ-церий с кристаллической структурой ГЦК ( гранецентрированной кубической ).
DHCP (двойной гексагональный плотноупакованный ) форма β-церия представляет собой равновесную структуру приблизительно от комнатной температуры до -150 ° C.
ГЦК-форма α-церия стабильна при температуре ниже -150 ° C; он имеет плотность 8,16 г / см ³ .
Остальные твердые фазы, встречающиеся только при высоких давлениях, показаны на фазовой диаграмме.
Обе формы γ и β достаточно стабильны при комнатной температуре, хотя температура равновесного превращения оценивается примерно в 75 ° C.

При более низких температурах поведение церия осложняется медленными скоростями превращения. Температуры трансформации подвержены значительному гистерезису, и указанные здесь значения являются приблизительными. При охлаждении ниже -15 ° C γ-церий начинает превращаться в β-церий, но превращение включает увеличение объема, и по мере образования большего количества β внутренние напряжения нарастают и подавляют дальнейшее превращение. При охлаждении ниже -160 ° C начнется образование α-церия, но только из оставшегося γ-церия. β-церий существенно не превращается в α-церий, за исключением наличия напряжения или деформации. При атмосферном давлении жидкий церий более плотный, чем его твердая форма при температуре плавления.

Изотопы

Встречающийся в природе церий состоит из четырех изотопов: ¹³⁶ Ce (0,19%), ¹³⁸ Ce (0,25%), ¹⁴⁰ Ce (88,4%) и ¹⁴² Ce (11,1%). Все четыре стабильны по наблюдениям , хотя теоретически ожидается , что легкие изотопы ¹³⁶ Ce и ¹³⁸ Ce претерпят обратный двойной бета-распад до изотопов бария , а самый тяжелый изотоп ¹⁴² Ce, как ожидается, подвергнется двойному бета-распаду до ¹⁴² Nd или альфа-распаду до ¹³⁸ Ба. Кроме того, ¹⁴⁰ Ce будет выделять энергию при спонтанном делении . Ни одна из этих мод распада еще не наблюдалась, хотя экспериментально искали двойной бета-распад ¹³⁶ Се, ¹³⁸ Се и ¹⁴² Се. Текущие экспериментальные пределы их периода полураспада:

¹³⁶ С:> 3,8 × 10 ¹⁶ лет

¹³⁸ С:> 5,7 × 10 ¹⁶ лет

¹⁴² С:> 5,0 × 10 ¹⁶ лет

Все остальные изотопы церия синтетические и радиоактивные . Наиболее стабильными из них являются ¹⁴⁴ Ce с периодом полураспада 284,9 дня, ¹³⁹ Ce с периодом полураспада 137,6 дня и ¹⁴¹ Ce с периодом полураспада 32,5 дня. Все другие радиоактивные изотопы церия имеют период полураспада менее четырех дней, а у большинства из них период полураспада менее десяти минут. Изотопы между ¹⁴⁰ Ce и ¹⁴⁴ Ce Inclusive происходить как продукты деления из урана . Режим первичного распада изотопов легче , чем ¹⁴⁰ Се обратного бета - распада или электронного захвата для изотопов лантан , в то время как более тяжелых изотопов бета - распад в изотопы празеодима .

Редкость богатых протонами ¹³⁶ Се и ¹³⁸ Се объясняется тем фактом, что они не могут быть получены в наиболее распространенных процессах звездного нуклеосинтеза элементов, помимо железа, в s-процессе (медленный захват нейтронов ) и r-процессе ( быстрый захват нейтронов). Это так, потому что они обходятся реакционным потоком s-процесса, а нуклиды r-процесса блокируются от распада на них более богатыми нейтронами стабильными нуклидами. Такие ядра называются р-ядрами , и их происхождение еще не совсем понятно: некоторые предполагаемые механизмы их образования включают захват протонов, а также фотораспад . ¹⁴⁰ Ce является наиболее распространенным изотопом церия, так как он может быть получен как в s-, так и в r-процессах, в то время как ¹⁴² Ce может быть получен только в r-процессе. Еще одна причина обилия ¹⁴⁰ Ce заключается в том, что это магическое ядро с закрытой нейтронной оболочкой (в нем 82 нейтрона), и, следовательно, у него очень низкое поперечное сечение для дальнейшего захвата нейтронов. Хотя его протонное число 58 не является магическим, ему дается дополнительная стабильность, поскольку его восемь дополнительных протонов после магического числа 50 входят и завершают протонную орбиталь 1g _7/2 . Содержание изотопов церия в природных источниках может очень незначительно отличаться, поскольку ¹³⁸ Ce и ¹⁴⁰ Ce являются дочерними элементами долгоживущих первичных радионуклидов ¹³⁸ La и ¹⁴⁴ Nd соответственно.

Химия

Церий тускнеет на воздухе, образуя отслаивающийся оксидный слой, похожий на ржавчину железа ; образец металлического церия размером сантиметр полностью корродирует примерно за год. Он легко горит при 150 ° C с образованием бледно-желтого оксида церия (IV) , также известного как церий:

Се + О ₂ → СеО ₂

Это может быть восстановлено до оксида церия (III) газообразным водородом. Металлический церий обладает высокой пирофорностью , а это означает, что при шлифовании или царапании образовавшаяся стружка воспламеняется. Эта реакционная способность соответствует периодическим тенденциям , поскольку церий является одним из первых и, следовательно, одним из крупнейших (по атомному радиусу ) лантаноидов. Оксид церия (IV) имеет структуру флюорита , как и диоксиды празеодима и тербия . Также известны многие нестехиометрические халькогениды , а также трехвалентный Ce ₂ Z ₃ (Z = S , Se , Te ). Монохалькогениды CeZ проводят электричество, и их лучше сформулировать как Ce ³⁺ Z ^2- e ^- . Хотя CeZ ₂ известны, они являются полихалькогенидами с церием (III): халькогениды церия (IV) остаются неизвестными.

Оксид церия (IV)

Церий - металл с высокой электроположительностью и реагирует с водой. Реакция протекает медленно с холодной водой, но ускоряется с повышением температуры, образуя гидроксид церия (III) и газообразный водород:

2 Ce (т. Е.) + 6 H ₂ O (л) → 2 Ce (OH) ₃ (водн.) + 3 H ₂ (г)

Металлический церий реагирует со всеми галогенами с образованием тригалогенидов:

2 Ce (s) + 3 F ₂ (g) → 2 CeF ₃ (s) [белый]

2 Ce ( тв. ) + 3 Cl ₂ (г) → 2 CeCl ₃ ( тв ) [белый]

2 Ce (s) + 3 Br ₂ (г) → 2 CeBr ₃ (s) [белый]

2 CeI + 3 I ₂ (г) → 2 CeI ₃ (т) [желтый]

Реакция с избытком фтора дает стабильный белый тетрафторид CeF ₄ ; другие тетрагалогениды неизвестны. Из дигалогенидов известен только дииодид бронзы CeI ₂ ; подобно дииодидам лантана, празеодима и гадолиния , это соединение электрида церия (III) . Истинные соединения церия (II) ограничены несколькими необычными церийорганическими комплексами.

Церий легко растворяется в разбавленной серной кислоте с образованием растворов, содержащих бесцветные ионы Ce ³⁺ , которые существуют как [Ce (H
₂O)
₉]³⁺
комплексы:

2 Ce (тв.) + 3 H ₂ SO ₄ (водн.) → 2 Ce ³⁺ (водн.) + 3 SO^2-
₄(водн.) + 3 H ₂ (г)

Растворимость церия в метансульфоновой кислоте намного выше . Церий (III) и тербий (III) имеют полосы ультрафиолетового поглощения относительно высокой интенсивности по сравнению с другими лантаноидами, поскольку их конфигурации (на один электрон больше, чем пустая или наполовину заполненная f-подоболочка соответственно) облегчают попадание лишних f-электронов. совершать переходы f → d вместо запрещенных переходов f → f других лантаноидов. Сульфат церия (III) - одна из немногих солей, растворимость которых в воде уменьшается с повышением температуры.

Аммиачная селитра церия

Водные растворы церия (IV) могут быть приготовлены путем взаимодействия растворов церия (III) с сильными окислителями пероксодисульфатом или висмутатом . Значение Х ^⦵ (Се ⁴⁺ / Ce ³⁺ ) колеблется в широких пределах в зависимости от условий из - за относительную простоту комплексообразования и гидролиза с различными анионами, хотя 1,72 V представляет собой , как правило , репрезентативное значение; что для Е ^⦵ (Се ³⁺ / С) является -2,34 В. Церий является единственным лантанидом , который имеет важную водную и координационную химию в состоянии окисления +4. Из -за переноса заряда от лиганда к металлу водные ионы церия (IV) имеют оранжево-желтый цвет. Водный церий (IV) метастабилен в воде и является сильным окислителем, который окисляет соляную кислоту с образованием газообразного хлора . Например, нитрат церия-аммония является распространенным окислителем в органической химии , высвобождая органические лиганды из карбонилов металлов . В реакции Белоусова-Жаботинского церий колеблется между состояниями окисления +4 и +3, чтобы катализировать реакцию. Соли церия (IV), особенно сульфат церия (IV) , часто используются в качестве стандартных реагентов для объемного анализа при цериметрическом титровании .

Нитратный комплекс [Ce (NO
₃)
₆]²⁻
является наиболее распространенным комплексом церия, встречающимся при использовании церия (IV), является окислителем: он и его аналог церия (III) [Ce (NO
₃)
₆]³⁻
имеют 12-координатную икосаэдрическую молекулярную геометрию, в то время как [Ce (NO
₃)
₆]²⁻
имеет 10-координатную двояковыпуклую додекадельтаэдрическую молекулярную геометрию. Нитраты церия также образуют комплексы 4: 3 и 1: 1 с 18-краун-6 (соотношение, относящееся к соотношению между церием и краун-эфиром ). Галогенсодержащие комплексные ионы, такие как CeF^4-
₈, CeF^2-
₆, а оранжевый CeCl^2-
₆ также известны.

По химическому составу цериорганические соединения аналогичны другим лантаноидам , в первую очередь это циклопентадиенильные и циклооктатетраенильные соединения. Церий (III) циклооктатетраенильное соединение цероцен (Ce (C ₈ H ₈ ) ₂ ) принимает молекулярную структуру ураноцена . Алкильные , алкинильные и алкенильные цериорганические производные получают трансметаллированием соответствующих литийорганических реагентов или реагентов Гриньяра и являются более нуклеофильными, но менее основными, чем их предшественники.

Церий (IV)

Несмотря на общее название соединений церия (IV), японский спектроскопист Акио Котани написал, что «подлинного примера церия (IV) не существует». ^{[ необходимая цитата ]} Причину этого можно увидеть в структуре самого церия, который всегда содержит некоторые октаэдрические вакансии, в которых, как ожидается, будут находиться атомы кислорода, и его можно было бы лучше рассматривать как нестехиометрическое соединение с химической формулой CeO _{2− x} . Кроме того, каждый атом церия в оксиде церия не теряет все четыре своих валентных электрона, но частично сохраняет последний, что приводит к степени окисления от +3 до +4. Даже предположительно чисто четырехвалентные соединения, такие как CeRh ₃ , CeCo ₅ или сам церий , имеют спектры рентгеновской фотоэмиссии и рентгеновского поглощения, более характерные для соединений с промежуточной валентностью. Электрон 4f в цероцене, Ce (C
₈ЧАС
₈)
₂, неоднозначно балансирует между локализацией и делокализацией, и это соединение также считается промежуточно-валентным.

История

Карликовая планета / астероид Церера , в честь которой назван церий

Церий был открыт в Бастнесе в Швеции Йенсом Якобом Берцелиусом и Вильгельмом Хизингером и независимо в Германии Мартином Генрихом Клапротом в 1803 году. Церий был назван Берцелиусом в честь астероида Церера , открытого двумя годами ранее. Сам астероид назван в честь римской богини Цереры , богини земледелия, зерновых культур, плодородия и материнских отношений.

Первоначально церий был изолирован в виде его оксида, который получил название церий - термин, который используется до сих пор. Сам металл был слишком электроположительным, чтобы его можно было изолировать с помощью современной технологии плавки, что характерно для редкоземельных металлов в целом. После развития электрохимии по Хэмфри Дэви через пять лет, земли вскоре дали металлы содержащихся в них. Церий, выделенный в 1803 году, содержал все лантаноиды, присутствующие в церитовой руде из Бастнеса, Швеция, и, таким образом, содержал только около 45% того, что сейчас известно как чистый оксид церия. Только в конце 1830-х годов Карлу Густаву Мосандеру удалось удалить лантану и «дидимию», когда церий был получен в чистом виде. Вильгельм Хисингер был богатым владельцем шахты и ученым-любителем, спонсором Берцелиуса. Он владел и контролировал рудник в Бастнесе и в течение многих лет пытался выяснить состав обильной тяжелой пустой породы («Вольфрам Бастнеса», которая, несмотря на свое название, не содержала вольфрама ), теперь известной как церит, которую он был в его шахте. Мосандер и его семья много лет жили в одном доме с Берцелиусом, и Берцелиус, несомненно, убедил Мосандра продолжить исследование церия.

Этот элемент сыграл важную роль в Манхэттенском проекте , где соединения церия были исследованы на площадке в Беркли в качестве материалов для тиглей для литья из урана и плутония . По этой причине в рамках дочернего проекта Эймса (ныне Лаборатория Эймса ) были разработаны новые методы получения и литья церия . Производство чрезвычайно чистого церия в Эймсе началось в середине 1944 года и продолжалось до августа 1945 года.

Возникновение и производство

Церий - самый распространенный из всех лантаноидов, составляющий 66 частей на миллион земной коры; это значение чуть ниже, чем у меди (68 частей на миллион), а церия даже больше, чем обычных металлов, таких как свинец (13 частей на миллион) и олово (2,1 частей на миллион). Таким образом, несмотря на свое положение как одного из так называемых редкоземельных металлов , церий на самом деле вовсе не редкость. Содержание церия в почве колеблется от 2 до 150 частей на миллион, в среднем 50 частей на миллион; морская вода содержит 1,5 части на триллион церия. Церий содержится в различных минералах, но наиболее важными коммерческими источниками являются минералы групп монацита и бастнезита , где он составляет около половины содержания лантаноидов. Монацит- (Ce) является наиболее распространенным представителем монацитов, причем «-Ce» является суффиксом Левинсона, информирующим о преобладании конкретного представителя элемента РЗЭ. Также бастнезит с преобладанием церия (Ce) является наиболее важным из бастнезитов. Церий - лантанид, который легче всего извлечь из минералов, потому что он единственный, который может достичь стабильной степени окисления +4 в водном растворе. Из-за пониженной растворимости церия в степени окисления +4 церий иногда обедняется из горных пород по сравнению с другими редкоземельными элементами и включается в циркон , поскольку Ce ⁴⁺ и Zr ⁴⁺ имеют одинаковый заряд и одинаковые ионные радиусы. . В крайних случаях церий (IV) может образовывать собственные минералы, отделенные от других редкоземельных элементов, таких как церианит (Ce, Th) O.
₂(правильное название церианит- (Ce)).

Кристаллическая структура бастнезита- (Ce). Цветовой код: карбон, C, серо-голубой; фтор, F, зеленый; церий, Ce, белый; кислород, О, красный.

В бастнезите, Ln ^III CO ₃ F, обычно не хватает тория и тяжелых лантаноидов, помимо самария и европия , и, следовательно, извлечение церия из него является довольно прямым. Сначала бастнезит очищается с использованием разбавленной соляной кислоты для удаления примесей карбоната кальция . Затем руда обжигается на воздухе, чтобы окислить ее до оксидов лантаноидов: в то время как большая часть лантаноидов будет окисляться до полуторных оксидов Ln ₂ O ₃ , церий будет окисляться до диоксида CeO ₂ . Он нерастворим в воде и может быть выщелочен 0,5 М соляной кислотой, оставляя позади другие лантаноиды.

Процедура для монацита, (Ln, Th) PO
₄, который обычно содержит все редкоземельные элементы, а также торий, более задействован. Монацит из-за его магнитных свойств может быть разделен многократным электромагнитным разделением. После разделения его обрабатывают горячей концентрированной серной кислотой для получения водорастворимых сульфатов редкоземельных элементов. Кислые фильтраты частично нейтрализуют гидроксидом натрия до pH 3–4. Торий выпадает из раствора в виде гидроксида и удаляется. После этого раствор обрабатывают оксалатом аммония, чтобы преобразовать редкоземельные элементы в их нерастворимые оксалаты . Оксалаты превращаются в оксиды путем отжига. Оксиды растворяются в азотной кислоте, но оксид церия не растворяется в HNO ₃ и, следовательно, выпадает в осадок. Следует соблюдать осторожность при обращении с некоторыми остатками, поскольку они содержат ²²⁸ Ra , дочь ²³² Th, который является сильным излучателем гамма-излучения.

Приложения

Карл Ауэр фон Вельсбах, открывший множество применений церия

Газовые мантии и пирофорные сплавы

Первое применение церия было в газовых оболочках , изобретенных австрийским химиком Карлом Ауэром фон Вельсбахом . В 1885 году он ранее экспериментировал со смесями оксидов магния , лантана и иттрия, но они давали зеленый оттенок и безуспешно. Шесть лет спустя он обнаружил, что чистый оксид тория дает гораздо лучший, хотя и голубой, свет, и что его смешивание с диоксидом церия дает яркий белый свет. Диоксид церия также действует как катализатор горения оксида тория.

Это привело к коммерческому успеху фон Вельсбаха и его изобретения и создало большой спрос на торий. Его производство привело к одновременному извлечению большого количества лантаноидов как побочных продуктов. Вскоре они нашли применение, особенно в пирофорном сплаве, известном как « мишметалл », состоящем из 50% церия, 25% лантана, а остальное - других лантаноидов, которые широко используются для более легких кремней. Обычно железо добавляют для образования сплава ферроцерия , также изобретенного фон Вельсбахом. Из-за химического сходства лантаноидов химическое разделение обычно не требуется для их применения, такого как добавление мишметалла в сталь в качестве модификатора включения для улучшения механических свойств или в качестве катализаторов крекинга нефти. Это свойство церия спасло жизнь писателю Примо Леви в концентрационном лагере Освенцим , когда он нашел запас ферроцериевого сплава и обменял его на еду.

Виды Ce (IV)

Церий - наиболее широко используемое соединение церия. Основное применение оксида церия - это полировальный состав, например, для химико-механической планаризации (CMP). В этом приложении оксид церия заменил другие оксиды металлов для производства высококачественных оптических поверхностей. Основное автомобильное применение низшего полуторного оксида - это каталитический нейтрализатор для окисления выбросов CO и NO _x в выхлопных газах автомобилей. Церия также использовалась в качестве заменителя его радиоактивного родственного тория , например, при производстве электродов. Используется при сварке вольфрамовой дугой в газовой среде, где оксид церия в качестве легирующего элемента улучшает стабильность дуги и упрощает запуск, уменьшая при этом выгорание.

Сульфат церия (IV) используется в качестве окислителя при количественном анализе. Церий (IV) в растворах метансульфоновой кислоты применяется в электросинтезе в промышленных масштабах в качестве перерабатываемого окислителя. Нитрат церия-аммония используется в качестве окислителя в органической химии и травлении электронных компонентов, а также в качестве основного стандарта для количественного анализа.

Белый светодиод работает: диод излучает монохроматический синий свет, но люминофор Ce: YAG преобразует его часть в желтый свет, комбинация которого воспринимается глазом как белый.

Пигменты и люминофоры

Фотостабильность пигментов может быть повышена добавлением церия, так как он придает пигментам светостойкость и предотвращает потемнение прозрачных полимеров на солнце. ^{[ необходима цитата ]}

Примером соединения церия, используемого отдельно в качестве неорганического пигмента, является ярко-красный сульфид церия (III) (красный сульфид церия), который остается химически инертным до очень высоких температур. Пигмент является более безопасной альтернативой светостойким, но токсичным пигментам на основе селенида кадмия .

Добавление оксида церия к более старым телевизионным стеклянным пластинам с электронно-лучевой трубкой было полезным, поскольку оно подавляет эффект потемнения от создания дефектов F-центров из-за непрерывной бомбардировки электронами во время работы.

Церий также является важным компонентом в качестве присадки для люминофоров, используемых в экранах телевизоров с ЭЛТ, люминесцентных лампах и более поздних белых светодиодах . Наиболее часто используемым примером является иттрий-алюминиевый гранат, легированный церием (III) (Ce: YAG), который излучает от зеленого до желто-зеленого света (550–530 нм), а также действует как сцинтиллятор .

Прочие сплавы и огнеупоры

Соли церия, такие как сульфиды Ce ₂ S ₃ и Ce ₃ S ₄ , рассматривались во время Манхэттенского проекта как современные огнеупорные материалы для изготовления тиглей, которые могли выдерживать высокие температуры и сильно восстанавливающие условия при разливке металлического плутония. Несмотря на желаемые свойства, эти сульфиды так и не получили широкого распространения из-за практических проблем с их синтезом.

Церий используется в качестве легирующего элемента в алюминии для создания литейных эвтектических алюминиевых сплавов с 6–16 мас.% Се, к которым могут быть дополнительно добавлены Mg и / или Si. Эти сплавы Al-Ce обладают превосходной термостойкостью и подходят для использования в автомобилях, например, в головках цилиндров . Другие сплавы церия включают плутониевые сплавы Pu-Ce и Pu-Ce-Co , которые использовались в качестве ядерного топлива .

Биологическая роль и меры предосторожности

Церий не играет известной биологической роли в организме человека, но также не очень токсичен; он не накапливается в пищевой цепи в сколько-нибудь заметной степени. Поскольку он часто встречается вместе с кальцием в фосфатных минералах, а кости в основном состоят из фосфата кальция , церий может накапливаться в костях в небольших количествах, которые не считаются опасными. Церий, как и другие лантаноиды, влияет на метаболизм человека, снижая уровень холестерина, артериальное давление, аппетит и риск свертывания крови.

Нитрат церия является эффективным противомикробным препаратом для местного применения при ожогах третьей степени , хотя большие дозы могут привести к отравлению церием и метгемоглобинемии . Ранние лантаноиды действуют как важные кофакторы метанолдегидрогеназы метанотрофной бактерии Methylacidiphilum fumariolicum SolV, для которой примерно одинаково эффективны только лантан, церий, празеодим и неодим.

Как и все редкоземельные металлы, церий имеет токсичность от низкой до умеренной. Сильный восстановитель, самовоспламеняется на воздухе при температуре от 65 до 80 ° C. Пары цериевых пожаров токсичны. Не следует использовать воду для тушения возгорания церия, поскольку церий реагирует с водой с образованием газообразного водорода. Рабочие, подвергшиеся воздействию церия, испытывают зуд, чувствительность к теплу и кожные поражения. Церий не токсичен при употреблении в пищу, но животные, которым вводили большие дозы церия, умерли из-за сердечно-сосудистого коллапса. Церий более опасен для водных организмов из-за того, что он повреждает клеточные мембраны, это серьезный риск, поскольку он плохо растворяется в воде, что приводит к загрязнению окружающей среды.

использованная литература

Библиография

Гринвуд, Норман Н .; Эрншоу, Алан (1997). Химия элементов (2-е изд.). Баттерворт-Хайнеманн . ISBN 978-0-08-037941-8.

Languages

In other projects