Церий (Ce) имеет атомный номер 58 и является наиболее распространенным из известных редкоземельных металлов . Это второй элемент ряда лантаноидов. Технический церий имеет железно-серый цвет. В чистом виде он серебристый и имеет почти такую же пластичность и мягкость, как олово. Церий — самый распространенный редкоземельный металл — его больше, чем олова и свинца, и почти так же много, как цинка. Цезий в природе встречается в различных минералах, наиболее распространенными из которых являются бастнезит и монацит.
Металл окисляется на воздухе при комнатной температуре с образованием CeO2. Медленно реагирует с водой и быстро растворяется в разбавленных кислотах. Однако вместе с плавиковой кислотой церий образует на ее поверхности защитный фторидный слой (CeF3). Кроме того, цериевая токарная обработка (полученная при напиливании, шлифовке или механической обработке металла) легко сгорает на воздухе с раскаленным добела цветом. Благодаря своей пирофорной природе он выполняет важную металлургическую функцию при производстве более легких кремней. Именно поэтому металл хранят в вакууме или инертной атмосфере.
Открытие церия
Церий был впервые идентифицирован Йонсом Берцелиусом и Вильгельмом Хизингером примерно в 1803 и 1804 годах. Мартин Клапрот также открыл этот элемент, хотя и независимо, примерно в то же время. Церий, хотя и является одним из редкоземельных элементов, встречается независимо от них. В этом отличие от других редкоземельных металлов, полученных из тех же минералов.
Фактически, некоторые минералы представляют собой почти исключительно соли церия. Хотя этот элемент был обнаружен и исследован в 1803 году Берцелиусом и Хизингером, только в 1875 году Уильям Хиллебранд и Томас Нортон получили первый чистый образец церия. Это было достигнуто путем пропускания электрического тока через расплавленный хлорид церия.
Коммерческое получение церия
Чистый металлический церий получают электролизом безводных плавленых галогенидов или металлотермическим восстановлением галогенидов щелочными или щелочноземельными металлами. Он существует в четырех аллотропных (структурных) формах.
Аллотропы церия
Есть четыре известные аллотропные формы церия, существующие при стандартном давлении. Они имеют общие метки от α до δ:
- Высокотемпературная форма, δ-церий, имеет объемноцентрированную кубическую кристаллическую структуру и существует при температуре выше 726 °C.
- Стабильная форма γ-церия имеет температуру ниже 726 ° C и имеет гранецентрированную кубическую кристаллическую структуру.
- Двойная гексагональная плотноупакованная форма (DHCP), известная как β-церий, представляет собой равновесную структуру (существует от комнатной температуры до -150 ° C).
- Гранецентрированная кубическая кристаллическая форма α-церия стабильна при температуре ниже -150 °C и имеет плотность 8,16 г/см3.
- И γ-, и β-формы довольно стабильны при комнатной температуре.
Изотопы церия
Естественно, встречающийся церий имеет четыре изотопа:
- 136Ce (0,19%)
- 138 Это (0,25%)
- 140Ce (88,4%) и
- 142 Это (11,1%).
Все четыре химически стабильны, хотя более легкие — 136Ce и 138Ce — теоретически претерпят обратный двойной бета-распад с образованием изотопов бария. Самый тяжелый изотоп 142Ce подвергнется двойному бета-распаду с образованием 142Nd или альфа-распаду до 138Ba.
Масса этих изотопов варьируется от 119 до 157 г, а период полураспада составляет всего 1,02 секунды для церия-151 и 5×1016 лет для церия-142. Помимо ядерных изомеров, всего охарактеризовано 38 радиоактивных изотопов церия.
Свойства церия
- Он расположен в таблице Менделеева между лантаном слева и празеодимом справа.
- Церий — мягкий, пластичный металл серебристо-белого цвета.
- Тускнеет под воздействием воздуха
- Обладает степенью окисления +3, характерной для лантаноидов.
- Церий также имеет стабильное состояние +4, которое не окисляет воду.
- Металлический церий является умеренно сильным парамагнетиком при температуре ниже или выше комнатной. Однако он становится антиферромагнитным при температуре ниже -260 ° C (-436 ° F).
- Обладает сверхпроводящей способностью в диапазоне милликельвинов при давлении 20 килобар.
Применение церия
Газовые мантии и пирроловые сплавы
Первое использование церия было в газовых мантиях, которые изобрел австрийский химик Карл Ауэр фон Вельсбах. Он обнаружил, что чистый оксид тория дает гораздо лучший свет. Создаваемый свет был голубого цвета. Но смешивание тория с диоксидом церия дает яркий белый свет. Диоксид церия также действует как катализатор горения оксида тория.
Тонкопленочное покрытие
Мишени для распыления церия и материалы для испарения церия используются в процессах осаждения, включая осаждение полупроводников, химическое осаждение из паровой фазы (CVD) и физическое осаждение из паровой фазы (PVD).
Полировальный состав
Обратите внимание, что церий является наиболее используемой формой церия. Типичное применение - химико-механическая планаризация (ХМП). В этом применении церий используется для замены оксидов других металлов для производства высококачественных оптических поверхностей. Применение находит такое применение в автомобильной промышленности, где низший полуторный оксид используется в качестве каталитического нейтрализатора для окисления выбросов CO и NOx в выхлопных газах, образующихся в автомобилях.
Окислитель
Сульфат церия (IV) служит окислителем при количественном анализе. Церий(IV) в растворах метансульфоновой кислоты применяется в промышленном электросинтезе в качестве перерабатываемого окислителя. Церийно-аммиачная селитра также используется в качестве окислителя в органической химии, а также при травлении электронных компонентов. Кроме того, он используется в качестве основного стандарта для количественного анализа.
Пигменты
Церий может быть введен для повышения фотостабильности пигментов. Это связано с тем, что он придает пигментам светостойкость и предотвращает потемнение прозрачных полимеров под воздействием солнечного света. Например, ярко-красный сульфид церия (III) (сульфид церия красный) представляет собой соединение церия, которое часто используется само по себе в качестве неорганического пигмента. Он способен оставаться химически инертным даже при экстремальных температурах. Пигмент служит более безопасной альтернативой светостойким, но токсичным пигментам на основе селенида кадмия.
Легирующая добавка для люминофоров
Церий также используется в качестве легирующей добавки для люминофоров, используемых в экранах ЭЛТ-телевизоров, люминесцентных лампах, а позже и в белых светодиодах. Одним из наиболее часто используемых примеров является иттрий-алюминиевый гранат, легированный церием (III) (Ce: YAG). Он излучает свет от зеленого до желто-зеленого цвета (550–530 нм) и действует как сцинтиллятор.
Заключение
Среди редкоземельных металлов церий выделяется как один из самых распространенных и важных. Его обычное применение - в газовых мантиях, фотопигментах, фосфорных добавках в электронно-лучевых трубках и в качестве окислителя. Церий имеет атомный номер 58 и не проявляет никакой известной биологической роли.
