Этот химический элемент причислен к редкоземельным, хотя на планете его достаточно. И это хорошо: без церия создание материалов нового поколения проблематично. Хотя и сегодня цериевый продукт раскупается полностью.
Что представляет собой
- Церий – это химический элемент семейства лантаноидов, номер 58 таблицы Менделеева.
- Серебристый с «железными» оттенками металл наделен умеренным блеском.
- По составу – конгломерат четырех стабильных изотопов.
- Международное обозначение – Ce (Cerium).
Как был открыт и назван
История обнаружения элемента извивиста:
- Минерал церит, «начиненный» редкоземельными элементами, обнаружил в 1751 году шведский минералог Аксель Кронштедт.
- Через полвека, в 1803 году, находка послужила образцом для исследований. Трое химиков – немец Мартин Клапрот, шведы Йенс Берцелиус и Вильгельм Хизингер – выявили цериевую «землю».
- Это случилось почти синхронно, поэтому все трое считаются первооткрывателями элемента.
- Дальше к работе подключился француз Луи Воклен. Он доказал, что цериевая земля бывает белой и оранжевой. То есть церий представлен двумя валентными модификациями. И что это – металл.
- Церий как металл получили в 1875 году британцы Томас Нортон и Вильям Хиллебранд.
Назвать решили в честь Цереры – планеты-карлика, обнаруженной двумя годами ранее в поясе астероидов.
Вокруг названия элемента разгорелись споры:
- Клапрот настаивал на полной транскрипции – новый элемент должен был именоваться церерием.
- Берцелиус считал такой вариант «непроизносимым», предложив укороченную версию – церий.
Она и закрепилась за элементом.
Как представлен в природе
Церий, подобно другим лантаноидам, – компонент десятков видов горных пород. Минералы с долей элемента 5-8% исчисляются шестью десятками.
Микропримеси элемента присутствуют в глинах, нефти, каменном угле, грунтах, морской воде.
Однако коренных месторождений нет, элемент рассеян.
Он накапливается биологическими организмами.
Тонна земной коры содержит 70 г церия, литр океанской воды – 5,2⋅10−6 мг.
Где и как добывается
Месторождения элемента рассредоточены по планете, но исчисляются единицами:
- Евразия – Россия, Украина, Скандинавский полуостров, Казахстан, Индия, Китай.
- Америка – США, Бразилия.
- Австралия.
95% месторождений церия сосредоточены и разрабатываются в Китае.
Добыча ведется шахтным способом.
Получение
В отличие от других металлов-лантаноидов, церий (а также лантан, празеодим и иттрий), не добываются как оксиды либо в чистом виде с последующей сепарацией.
Их извлекают по отдельности из смеси редкоземельных элементов, экстрагируя, затем используя хроматографию.
Металл – продукт электролиза расплавленного фторида вещества.
Физико-химические характеристики
Элемент наделен характеристиками, присущими редкоземельной группе:
- Вязкий, пластичный. Легко обрабатывается при комнатной температуре.
- Кристаллическая решетка представлена четырьмя модификациями, в зависимости от температуры вещества.
- Поддается воздействию кислот (не щелочей), галогенов, газов.
- На воздухе окисляется при комнатной температуре, в воде – при кипячении.
- Сплавляясь с некоторыми металлами, образует интерметаллид.
Красиво, но опасно соединение порошковых церия и цинка. Результат сплавления – ослепительная вспышка, сопровождаемая оглушительным взрывом.
| Свойства атома | |
|---|---|
| Название, символ, номер | Це́рий / Cerium (Ce), 58 |
| Атомная масса (молярная масса) |
140,116(1) а. е. м. (г/моль) |
| Электронная конфигурация | [Xe]4f15d16s2 |
| Радиус атома | 181 пм |
| Химические свойства | |
| Ковалентный радиус | 165 пм |
| Радиус иона | (+4e) 92 103.(+3e) 4 пм |
| Электроотрицательность | 1,12 (шкала Полинга) |
| Электродный потенциал | Ce←Ce3+ −2,34 В |
| Степени окисления | 4, 3 |
| Энергия ионизации (первый электрон) | 540,1 (5,60) кДж/моль (эВ) |
| Термодинамические свойства простого вещества | |
| Плотность (при н. у.) | 6,757 г/см³ |
| Температура плавления | 1072 K |
| Температура кипения | 3699 K |
| Уд. теплота плавления | 5,2 кДж/моль |
| Уд. теплота испарения | 398 кДж/моль |
| Молярная теплоёмкость | 26,94 Дж/(K·моль) |
| Молярный объём | 21,0 см³/моль |
| Кристаллическая решётка простого вещества | |
| Структура решётки | кубическая гранецентрированная |
| Параметры решётки | 5,160 Å |
| Прочие характеристики | |
| Теплопроводность | (300 K) 11,3 Вт/(м·К) |
| Номер CAS | 7440-45-1 |
Кубик из церия с ребром в 1 см весит 6,8 грамма.
Порошок церия пирофорен: воспламеняется спонтанно при комнатной температуре (у металла этот показатель – +165°C). Поэтому хранится в герметичной таре.
Где используется
Церий как элемент, его соединения нашли применение в промышленном комплексе, других сферах.
Атомный сектор
Церий-144 (полураспад – 9,5 месяцев) как продукт распада урана-235 вырабатывается «оптом» в ядерных реакторах.
Данный изотоп задействован в качестве теплоносителя при производстве специальных источников тока.
Металлургия
Изготовители металлических заготовок используют церий как элемент-лигатуру к другим сплавам:
- 1% вещества к алюминиевому, магниевому сплаву кратно повышает их порог прочности на разрыв, «расползаемость».
- У медных, алюминиевых, ниобиевых, титановых продуктов интенсифицируется проводимость тока.
- Конструкционные стали в разы прочнее.
Церий как легирующая добавка конкурирует с лантаном. И побеждает благодаря дешевизне и доступности.
Другие отрасли промышленности
Свойства элемента обеспечили его востребованность ведущими отраслями промышленного комплекса:
- Катализатор в химпроме, нефтяном секторе. Оксидом вещества обезвоживают спирты, ускоряют реакции «окись углерода – водород». Сульфат исследуют на предмет производства сернокислого ассортимента.
- Для аккумуляторных батарей повышенной мощности применяется сплав фтористых церия и стронция.
- Оксид церия – составляющая электролита топливных элементов, работающих в условиях высоких температур.
- Это компонент стекла, не тускнеющего от радиации, для защиты персонала атомных объектов.
- Двуокись либо сульфид – жаростойкие огнеупоры.
- Сульфид элемента, легированный сульфидом стронция, – термоэлектрический материал с высоким КПД для работы при запредельных температурах.
- Железисто-цериевый (пополам) сплав используется как «спусковой механизм» зажигалок.
Окись вещества – базовая (45+%) составляющая полирита. Это порошок номер один для полировки стекла. Особенно зеркал и оптики. Двуокисью титана с церием стекла осветляют либо придают желто-оранжевые оттенки.
Медицина
Сталь и керамика с цериевыми соединениями – материал стоматологов.
Солями вещества предотвращают либо нейтрализуют морскую болезнь.
Материалы поколения 2.0
Российско-китайская команда физиков модернизировала состав керамики-преобразователя цвета. Туда просто добавили микродозу «светлячков»-ионов церия.
Результат: белые светодиоды станут ярче, процесс изготовления подешевеет. Материал предназначен для освещения мегаобъектов (стадионов, гипермаркетов, полигонов, аэропортов), используется в фарах, лазерных телевизорах.
Исследование, завершившееся в августе 2021 года, профинансировано грантом Президента России.
Ограничения
Металл церий накапливается живыми организмами. Токсичен для морской, океанской, речной флоры и фауны.
Согласно рекомендации Всемирной Организации Здравоохранения, литр питьевой воды не должен содержать более 0,049 мг церия.
Стоимость
На российском рынке представлен металл, порошок и соединения.
Цена определяется степенью чистоты и формой материала (руб. /кг):
- Слитки (99,5-99,9%) – 50 110.
- Электролитический – 11 000.
- Вольфрамат – 6 500.
Самый доступный продукт – оксид-порошок. Килограмм предлагают купить за 39 рублей.
Загрузка...
