Церий

Церий
Атомный номер	58
Внешний вид простого вещества	ковкий, вязкий металл железно-серого цвета
Свойства атома
Атомная масса (молярная масса)	140,115 а. е. м. (г/моль)
Радиус атома	181 пм
Энергия ионизации (первый электрон)	540,1 (5,60) кДж/моль (эВ)
Электронная конфигурация	[Xe]4f15d16s2
Химические свойства
Ковалентный радиус	165 пм
Радиус иона	(+4e) 92 103.(+3e) 4 пм
Электроотрицательность (по Полингу)	1,12
Электродный потенциал	Ce←Ce3+ −2,34 В
Степени окисления	4, 3
Термодинамические свойства простого вещества
Плотность	6,757 г/см³
Молярная теплоёмкость	26,94 Дж/(K·моль)
Теплопроводность	11,3 Вт/(м·K)
Температура плавления	1072 K
Теплота плавления	5,2 кДж/моль
Температура кипения	3699 K
Теплота испарения	398 кДж/моль
Молярный объём	21,0 см³/моль
Кристаллическая решётка простого вещества
Структура решётки	кубическая гранецентрированая
Параметры решётки	5,160 Å
Отношение c/a	n/a
Температура Дебая	n/a K

Церий — химический элемент из группы лантаноидов, серебристый металл.

История

Назван в честь самой большой из малых планет, Цереры (Ceres), открытой 1 января 1801 года итальянским астрономом Джузеппе Пьяцци. Длительное время Церера рассматривалась как планета Солнечной системы, впоследствии была классифицирована как астероид, а 24 августа 2006 года XXVI Генеральной Ассамблеей Международного астрономического союза была отнесена к карликовым планетам.

Немецкий химик М. Г. Клапрот, открывший цериевую землю почти одновременно со своими шведскими коллегами — В. Хизингером и Й. Я. Берцелиусом, возражал против названия «церий», предлагая «церерий». Берцелиус, однако, отстоял свое название, ссылаясь на трудности произношения того имени, которое предлагал новому элементу Клапрот.

Получение

Получают электролизом расплава фторида церия CeF₃.

Цены

Цены на церий чистотой 99-99,9 составляют около 1-2 долл за 1 кг, в связи с тем, что себестоимость добычи данного элемента низка и он весьма распространен в ряду редкоземельных металлов.

Физические свойства

Серебристо-белый металл. Плотность 6,77 г/дм3. Температура плавления 804 С. Температура кипения 3260 С.

Химические свойства

Редкоземельный металл, неустойчив на воздухе, постепенно окисляется, превращаясь в белый оксид.

Применение

Металлургия

В современной технике широко используют способность церия (как и других лантаноидов) модифицировать сплавы на основе железа, магния, добавления 1 % церия к магнию резко увеличивает прочность последнего на разрыв и сопротивление ползучести.

Церий повышает электропроводность алюминия, меди, ниобия, титана.

Легирование конструкционных сталей церием значительно повышает их прочность. Здесь действие церия в целом аналогично действию лантана. Но, поскольку церий и его соединения дешевле и доступнее, чем лантан, значение церия как легирующей добавки больше, нежели лантана.

Легирование церием алюминия резко увеличивает его прочность и электропроводность (на несколько процентов).

Стоит отметить то обстоятельство что церий с рядом металлов при сплавлении реагирует весьма бурно с образованием интерметаллидов. Так, весьма характерна для церия бурная реакция с цинком при сплавлении или при локальном нагревании смеси порошка церия с порошком цинка. Эта реакция протекает в форме мощного взрыва, поэтому весьма опасно прибавление кусочка церия к расплавленному цинку — происходит яркая вспышка и сильный взрыв.

Катализаторы

В химической и нефтяной промышленности диоксид церия СеО₂ (т. пл. 2600 °C) используют как катализатор. В частности, CeO₂ хорошо ускоряет практически важную реакцию между водородом и окисью углерода. Так же хорошо и надёжно работает двуокись церия в аппаратах, где происходит дегидрогенизация спиртов. Другое соединение церия — его сульфат Ce(SO₄)SUB>2 — считают перспективным катализатором для сернокислого производства. Он намного ускоряет реакцию окисления сернистого ангидрида в серный.

Термоэлектрические материалы

Сульфид церия применяется в качестве высокотемпературного термоэлектрического материала с высокой эффективностью, для увеличения эффективности обычно легируется сульфидом стронция.

Производство стекла

В атомной технике широко применяют церий-содержащие стекла — они не тускнеют под действием радиации, позволяя изготавливать толстые стёкла для защиты персонала.

Двуокись церия церит входит в состав специальных стёкол как осветлитель и иногда как светло-жёлтый краситель.

Абразивные материалы

То же вещество — основной компонент полирита, самого эффективного порошка для полировки оптического и зеркального стекла. Полирит — коричневый порошок, состоящий из окислов редкоземельных элементов. Окиси церия в нем не меньше 45 %. Известно, что с переходом на полирит качество полировки значительно улучшилось. На харьковском заводе имени Ф. Э. Дзержинского, например, выход первосортного зеркального стекла после перехода на полирит увеличился в 10 раз. Выросла и производительность конвейера — за то же время полирит снимает примерно вдвое больше материала, чем другие полирующие порошки.

Пирофорные сплавы

Сплав церия с 50 % железа (ферроцерий), а иногда и мишметалл используется как искусственный «кремень» в зажигалках.

Источники света

Трифторид церия используется в качестве добавки при изготовлении углей для дуговых источников света, его добавление к материалу углей резко повышает яркость свечения.

Оксид церия совместно с двуокисью титана используется для варки цветных стекол, окрашенных от светло-жёлтого до оранжевого оттенка.

Огнеупорные материалы

В качестве чрезвычайно стойких огнеупорных материалов используют двуокись церия(до 2300 °C в окислительной и инертной атмосфере), сульфид церия (до 1800 °C в восстановительной атмосфере).

Церий в медицине

Соли церия применяются для лечения и предотвращения симптомов «морской болезни». В стоматологии используется цериевая сталь и керамика с содержанием двуокиси церия.

Топливные элементы

Диоксид церия применяется в качестве компонента для производства твёрдого электролита высокотемпературных топливных элементов.

Химические источники тока

Трёхфтористый церий в сплаве с фторидом стронция используется для производства очень мощных твердотельных аккумуляторных батарей. Анодом в таких батареях является чистый металлический церий.

Изотопы

Природный церий состоит из смеси четырёх стабильных изотопов: ¹³⁶Ce (0,185%), ¹³⁸Ce (0,251%), ¹⁴⁰Ce (88,450%) и ¹⁴²Ce (11,114%). Два из них (¹³⁶Ce и ¹⁴²Ce) в принципе могут испытывать двойной бета-распад, однако их радиоактивность не наблюдалась, установлены лишь нижние ограничения на периоды полураспада (3,8×10¹⁶ лет и 5,0×10¹⁶ лет, соответственно). Известны также 26 радионуклидов церия. Из них наиболее стабильны ¹⁴⁴Ce (период полураспада 284,893 д), ¹³⁹Ce (137,640 д) и ¹⁴¹Ce (32,501 д). Остальные известные радионуклиды церия имеют периоды полураспада менее 4 дней, а большинство из них — менее 10 минут. Известны также 2 изомерных состояния изотопов церия.

Церий-144 (период полураспада 285 суток) является одним из продуктов деления урана-235, в связи с чем нарабатывается в больших количествах в ядерных реакторах. Применяется в виде двуокиси (плотность около 6,4 г/см³) в производстве радиоизотопных источников тока в качестве источника тепла, его энерговыделение составляет около 12,5 Вт/см³.

Биологическая роль

Токсичность

Оказывает токсическое действие на рыб и низшие водные организмы. Обладает способностью к биоаккумуляции. Рекомендованные ВОЗ ПДК церия для питевой воды составляют 0-0,05 мг/л.