Це́рий ( химический символ — Ce , от лат. Ce rium ) — химический элемент 3-й группы (по устаревшей классификации — побочной подгруппы третьей группы, IIIB) шестого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева с атомным номером 58.

Относится к лантаноидам .

Простое вещество церий — это мягкий, пластичный редкоземельный металл серебристого цвета . Легко окисляется на воздухе.

История

Назван в честь самой большой из малых планет, Цереры ( Ceres ), в свою очередь, названной в честь римской богини плодородия.

Немецкий химик М. Г. Клапрот , открывший цериевую землю в 1803 г. почти одновременно со своими шведскими коллегами — и Й. Я. Берцелиусом , возражал против названия «церий», предлагая «церерий». Берцелиус, однако, отстоял своё название, ссылаясь на трудности произношения того имени, которое предлагал новому элементу Клапрот.

Нахождение в природе

Содержание церия в земной коре — 70 г/т, в воде океанов — 5,2⋅10 ⁻⁶ мг/л .

Физические свойства

Полная электронная конфигурация атома церия: 1s ² 2s ² 2p ⁶ 3s ² 3p ⁶ 4s ² 3d ¹⁰ 4p ⁶ 5s ² 4d ¹⁰ 5p ⁶ 6s ² 4f ¹ 5d ¹

Церий — это вязкий и ковкий серебристый металл, легко поддающийся ковке и механической обработке при комнатной температуре.

Известны 4 кристаллические модификации:

• α-форма с кубической кристаллической решёткой типа Cu до температуры 95K
• β-форма с гексагональной кристаллической решёткой типа La в интервале температур 95—264К
• γ-форма с кубической кристаллической решёткой типа Cu в интервале температур 263—1035K
• δ-форма с кубической кристаллической решёткой типа α-Fe при температурах выше 1035K

Химические свойства

Церий — это редкоземельный металл , неустойчив на воздухе, постепенно окисляется, превращаясь в белый оксид и карбонат церия. При нагревании до +160…+180 °C на воздухе загорается; порошок церия является пирофорным .

Церий реагирует с кислотами, при кипячении окисляется водой, устойчив к действию щелочей. Энергично взаимодействует с галогенами , халькогенами, азотом и углеродом.

Получение

Церий выделяют из смеси редкоземельных элементов процессами экстракции и хроматографии. Получают электролизом расплава фторида церия CeF ₃ .

Применение

Металлургия

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

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 лантана, то значение церия как легирующей добавки больше.

Легирование церием алюминия увеличивает его прочность и снижает электропроводность (величина изменений зависит от концентрации церия в сплаве, а также от способа получения сплава).

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 СеО ₂ (температура плавления 2600 °C) используют как катализатор . В частности, CeO ₂ хорошо ускоряет практически важную реакцию между водородом и окисью углерода ( Водяной газ ). Так же хорошо и надёжно работает диоксид церия в аппаратах, где происходит дегидрогенизация спиртов . Другое соединение церия — его сульфат Ce(SO ₄ ) ₂ — считают перспективным катализатором для сернокислого производства. Он намного ускоряет реакцию окисления сернистого ангидрида в серный.

Получение и измерение сверхнизких температур

Церий-магниевый нитрат (ЦМН) Ce ₂ Mg ₃ (NO ₃ ) ₁₂ ·24H ₂ O используют в магнитных термометрах и как вещество для адиабатического размагничивания .

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 стёкла — они не тускнеют под действием радиации, (так как образующиеся центры окраски не поглощают свет в видимом глазом диапазоне), позволяя изготавливать толстые стёкла для защиты персонала.

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

Оксид церия (IV) совместно с диоксидом титана используется для варки цветных стёкол, окрашенных от светло-жёлтого до оранжевого оттенка.

Абразивные материалы

Диоксид церия — основной компонент полирита, самого эффективного порошка для полирования оптического и зеркального стекла . — коричневый порошок, состоящий из оксидов редкоземельных элементов. Оксида церия в нём 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

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

Огнеупорные материалы

В качестве чрезвычайно стойких огнеупорных материалов используют диоксид 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 диоксида церия.

Топливные элементы

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

Химические источники тока

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

Сварка

Легирующая добавка к электродам с серым наконечником для сварки TIG

Изотопы

Природный церий состоит из смеси четырёх стабильных изотопов: ¹³⁶ Ce (0,185 %), ¹³⁸ Ce (0,251 %), ¹⁴⁰ Ce (88,450 %) и ¹⁴² Ce (11,114 %). Два из них ( ¹³⁶ Ce и ¹⁴² Ce), в принципе, могут испытывать двойной бета-распад , однако их радиоактивность не наблюдалась, установлены лишь нижние ограничения на периоды полураспада (3,8⋅10 ¹⁶ лет и 5,0⋅10 ¹⁶ лет, соответственно). Известны также 26 радионуклидов церия. Из них наиболее стабильны ¹⁴⁴ Ce (период полураспада 284,893 д), ¹³⁹ Ce (137,640 д) и ¹⁴¹ Ce (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 диоксида (плотность около 6,4 г/см³) в производстве радиоизотопных источников тока в качестве источника тепла, его энерговыделение составляет около 12,5 Вт/см³.

Токсичность

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

Примечания

Литература

• Абрагам А., Блини Б. Электронный парамагнитный резонанс переходных ионов. Том I. — М. : Мир, 1972. — 652 с.

Ссылки