Для чего нужен церий

ЦЕРИЙ

ЦЕРИЙ – Се (Cerium), химический элемент III группы периодической системы элементов, атомный номер 58, атомная масса 140,12 относится к редкоземельным элементам. Церий был открыт в 1803 Й.Берцелиусом и В.Хизингером, а также независимо от них в том же году М.Клапротом, назван по имени малой планеты Цереры.

Задолго до того, как церий нашел применение, большие запасы соединений церия были накоплены в виде отходов, образовавшихся при производстве солей тория из минерала монацита (См. также ТОРИЙ). Интерес к церию возник после того, как было обнаружено, что сплавы церия с железом обладают интересным свойством – при ударе кусочка такого сплава о шероховатую стальную поверхность высекаются искры с температурой до 200° С. Такие искры легко воспламеняли вату, паклю и, главное, бензин. В результате возникли зажигалки с широко известными «кремешками». Вначале это были бензиновые, а позже газовые зажигалки, которые начали успешно вытеснять спички (в настоящее время чаще применяют пьезоэлектрические источники искры в зажигалках).

Физические cвойства.

Химические cвойства.

Церий – весьма реакционно-способный металл, на воздухе он окисляется за несколько суток, образуя серый рассыпающийся порошок, состоящий из гидратированных карбонатов. При нагревании на воздухе в виде монолитного блока церий загорается при 160–180° С, мелкодисперсный металлический порошок вспыхивает на воздухе в результате энергичного окисления. Церий разлагает воду при кипячении, растворим в минеральных кислотах, устойчив к действию щелочей. Бурно взаимодействует с галогенами, азотом и углеродом. Наиболее характерны для церия степени окисления Се(III) и Ce(IV). Ионы Се(III), бесцветные в водных растворах, в щелочной среде в присутствии окислителей легко переходят в ионы Ce(IV), имеющие желтую окраску. Это свойство церия позволило обнаружить неизвестный ранее тип реакций, названных колебательными.

Соединения церия.

Диоксид СеО₂, светло-желтый порошок, температура плавления 2400° С. При растворении СеО₂ в концентрированной HNO₃ в присутствии NH₄NO₃ образуется легко кристаллизующаяся комплексная соль (NH₄)₂[Ce(NO₃)₆], растворимая в большинстве органических растворителей, при 180° С разлагается. Диоксид церия, взаимодействуя с Н₂ при температуре выше 800° С, частично восстанавливается, образуя смесь оксидов, содержащих ионы Се(III) и Ce(IV).

Тетрафторид CeF₄, бесцветный кристаллический порошок, получают при обработке металлического Се или СеО₂ фтором при температуре 200–250° С. CeF₄ при взаимодействии с водой гидролизуется; при температуре выше 700° С в вакууме сублимирует без разложения.

Получение.

Основной исходный минерал для получения церия – монацит (смесь фосфатов тория, церия, лантана и некоторых других редкоземельных элементов), кроме того, он содержится в апатитах и некоторых других минералах, содержание церия в земной коре 7·10 –3 % по массе. При щелочном расщеплении монацита образуется смесь оксидов металлов, из которой СеО₂ извлекают, переводя его в (NH₄)₂[Ce(NO₃)₆]. Аммонийно-цериевую соль отделяют от остальных соединений, экстрагируя эфиром фосфорной кислоты, затем ее разлагают при 180° С, получая при этом чистый диоксид церия. Далее СеО₂ переводят в CeF₃, из расплава которого электролизом получают металлический церий.

Применение.

Сплавы церия с магнием и алюминием используют в авиастроении, поскольку они обладают повышенной прочностью при малой плотности. Церий в качестве легирующей добавки к сплавам хрома и никеля увеличивает их жаростойкость и долговечность. Кроме того, металлический церий исключительно эффективно поглощает большинство газов (кислород, водород, азот, углекислый газ и др.), поэтому при создании высоковакуумного прибора в него вначале вводят незначительное количество церия, затем создают высокий вакуум, после чего церий связывает следы оставшихся газов, тем самым дополнительно увеличивая разрежение. Такие газопоглотители называют гéттерами (англ. gеtter – приобретатель). Наиболее известное применение церия в пиротехнических составах и в трассирующих снарядах.

Диоксид церия используют как компонент окрашенных стекол, а также для шлифовки и полировки оптического стекла, в смеси с оксидами других редкоземельных элементов – в качестве катализаторов при получении органических соединений.

Тетрафторид церия применяют как энергичный окислитель, он реагирует при нагревании с большинством органических соединений (даже с фторопластом), а также как фторирующий реагент в органическом синтезе.

Источник

Церий применение (металлургия катализатор)

ЦЕРИЙ ПРИМЕНЕНИЕ В ПРОИЗВОДСТВЕ

В современной технике широко используют способность церия как и других лантаноидов модифицировать сплавы на основе железа, магния, 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.

Влияние разных доз церия на структуру и свойства литой и кованой стали исследовали в Центральной заводской лаборатории Челябинского тракторного завода. Вот один из выводов, сделанных в результате этого исследования. «Размер вводимых добавок церия определяется составом стали. Чем больше легирована сталь, тем меньше оптимальная величина добавок церия.

Легирование стали церием

Для ответственных отливок из углеродистой стали эта величина составляет 0,2—0,3%; для стали, легированной никелем в количестве 1,5—3%, хромом и кремнием — порядка 0,10—0,15%. Во всех случаях следует избегать остаточного содержания церия в стали свыше 0,1%, т. е. перехода от микро- к макролегированию стали».

Видимо, и для металлургии часто оказывается справедливым старое медицинское правило: малые дозы — лекарство, большие — яд…

С 1954 г. в качестве легирующей добавки к стали начали вводить микроприсадки окиси и других соединений редкоземельных металлов, поскольку они дешевле, чем сами металлы.

Церий катализатор

В химической и нефтяной промышленности двуокись церия СеО₂ используют как катализатор. В частности, СеО₂ хорошо ускоряет практически важную реакцию между водородом и окисью углерода. Так же хорошо и надежно работает двуокись церия в аппаратах, где происходит дегидрогенизация спиртов. Другое соединение элемента церия — его сульфат Се(SО₄)₂— считают перспективным катализатором для сернокислого производства. Он намного ускоряет реакцию окисления сернистого ангидрида в серный.

В начале 60-х годов каталитическая активность соединений церия была продемонстрирована довольно необычным способом. Головки поршней автомобильного двигателя «Шевроле» покрыли керамическим материалом, который на 80% состоял из соединений редкоземельных элементов. Среди них, как сообщалось, преобладала окись церия.

Во всем остальном опытный двигатель был идентичен серийным. Но — при его работе выделялось вдвое меньше не сгоревших углеводородов, на 10—20% уменьшилось и количество образующейся окиси углерода. Когда появилась первая публикация об этом опыте, авторы ее утверждали, что, если бы редкоземельным катализатором были покрыты еще и головки цилиндров, результат оказался бы еще лучше.

Еще раньше керамику с добавкой редких земель пытались использовать в качестве теплозащиты в атомных реакторах. Здесь пути церия и его аналогов разошлись. Если соединения других лантаноидов, прежде всего самария, европия и гадолиния, интересны тем, что они активно захватывают тепловые нейтроны, то соединения церия, обладая почти такими же химическими свойствами, в принципе пригодны как материалы горячей зоны: величина сечения захвата тепловых нейтронов атомами церия очень мала — втрое меньше, чем атомами железа, и в 60 тыс. раз меньше, чем гадолинием.

Церий и стекло

В атомной технике широко применяют и церий содержащие стекла — они не тускнеют под действием радиации. Между прочим, участие в рецептурах специальных стекол — одна из многих ролей церия в стеклоделии. Его двуокись вводят в стекло как осветлитель и иногда как светло-желтый краситель. 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 заводе им. 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.

Статья на тему Церий применение

Похожие страницы:

Понравилась статья поделись ей

Источник

Церий – полезные свойства, использование и ограничения

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

Как был открыт и назван

История обнаружения элемента извивиста:

Назвать решили в честь Цереры – планеты-карлика, обнаруженной двумя годами ранее в поясе астероидов.

Церий – ковкий, вязкий металл железно-серого цвета

Вокруг названия элемента разгорелись споры:

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:

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:

Красиво, но опасно соединение порошковых церия и цинка. Результат сплавления – ослепительная вспышка, сопровождаемая оглушительным взрывом.

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:

Церий как легирующая добавка конкурирует с лантаном. И побеждает благодаря дешевизне и доступности.

Церий металлический

Другие отрасли промышленности

Свойства элемента обеспечили его востребованность ведущими отраслями промышленного комплекса:

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):

Самый доступный продукт – оксид-порошок. Килограмм предлагают купить за 39 рублей.

Источник

Церий

Содержание

История

Происхождение названия

Получение

Цены на церий чистотой 99-99,9 составляют около 40-125 долл за 1 кг.

Физические свойства

Химические свойства

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).

Катализаторы

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 и 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-желтый краситель.

Абразивные материалы

Пирофорные сплавы

Источники света

Трехфтористый церий 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-желтого 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 цериевая сталь и керамика с содержанием двуокиси церия.

Топливные элементы

Оксид церия применяется в качестве компонента для производства твердого электролита высокотемпературных топливных элементов.

Химические источники тока

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

Изотопы

Биологическая роль

Ссылки

bs:Cerijum ca:Ceri co:Ceriu cs:Cer da:Cerium de:Cer el:Δημήτριο en:Cerium eo:Cerio es:Cerio et:Tseerium fi:Cerium fr:Cérium gl:Cerio (elemento) he:צריום hr:Cerij hu:Cérium id:Serium io:Cerio it:Cerio ja:セリウム jbo:jinmrseri ko:세륨 la:Cerium lb:Cer lt:Ceris lv:Cērijs nl:Cerium nn:Cerium no:Cerium pl:Cer pt:Cério sh:Cerijum sk:Cér sl:Cerij sr:Церијум sv:Cerium th:ซีเรียม tr:Seryum ug:سېرىي uk:Церій zh:铈

Источник

Церий

Церий
Ковкий, вязкий металл железно-серого цвета
Название, символ, номер	Церий / Cerium (Ce), 58
Атомная масса (молярная масса)	140,116(1) а. е. м. (г/моль)
Электронная конфигурация	[Xe]4f 1 5d 1 6s 2
Радиус атома	181 пм
Ковалентный радиус	165 пм
Радиус иона	(+4e) 92 103.(+3e) 4 пм
Электроотрицательность	1,12 (шкала Полинга)
Электродный потенциал	Ce←Ce 3+ −2,34 В
Степени окисления	4, 3
Энергия ионизации (первый электрон)	540,1 (5,60) кДж/моль (эВ)
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
Структура решётки	кубическая гранецентрированая
Параметры решётки	5,160 Å
Теплопроводность	(300 K) 11,3 Вт/(м·К)
Номер CAS	7440-45-1

Церий (химический символ — Ce; лат. Cerium ) — химический элемент из группы лантаноидов, серебристый металл.

Содержание

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 — В. Хизингером 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.

Месторождения

Главные месторождения церия находятся в Китае, США, Казахстане, России, Украине, Австралии, Бразилии, Индии, Скандинавии.

Получение

Церий выделяют из смеси редкоземельных элементов процессами экстракции и хроматографии. Получают электролизом расплава фторида церия CeF₃.

Физические свойства

Церий представляет собой серебристо-белый вязкий и ковкий металл, легко поддаётся ковке и механической обработке при комнатной температуре.

Известны 4 кристаллические модификации:

Химические свойства

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.

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).

Катализаторы

В химической и нефтяной промышленности диоксид церия CeO₂ (температура плавления 2600 °C) используют как катализатор. В частности, CeO₂ хорошо ускоряет практически важную реакцию между водородом и окисью углерода. Так же хорошо и надёжно работает диоксид церия в аппаратах, где происходит дегидрогенизация спиртов. Другое соединение церия — его сульфат Ce(SO₄)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) Ce₂Mg₃(NO₃)₁₂·24H₂O 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, 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. Полирит — 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

Трифторид церия 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.

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.

Eu, Sm, Li, Cs, Rb, K, Ra, Ba, Sr, Ca, Na, Ac, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Gd, Tb, Mg, Y, Dy, Am, Ho, Er, Tm, Lu, Sc, Pu,
Th, Np, U, Hf, Be, Al, Ti, Zr, Yb, Mn, V, Nb, Pa, Cr, Zn, Ga, Fe, Cd, In, Tl, Co, Ni, Te, Mo, Sn, Pb, H₂,
W, Sb, Bi, Ge, Re, Cu, Tc, Te, Rh, Po, Hg, Ag, Pd, Os, Ir, Pt, Au

Источник