Церий

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

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:

• α-форма с кубической кристаллической решёткой типа Cu до температуры 95K
• β-форма с гексагональной кристаллической решёткой типа La в интервале температур 95—264K
• 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

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).

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 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: 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 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.