Церий (Ce)
ЛантаноидТвёрдое тело
Стандартная относительная атомная масса
140,116 uЭлектронная конфигурация
[Xe] 6s2 4f1 5d1Температура плавления
797,85 °CТемпература кипения
3423,85 °CПлотность
6770 kg/m³Степени окисления
+1, +2, +3, +4Электроотрицательность (по Полингу)
1,12Энергия ионизации (1-я)
5,5386 eVГод открытия
1801Атомный радиус
185 pmПодробные сведения
Церий — это первый лантаноид по атомному номеру и один из наиболее распространённых редкоземельных элементов в земной коре. Это реакционноспособный, электроотрицательный металл, чья химия необычна среди лантаноидов, поскольку в обычных соединениях доступны как Ce³⁺, так и Ce⁴⁺. Эта редокс-пара Ce³⁺/Ce⁴⁺, особенно в оксидах, делает церий важным в катализаторах, полировальных материалах, обработке стекла и системах накопления кислорода.
Церий особенно интересен из-за своей изменчивой электронной структуры. Энергия внутреннего уровня 4f почти такая же, как у внешних (валентных) электронов, и для изменения относительного заполнения этих электронных уровней требуется лишь небольшое количество энергии. Это приводит к двум состояниям валентности.
Например, при воздействии на церий высокого давления или низких температур происходит изменение объёма примерно на 10 процентов. Валентность цезия, по-видимому, изменяется примерно с 3 до 4 при охлаждении или сжатии. Поведение церия при низких температурах сложно.
Церий — блестящий металл железо-серого цвета. Он ковок и очень легко окисляется при комнатной температуре, особенно во влажном воздухе. За исключением европия, церий — наиболее реакционноспособный из редкоземельных металлов. Он медленно разлагается в холодной воде и быстро — в горячей воде.
Щёлочные растворы, а также разбавленные и концентрированные кислоты быстро разрушают металл. Чистый металл, если поцарапать его ножом, может легко воспламениться.
Соли церия имеют оранжево-красную или желтоватую окраску; соли церия(III) обычно белые.
Название происходит от планетоиды Церера, которая была открыта итальянским астрономом Джузеппе Пьяцци в 1801 году и названа в честь Цереры, римской богини земледелия и урожая. Два года спустя элемент церий был открыт немецким химиком Мартином-Хайнрихом Клапротом, который назвал его охроитовой землей из-за желтого цвета.
Церий был независимо открыт в то же время шведским химиком Йёнсом Якобом Берцелиусом и шведским минералогом Вильгельмом фон Гизингером, которые назвали его церией. Впервые он был выделен в 1875 году американским минералогом и химиком Уильямом Фрэнсисом Хиллебрандом и американским химиком Томасом Х. Нортоном.
Церий был открыт Йёнсом Якобом Берцелиусом и Вильгельмом фон Гизингером, шведскими химиками, а независимо от них — Мартином Генрихом Клапротом, немецким химиком, в 1803 году. Церий является самым распространенным из редкоземельных элементов и составляет около 0,0046% земной коры. Сегодня церий в основном получают методом ионного обмена из монацитового песка ((Ce, La, Th, Nd, Y)PO4), материала, богатого редкоземельными элементами.
Церий был назван в честь астероида Церера, открытого в 1801 году. Элемент был открыт два года спустя, в 1803 году, Клапротом и Берцелиусом с Гизингером. В 1875 году Хиллебранд и Нортон получили металл.
Чистый церий — мягкий, серебристо-серый металл, который легко тускнеет на воздухе. Свежие поверхности металлические и яркие, но окисление быстро лишает их блеска. Металл ковок при комнатной температуре, имеет относительно низкую температуру плавления для лантаноида и достаточно реакционноспособен, чтобы мелкие частицы могли воспламеняться при нагревании или истирании.
Церий широко используется в виде диоксида церия, CeO₂, в полировальных порошках для стекла и как компонент, аккумулирующий кислород, в автомобильных каталитических нейтрализаторах. Соединения церия обесцвечивают стекло, окисляя примеси железа, и могут также придавать ультрафиолетовое поглощение. Мишметалл, редкоземельный сплав, богатый церием, используется в кремнях для зажигалок и искрообразующих сплавах. Церий также используется в некоторых алюминиевых, магниевых и железных сплавах, где небольшие добавки могут изменять микроструктуру и окислительное поведение.
Чистый церий воспламеняется, если его поцарапать острым предметом, но может безопасно использоваться в сочетании с другими материалами. Церий — один из редкоземельных элементов, используемых для изготовления дуговых угольных ламп, которые применяются в киноиндустрии для студийного освещения и проекторных ламп. Церий также является компонентом мишметалла — материала, используемого для изготовления кремней для зажигалок. Церий также используется как катализатор при переработке нефти и как легирующий агент для получения специальных металлов.
Оксид церия (Ce2O3 и CeO2) является компонентом стенок самоочищающихся печей и нити накала газовых ламп. Оксид церия также используется для полировки стеклянных поверхностей. Сульфат церия (Ce(So4)2) используется в некоторых процессах химического анализа. Другие соединения церия используются для изготовления некоторых типов стекла, а также для обесцвечивания стекла.
Церий является компонентом мишметалла, который широко используется в производстве пирофорных сплавов для зажигалок. Хотя церий не радиоактивен, нечистая коммерческая марка может содержать следы тория, который является радиоактивным. Оксид является важным компонентом нитей накала газовых ламп и всё шире используется как катализатор углеводородов в самоочищающихся печах, где его можно вводить в стенки печи для предотвращения накопления кухонных остатков.
Сульфат церия широко используется как объёмный окислитель в количественном анализе. Соединения церия используются в производстве стекла, как в качестве компонента, так и в качестве обесцвечивающего агента.
Оксид всё шире применяется как агент для полировки стекла вместо крокуса, поскольку он полирует гораздо быстрее, чем крокус. Церий вместе с другими редкоземельными элементами используется в дуговом освещении, особенно в киноиндустрии. Он также полезен как катализатор при нефтепереработке и в металлургических и ядерных приложениях.
Изотопы в науках о Земле/планетах
В сочетании 138La–138Ce и 147Sm–143Nd представляют собой две системы распада, полезные для изучения процессов, влияющих на легкие редкоземельные элементы (лантан, церий, празеодим, неодим и самарий) и магматическую эволюцию Луны и Земли, поскольку различные магматические материалы имеют различный изотопный состав церия (рис. IUPAC.58.1) и могут быть использованы в исследованиях материального баланса [419] H. Tazoe, H. Obata, T. Gamo. J. Anal. At. Spectrom.22, 616 (2007)., [420] M. Tanimizu, T. Tanaka. Geochim. Cosmochim. Acta66, 4007 (2002)..
Изотопы в геохронологии
138Ce — радиогенный изотоп, образующийся при распаде 138La с периодом полураспада 1.06×1011 лет, один из самых долгоживущих часов в геохронологии. Таким образом, отношение количества изотопов n(138Ce)/n(142Ce) может использоваться для датирования пород на больших временных интервалах (миллиарды лет) и может также служить химическим трассером в геохимических исследованиях.
Изотопы в медицине
144Ce (с периодом полураспада 0.78 года) использовался для брахитерапии в клетках и сосудах организма. Период полураспада и удельная активность 144Ce обеспечивают ему потенциальное преимущество по сравнению с широко используемым изотопом 192Ir в виде более высокой мощности дозы на меньших расстояниях и меньшего облучения органов вне опухоли [424] V. O. Zilio, O. P. Joneja, Y. Popowski, F. O. Bochud, R. Chawla. Int. J. Radiat. Oncol. Biol. Phys.62, 585 (2005).. 144Ce позволяет лечить более крупные артерии по сравнению с 32P, еще одним изотопом, обычно используемым для этого вида радиотерапии.
Церий обычно образует трехвалентные соли, содержащие Ce³⁺, и четырехвалентные соединения, содержащие Ce⁴⁺. Диоксид церия, CeO₂, является наиболее важным оксидом и может обратимо терять небольшие количества кислорода с образованием нестехиометрических оксидов — свойство, играющее центральную роль в катализе. Оксид церия(III), Ce₂O₃, устойчив в восстановительных условиях. Хлорид церия(III), CeCl₃, и нитрат церия(III), Ce(NO₃)₃, являются распространенными исходными веществами, тогда как нитрат аммония церия, (NH₄)₂Ce(NO₃)₆, представляет собой сильный одноэлектронный окислитель в лабораторной химии.
See more information at the Cerium compound page.
Массивный церий имеет низкую острую токсичность, но в виде порошка, стружки или пыли представляет пожарную опасность. Он реагирует с кислотами с выделением H₂ и должен быть защищен от сильных окислителей и влаги в мелкодисперсном состоянии. Растворимые соли церия могут раздражать кожу, глаза и дыхательные пути, а вдыхание пыли редкоземельных металлов представляет профессиональную опасность. Природный церий не является существенно радиоактивным для обычного обращения.
Церий встречается главным образом в редкоземельных минералах, таких как монацит, бастнезит и алланит, обычно вместе с другими лантаноидами. В поверхностных условиях он обычно трехвалентен, но окисление до Ce⁴⁺ может иммобилизовать его в виде малорастворимых оксидов и гидроксидов. Такое окислительно-восстановительное поведение приводит к цериевым аномалиям в морских осадках и некоторых горных породах, которые используются как геохимические индикаторы окислительных условий.
Церий получают как побочный продукт добычи и разделения редкоземельных элементов, особенно из концентратов бастнезита и монацита. Поскольку он относительно распространён по сравнению со многими редкоземельными элементами, снабжение часто определяется скорее мощностями по разделению и спросом на всю группу редкоземельных элементов, чем геологической редкостью. Основной спрос связан с полировальными порошками, катализаторами, стеклянными добавками и пирофорными сплавами. Переработка ограничена, но возможна из отработанных катализаторов и промышленных полировальных суспензий, когда сбор и уровень загрязнения делают извлечение практичным.
Церий является наиболее распространённым из так называемых редкоземельных металлов. Он встречается во многих минералах, включая алланит (также известный как ортит), монацит, бастнезит, церит и самарскит. Монацит и бастнезит в настоящее время являются более важными источниками церия.
Крупные залежи монацита (обнаруженные на пляжах Траванкора, Индия, и в речных песках Бразилии), алланита (на западе Соединённых Штатов) и бастнезита (в Южной Калифорнии) будут поставлять церий, торий и другие редкоземельные металлы в течение многих лет.
Металлический церий получают металлотермическими методами, такими как восстановление фторида церия кальцием, или путём электролиза расплавленного хлорида церия и другими процессами. Металлотермическая техника даёт церий высокой чистоты.
Церий образуется главным образом за счёт процессов захвата нейтронов в эволюционировавших звёздах, включая вклад медленного s-процесса и быстрого r-процесса. В космическом отношении он значительно менее распространён, чем железо или кислород, но является одним из более распространённых лантанидов. Церий был спектроскопически обнаружен в некоторых химически своеобразных звёздах, где линии редкоземельных элементов могут быть необычно сильными.
- Церий был назван в честь карликовой планеты Церера, открытой незадолго до этого элемента.
- CeO₂ может запасать и выделять кислород без полного изменения своей кристаллической структуры.
- Церий — единственный лантаноид с распространенной, стабильной тетравалентной химией в водной среде и в твердом состоянии.
- Тонко измельченные богатые церием сплавы являются искрообразующим материалом во многих кремнях для зажигалок.
- Церий может проявлять геохимические аномалии, поскольку Ce³⁺ окисляется легче, чем соседние лантаниды.
Изображения
Свойства
Физические свойства
- Атомный радиус (эмпирический)
- 185 pm Сравнить Атомный радиус (эмпирический) у всех элементов →
- Ковалентный радиус
- 204 pm Сравнить Ковалентный радиус у всех элементов →
- Ван-дер-ваальсов радиус
- 235 pm Сравнить Ван-дер-ваальсов радиус у всех элементов →
- Плотность
- 6770 kg/m³ Сравнить Плотность у всех элементов →
- Молярный объём
- 0,021 L/mol
- Фаза при стандартных температуре и давлении
- Твёрдое вещество Сравнить Фаза при стандартных температуре и давлении у всех элементов →
- Температура плавления
- 797,85 °C Сравнить Температура плавления у всех элементов →
- Температура кипения
- 3423,85 °C Сравнить Температура кипения у всех элементов →
- Теплопроводность
- 11,3 Вт/(м·К) Сравнить Теплопроводность у всех элементов →
- Удельная теплоёмкость
- 0,192 Дж/(г·К) Сравнить Удельная теплоёмкость у всех элементов →
- Молярная теплоёмкость
- 26,94 Дж/(моль·К) Сравнить Молярная теплоёмкость у всех элементов →
- Кристаллическая структура
- Гранецентрированная кубическая Сравнить Кристаллическая структура у всех элементов →
Химические свойства
- Электроотрицательность (по Полингу)
- 1,12 Сравнить Электроотрицательность (по Полингу) у всех элементов →
- Сродство к электрону
- 0,955 eV
- Энергия ионизации (1-я)
- 5,5386 eV Сравнить Энергия ионизации (1-я) у всех элементов →
- Энергия ионизации (2-я)
- 10,956038 eV Сравнить Энергия ионизации (2-я) у всех элементов →
- Энергия ионизации (3-я)
- 20,19747 eV Сравнить Энергия ионизации (3-я) у всех элементов →
- Энергия ионизации (4-я)
- 36,906127 eV Сравнить Энергия ионизации (4-я) у всех элементов →
- Энергия ионизации (5-я)
- 65,550226 eV Сравнить Энергия ионизации (5-я) у всех элементов →
- Степени окисления
- +1, +2, +3, +4 Сравнить Степени окисления у всех элементов →
- Валентные электроны
- 3 Сравнить Валентные электроны у всех элементов →
- Электронная конфигурация
- [Xe] 6s2 4f1 5d1
Термодинамические свойства
- Теплота плавления
- 0,05658911 eV Сравнить Теплота плавления у всех элементов →
- Теплота испарения
- 3,254392 eV Сравнить Теплота испарения у всех элементов →
- Теплота сублимации
- 4,124994 eV
- Теплота атомизации
- 4,124994 eV
- Энтальпия атомизации
- 4,354045 eV
Ядерные свойства
- Протоны
- 58 Сравнить Протоны у всех элементов →
- Нейтроны
- 82 Сравнить Нейтроны у всех элементов →
- Известные изотопы
- 41 Сравнить Известные изотопы у всех элементов →
- Стабильные изотопы
- 1 Сравнить Стабильные изотопы у всех элементов →
- Наиболее стабильный изотоп
- Ce-140
- Год открытия
- 1801
Распространённость
- Содержание в земной коре
- 66,5 мг/кг Сравнить Содержание в земной коре у всех элементов →
- Содержание в океане
- 1,2 × 10−6 мг/л Сравнить Содержание в океане у всех элементов →
Кристаллическая структура
- Параметр решётки a
- 516 pm
Электронная структура
- Электроны по оболочкам
- 2, 8, 18, 19, 9, 2 Сравнить Электроны по оболочкам у всех элементов →
Идентификаторы
- Номер CAS
- 7440-45-1 Сравнить Номер CAS у всех элементов →
- Символ терма
- 1G°4
- InChI
- InChI=1S/Ce
- Ключ InChI
- GWXLDORMOJMVQZ-UHFFFAOYSA-N
Электронная конфигурация Измеренные
Ce: 4f¹ 5d¹ 6s²[Xe] 4f¹ 5d¹ 6s²1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹⁰ 4s² 4p⁶ 4d¹⁰ 5s² 5p⁶ 4f¹ 5d¹ 6s²Модель атома
Изотопы различаются числом нейтронов, массой и стабильностью, но не электронной конфигурацией нейтрального атома.
Схематическая модель атома, без соблюдения масштаба.
Атомный отпечаток
Спектр излучения / поглощения
Распределение изотопов
| Массовое число | Атомная масса (а. е. м.) | Содержание в природе | Период полураспада |
|---|---|---|---|
| 140 Стабильный | 139,9054431 ± 0,0000023 | 88,4500% | Стабильный |
Фаза / агрегатное состояние
Причина: на 772,9 °C ниже температуры плавления (797,85 °C)
Схематично, без соблюдения масштаба
Температуры фазовых переходов
Энергии переходов
Энергия, необходимая для плавления 1 моль вещества при температуре плавления
Энергия, необходимая для испарения 1 моль вещества при температуре кипения
Энергия, необходимая для сублимации 1 моль вещества при температуре сублимации
Плотность
При стандартных условиях
При стандартных условиях
Атомные спектры
Показано 10 из 58. Сортировка по заряду иона (по возрастанию).
Данные о спектральных линиях ?
| Ион | Заряд | Всего линий | Вероятности переходов | Обозначения уровней |
|---|---|---|---|---|
| Ce I | 0 | 209 | 67 | 209 |
| Ce II | +1 | 560 | 283 | 560 |
| Ce III | +2 | 262 | 0 | 0 |
| Ce IV | +3 | 27 | 0 | 0 |
| Ce V | +4 | 5 | 0 | 0 |
Данные об энергетических уровнях ?
| Ион | Заряд | Уровни |
|---|---|---|
| Ce I | 0 | 953 |
| Ce II | +1 | 491 |
| Ce III | +2 | 227 |
| Ce IV | +3 | 17 |
| Ce V | +4 | 12 |
| Ce VI | +5 | 4 |
| Ce VII | +6 | 2 |
| Ce VIII | +7 | 2 |
| Ce IX | +8 | 2 |
| Ce X | +9 | 2 |
Ионные радиусы
| Заряд | Координация | Спин | Радиус |
|---|---|---|---|
| +3 | 6 | Нет данных | 101 пм |
| +3 | 7 | Нет данных | 107 пм |
| +3 | 8 | Нет данных | 114.3 пм |
| +3 | 9 | Нет данных | 119.6 пм |
| +3 | 10 | Нет данных | 125 пм |
| +3 | 12 | Нет данных | 134 пм |
| +4 | 6 | Нет данных | 87 пм |
| +4 | 8 | Нет данных | 97 пм |
| +4 | 10 | Нет данных | 97 пм |
| +4 | 12 | Нет данных | 113.99999999999999 пм |
Соединения
Изотопы (1)
| Массовое число | Атомная масса (а. е. м.) | Содержание в природе | Период полураспада | Тип распада | |
|---|---|---|---|---|---|
| 140 Стабильный | 139,9054431 ± 0,0000023 | 88,4500% ± 0,0510% | Стабильный | stable |
Расширенные данные о свойствах
Ковалентные радиусы (расширенные данные)
- Ковалентный радиус (по Пююккё)
- 163 pm
- Ковалентный радиус (по Пююккё, двойная связь)
- 137 pm
- Ковалентный радиус (по Пююккё, тройная связь)
- 131 pm
Ван-дер-ваальсовы радиусы
- Alvarez
- 288 pm
- UFF
- 355,6 pm
- MM3
- 274 pm
Атомные и металлические радиусы
- Атомный радиус (по Раму)
- 282 pm
Шкалы нумерации
- Mendeleev
- 15
- Pettifor
- 32
- Glawe
- 31
Шкалы электроотрицательности
- Ghosh
- 0
- Miedema
- 3
- Gunnarsson–Lundqvist
- 4
- Robles–Bartolotti
- 3
Поляризуемость и дисперсия
- Дипольная поляризуемость
- 205 a.u.
- Дипольная поляризуемость (неопределённость)
- 20 a.u.
- C₆ (Gould–Bučko)
- 3480 Ha·Bohr6
Параметры Мидемы
- Молярный объём по Мидеме
- 21,62 cm3/mol
- Электронная плотность по Мидеме
- 2
Риски поставок и экономика
- Концентрация производства
- 97
- Относительный риск поставок
- 10
- Распределение запасов
- 50
- Политическая стабильность (ведущий производитель)
- 24
- Политическая стабильность (страна с крупнейшими запасами)
- 24
Фазовые переходы и аллотропные модификации
| Температура плавления | 1072,15 K |
| Температура кипения | 3716,15 K |
Категории степеней окисления
Расширенные справочные данные
Константы экранирования (13)
| n | Орбиталь | σ |
|---|---|---|
| 1 | s | 1,1519 |
| 2 | p | 4,2176 |
| 2 | s | 15,26 |
| 3 | d | 13,9147 |
| 3 | p | 19,0405 |
| 3 | s | 19,3408 |
| 4 | d | 32,3392 |
| 4 | f | 56,324 |
| 4 | p | 29,3936 |
| 4 | s | 28,32 |
Подробные данные о кристаллических радиусах (10)
| Заряд | CN | Спин | rcrystal (pm) | Происхождение |
|---|---|---|---|---|
| 3 | VI | 115 | from r^3 vs V plots, | |
| 3 | VII | 121 | estimated, | |
| 3 | VIII | 128,3 | from r^3 vs V plots, | |
| 3 | IX | 133,6 | from r^3 vs V plots, | |
| 3 | X | 139 | ||
| 3 | XII | 148 | calculated, | |
| 4 | VI | 101 | from r^3 vs V plots, | |
| 4 | VIII | 111 | from r^3 vs V plots, | |
| 4 | X | 121 | from r^3 vs V plots, | |
| 4 | XII | 128 |
Типы распада изотопов (54)
| Изотоп | Режим | Интенсивность |
|---|---|---|
| 119 | B+ | — |
| 119 | B+p | — |
| 120 | B+ | — |
| 120 | B+p | — |
| 121 | B+ | 100% |
| 121 | B+p | 1% |
| 122 | B+ | — |
| 122 | B+p | — |
| 123 | B+ | 100% |
| 123 | B+p | — |
Факторы рассеяния рентгеновского излучения (508)
| Энергия (eV) | f₁ | f₂ |
|---|---|---|
| 10 | — | 1,28369 |
| 10,1617 | — | 1,26389 |
| 10,3261 | — | 1,24441 |
| 10,4931 | — | 1,22522 |
| 10,6628 | — | 1,20632 |
| 10,8353 | — | 1,18772 |
| 11,0106 | — | 1,16941 |
| 11,1886 | — | 1,15138 |
| 11,3696 | — | 1,13362 |
| 11,5535 | — | 1,11614 |
Дополнительные данные
Оценочная распространённость в земной коре
The estimated element abundance in the earth's crust.
Оценочная распространённость в земной коре
6.65×101 milligrams per kilogram
Источники (1)
Оценочная распространённость в океане
The estimated element abundance in the earth's oceans.
Оценочная распространённость в океане
1.2×10-6 milligrams per liter
Источники (1)
Источники
Sources of this element.
Cerium is the most abundant so-called rare-earth metals. It is found in a number of minerals including allanite (also known as orthite), monazite, bastnasite, cerite, and samarskite. Monazite and bastnasite are presently the more important sources of cerium.
Large deposits of monazite (found on the beaches of Travancore, India and in river sands in Brazil), allanite (in the western United States), and bastnasite (in Southern California) will supply cerium, thorium, and the other rare-earth metals for many years to come.
Metallic cerium is prepared by metallothermic reduction techniques, such as reducing cerous fluoride with calcium, or using electrolysis of molten cerous chloride or others processes. The metallothermic technique produces high-purity cerium.
Источники (1)
- [6] Cerium https://periodic.lanl.gov/58.shtml
Источники
(9)
Data deposited in or computed by PubChem
The half-life and atomic mass data was provided by the Atomic Mass Data Center at the International Atomic Energy Agency.
Element data are cited from the Atomic weights of the elements (an IUPAC Technical Report). The IUPAC periodic table of elements can be found at https://iupac.org/what-we-do/periodic-table-of-elements/. Additional information can be found within IUPAC publication doi:10.1515/pac-2015-0703 Copyright © 2020 International Union of Pure and Applied Chemistry.
The information are cited from Pure Appl. Chem. 2018; 90(12): 1833-2092, https://doi.org/10.1515/pac-2015-0703.
Thomas Jefferson National Accelerator Facility (Jefferson Lab) is one of 17 national laboratories funded by the U.S. Department of Energy. The lab's primary mission is to conduct basic research of the atom's nucleus using the lab's unique particle accelerator, known as the Continuous Electron Beam Accelerator Facility (CEBAF). For more information visit https://www.jlab.org/
The periodic table at the LANL (Los Alamos National Laboratory) contains basic element information together with the history, source, properties, use, handling and more. The provenance data may be found from the link under the source name.
The periodic table contains NIST's critically-evaluated data on atomic properties of the elements. The provenance data that include data for atomic spectroscopy, X-ray and gamma ray, radiation dosimetry, nuclear physics, and condensed matter physics may be found from the link under the source name. Ref: https://www.nist.gov/pml/atomic-spectra-database
This section provides all form of data related to element Cerium.
The element property data was retrieved from publications.