Cerium (Ce)
lanthanideSolid
Стандартна відносна атомна маса
140,116 uЕлектронна конфігурація
[Xe] 6s2 4f1 5d1Температура плавлення
797,85 °CТемпература кипіння
3423,85 °CГустина
6770 kg/m³Ступені окиснення
+1, +2, +3, +4Електронегативність (за Полінгом)
1,12Енергія йонізації (1-ша)
5,5386 eVРік відкриття
1801Атомний радіус
185 pmВідомості
Cerium is the first lanthanide by atomic number and one of the most abundant rare-earth elements in the crust. It is a reactive, electropositive metal whose chemistry is unusual among lanthanides because both Ce³⁺ and Ce⁴⁺ are accessible in ordinary compounds. This Ce³⁺/Ce⁴⁺ redox pair, especially in oxides, makes cerium important in catalysts, polishing materials, glass treatment, and oxygen-storage applications.
Cerium is especially interesting because of its variable electronic structure. The energy of the inner 4f level is nearly the same as that of the outer (valence) electrons, and only small amounts of energy are required to change the relative occupancy of these electronic levels. This gives rise to dual valency states.
For example, a volume change of about 10 percent occurs when cerium is subjected to high pressures or low temperatures. Cesium's valence appears to change from about 3 to 4 when it is cooled or compressed. The low temperature behavior of cerium is complex.
Cerium is an iron-gray lustrous metal. It is malleable, and oxidizes very readily at room temperature, especially in moist air. Except for europium, cerium is the most reactive of the rare-earth metals. It decomposes slowly in cold water and rapidly in hot water.
Alkali solutions and dilute and concentrated acids attack the metal rapidly. The pure metal is likely to ignite if scratched with a knife.
Ceric slats are orange red or yellowish; cerous salts are usually white.
The name derives from the planetoid Ceres, which was discovered by the Italian astronomer Giuseppe Piazzi in 1801 and named for Ceres, the Roman goddess of agriculture and harvest. Two years later, the element cerium was discovered by the German chemist Martin-Heinrich Klaproth, who called it ochroeite earth because of its yellow colour.
Cerium was independently discovered at the same time by the Swedish chemist Jöns Jacob Berzelius and the Swedish mineralogist Wilhelm von Hisinger, who called it ceria. It was first isolated in 1875 by the American mineralogist and chemist William Frances Hillebrand and the American chemist Thomas H. Norton.
Cerium was discovered by Jöns Jacob Berzelius and Wilhelm von Hisinger, Swedish chemists, and independently by Martin Heinrich Klaproth, a German chemist, in 1803. Cerium is the most abundant of the rare earth elements and makes up about 0.0046% of the earth's crust. Today, cerium is primarily obtained through an ion exchange process from monazite sand ((Ce, La, Th, Nd, Y)PO4), a material rich in rare earth elements.
Cerium was named for the asteroid Ceres, which was discovered in 1801. The element was discovered two years later in 1803 by Klaproth and by Berzelius and Hisinger. In 1875 Hillebrand and Norton prepared the metal.
Pure cerium is a soft, silvery-gray metal that tarnishes readily in air. Fresh surfaces are metallic and bright, but oxidation quickly dulls them. The metal is ductile at room temperature, relatively low-melting for a lanthanide, and reactive enough that small particles can ignite when heated or abraded.
Cerium is widely used as cerium dioxide, CeO₂, in glass polishing powders and as an oxygen-storage component in automotive catalytic converters. Cerium compounds decolorize glass by oxidizing iron impurities and can also impart ultraviolet absorption. Mischmetal, a rare-earth alloy rich in cerium, is used in lighter flints and spark-producing alloys. Cerium is also used in some aluminum, magnesium, and iron alloys, where small additions can modify microstructure and oxidation behavior.
Pure cerium will ignite if it is scratched with a sharp object, but can be safely used if combined with other materials. Cerium is one of the rare earth elements used to make carbon arc lights which are used in the motion picture industry for studio lighting and projector lights. Cerium is also a component of Misch metal, a material that is used to make flints for lighters. Cerium is also used as a catalyst to refine petroleum and as an alloying agent to make special metals.
Cerium oxide (Ce2O3 and CeO2) is a component of the walls of self cleaning ovens and of incandescent lantern mantles. Cerium oxide is also used to polish glass surfaces. Ceric sulfate (Ce(So4)2) is used in some chemical analysis processes. Other cerium compounds are used to make some types of glass as well as to remove color from glass.
Cerium is a component of misch metal, which is extensively used in the manufacture of pyrophoric alloys for cigarette lighters. While cerium is not radioactive, the impure commercial grade may contain traces of thorium, which is radioactive. The oxide is an important constituent of incandescent gas mantles and is emerging as a hydrocarbon catalyst in self cleaning ovens where it can be incorporated into oven walls to prevent the collection of cooking residues.
As ceric sulfate is used extensively as a volumetric oxidizing agent in quantitative analysis. Cerium compounds are used in the manufacture of glass, both as a component and as a decolorizer.
The oxide is finding increased use as a glass polishing agent instead of rouge, for it polishes much faster than rouge. Cerium, with other rare earths, is used in carbon-arc lighting, especially in the motion picture industry. It is also useful as a catalyst in petroleum refining and in metallurgical and nuclear applications.
Isotopes in Earth/Planetary Science
When combined, 138La– 138Ce and 147Sm– 143Nd are two decay systems that are useful for studying processes affecting the light-rare-earth elements (lanthanum, cerium, praseodymium, neodymium, and samarium) and the igneous evolution of the Moon and Earth because different igneous materials have different cerium isotopic compositions (Fig. IUPAC.58.1) and can be used in mass balance investigations [419] H. Tazoe, H. Obata, T. Gamo. J. Anal. At. Spectrom.22, 616 (2007)., [420] M. Tanimizu, T. Tanaka. Geochim. Cosmochim. Acta66, 4007 (2002)..
Isotopes in Geochronology
138Ce is a radiogenic isotope produced by decay of 138La, with a half-life of 1.06×1011 years, one of the longest clocks in geochronology. Thus, the isotope-amount ratio n(138Ce)/n(142Ce) can be used for dating rocks on long time scales (billions of years) and can also be used as a chemical tracer in geochemical studies.
Isotopes in Medicine
144Ce (with a half-life of 0.78 year) has been used for brachytherapy applications in cells and vessels of the body. The half-life and specific activity of 144Ce give it a potential advantage over the commonly used isotope 192Ir of higher dose rate at shorter distances and lower irradiation of organs outside the tumor [424] V. O. Zilio, O. P. Joneja, Y. Popowski, F. O. Bochud, R. Chawla. Int. J. Radiat. Oncol. Biol. Phys.62, 585 (2005).. 144Ce enables the treatment of larger arteries as compared with 32P, another isotope commonly used for this style of radiotherapy.
Cerium commonly forms trivalent salts containing Ce³⁺ and tetravalent compounds containing Ce⁴⁺. Cerium dioxide, CeO₂, is the most important oxide and can reversibly lose small amounts of oxygen to form nonstoichiometric oxides, a property central to catalysis. Cerium(III) oxide, Ce₂O₃, is stable under reducing conditions. Cerium(III) chloride, CeCl₃, and cerium(III) nitrate, Ce(NO₃)₃, are common starting materials, while ceric ammonium nitrate, (NH₄)₂Ce(NO₃)₆, is a strong one-electron oxidant in laboratory chemistry.
See more information at the Cerium compound page.
Bulk cerium metal has low acute toxicity but is a fire risk as powder, turnings, or dust. It reacts with acids to release H₂ and should be kept from strong oxidizers and moisture when finely divided. Soluble cerium salts can irritate skin, eyes, and the respiratory tract, and inhalation of rare-earth dusts is an occupational concern. Natural cerium is not significantly radioactive for normal handling purposes.
Cerium occurs mainly in rare-earth minerals such as monazite, bastnäsite, and allanite, usually with other lanthanides. In surface environments it is commonly trivalent, but oxidation to Ce⁴⁺ can immobilize it as sparingly soluble oxides and hydroxides. This redox behavior produces cerium anomalies in marine sediments and some rocks, which are used as geochemical indicators of oxidation conditions.
Cerium is obtained as a by-product of rare-earth mining and separation, especially from bastnäsite and monazite concentrates. Because it is relatively abundant compared with many rare earths, supply is often tied more to separation capacity and demand for the whole rare-earth suite than to geological scarcity. Major demand comes from polishing powders, catalysts, glass additives, and pyrophoric alloys. Recycling is limited but possible from spent catalysts and industrial polishing slurries when collection and contamination levels make recovery practical.
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.
Cerium is made chiefly by neutron-capture processes in evolved stars, including the slow s-process and rapid r-process contributions. It is far less abundant cosmically than iron or oxygen but is one of the more abundant lanthanides. Cerium has been detected spectroscopically in some chemically peculiar stars, where rare-earth lines can be unusually strong.
- Cerium was named after the dwarf planet Ceres, discovered shortly before the element.
- CeO₂ can store and release oxygen without fully changing its crystal framework.
- Cerium is the only lanthanide with a common, stable tetravalent aqueous and solid-state chemistry.
- Finely divided cerium-rich alloys are the sparking material in many lighter flints.
- Cerium can show geochemical anomalies because Ce³⁺ is oxidized more readily than neighboring lanthanides.
Зображення
Властивості
Фізичні
- Атомний радіус (емпіричний)
- 185 pm Порівняти Атомний радіус (емпіричний) усіх елементів →
- Ковалентний радіус
- 204 pm Порівняти Ковалентний радіус усіх елементів →
- Радіус ван дер Ваальса
- 235 pm Порівняти Радіус ван дер Ваальса усіх елементів →
- Густина
- 6770 kg/m³ Порівняти Густина усіх елементів →
- Молярний об’єм
- 0,021 L/mol
- Фаза за стандартних температури й тиску
- Твердий стан Порівняти Фаза за стандартних температури й тиску усіх елементів →
- Температура плавлення
- 797,85 °C Порівняти Температура плавлення усіх елементів →
- Температура кипіння
- 3423,85 °C Порівняти Температура кипіння усіх елементів →
- Теплопровідність
- 11,3 Вт/(м·K) Порівняти Теплопровідність усіх елементів →
- Питома теплоємність
- 0,192 Дж/(г·K) Порівняти Питома теплоємність усіх елементів →
- Молярна теплоємність
- 26,94 Дж/(моль·K) Порівняти Молярна теплоємність усіх елементів →
- Кристалічна структура
- Гранецентрована кубічна Порівняти Кристалічна структура усіх елементів →
Хімічні
- Електронегативність (за Полінгом)
- 1,12 Порівняти Електронегативність (за Полінгом) усіх елементів →
- Спорідненість до електрона
- 0,955 eV
- Енергія йонізації (1-ша)
- 5,5386 eV Порівняти Енергія йонізації (1-ша) усіх елементів →
- Енергія йонізації (2-га)
- 10,956038 eV Порівняти Енергія йонізації (2-га) усіх елементів →
- Енергія йонізації (3-тя)
- 20,19747 eV Порівняти Енергія йонізації (3-тя) усіх елементів →
- Енергія йонізації (4-та)
- 36,906127 eV Порівняти Енергія йонізації (4-та) усіх елементів →
- Енергія йонізації (5-та)
- 65,550226 eV Порівняти Енергія йонізації (5-та) усіх елементів →
- Ступені окиснення
- +1, +2, +3, +4 Порівняти Ступені окиснення усіх елементів →
- Валентні електрони
- 3 Порівняти Валентні електрони усіх елементів →
- Електронна конфігурація
- [Xe] 6s2 4f1 5d1
Термодинамічні
- Теплота плавлення
- 0,05658911 eV Порівняти Теплота плавлення усіх елементів →
- Теплота випаровування
- 3,254392 eV Порівняти Теплота випаровування усіх елементів →
- Теплота сублімації
- 4,124994 eV
- Теплота атомізації
- 4,124994 eV
- Ентальпія атомізації
- 4,354045 eV
Ядерні
- Протони
- 58 Порівняти Протони усіх елементів →
- Нейтрони
- 82 Порівняти Нейтрони усіх елементів →
- Відомі ізотопи
- 41 Порівняти Відомі ізотопи усіх елементів →
- Стабільні ізотопи
- 1 Порівняти Стабільні ізотопи усіх елементів →
- Найстабільніший ізотоп
- Ce-140
- Рік відкриття
- 1801
Поширеність
- Вміст (земна кора)
- 66,5 мг/кг Порівняти Вміст (земна кора) усіх елементів →
- Вміст (океан)
- 1,2 × 10−6 мг/л Порівняти Вміст (океан) усіх елементів →
Кристалічна структура
- Стала ґратки a
- 516 pm
Електронна будова
- Електрони за оболонками
- 2, 8, 18, 19, 9, 2 Порівняти Електрони за оболонками усіх елементів →
Ідентифікатори
- Номер CAS
- 7440-45-1 Порівняти Номер CAS усіх елементів →
- Символ терма
- 1G°4
- InChI
- InChI=1S/Ce
- Ключ InChI
- GWXLDORMOJMVQZ-UHFFFAOYSA-N
Електронна конфігурація Виміряно
Ce: 4f¹ 5d¹ 6s²[Xe] 4f¹ 5d¹ 6s²1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹⁰ 4s² 4p⁶ 4d¹⁰ 5s² 5p⁶ 4f¹ 5d¹ 6s²Модель атома
Ізотопи відрізняються кількістю нейтронів, масою та стабільністю, але не електронною конфігурацією нейтрального атома.
Схематична модель атома, без дотримання масштабу.
Атомний відбиток
Спектр випромінювання / поглинання
Ізотопний розподіл
| Масове число | Атомна маса (u) | Природний вміст | Період напіврозпаду |
|---|---|---|---|
| 140 Стабільний | 139,9054431 ± 0,0000023 | 88,4500% | Стабільний |
Фаза / стан
Причина: на 772,9 °C нижче температури плавлення (797,85 °C)
Схематично, без дотримання масштабу
Точки фазових переходів
Енергії переходів
Енергія, необхідна для плавлення 1 моль за температури плавлення
Енергія, необхідна для випаровування 1 моль за температури кипіння
Енергія, необхідна для сублімації 1 моль за температури сублімації
Густина
За стандартних умов
За стандартних умов
Атомні спектри
Показано 10 з 58. Відсортовано за зарядом йона (за зростанням).
Наявні дані про лінії ?
| Йон | Заряд | Загальна кількість ліній | Імовірності переходів | Позначення рівнів |
|---|---|---|---|---|
| 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 |
Наявні дані про рівні ?
| Йон | Заряд | Рівні |
|---|---|---|
| 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 |
Йонні радіуси
| Заряд | Координація | Спін | Радіус |
|---|---|---|---|
| +3 | 6 | Немає даних | 101 пм |
| +3 | 7 | Немає даних | 107 пм |
| +3 | 8 | Немає даних | 114.3 пм |
| +3 | 9 | Немає даних | 119.6 пм |
| +3 | 10 | Немає даних | 125 пм |
| +3 | 12 | Немає даних | 134 пм |
| +4 | 6 | Немає даних | 87 пм |
| +4 | 8 | Немає даних | 97 пм |
| +4 | 10 | Немає даних | 97 пм |
| +4 | 12 | Немає даних | 113.99999999999999 пм |
Сполуки
Ізотопи (1)
| Масове число | Атомна маса (u) | Природний вміст | Період напіврозпаду | Тип розпаду | |
|---|---|---|---|---|---|
| 140 Стабільний | 139,9054431 ± 0,0000023 | 88,4500% ± 0,0510% | Стабільний | stable |
Розширені дані про властивості
Ковалентні радіуси (розширені дані)
- Ковалентний радіус (за Пююккьо)
- 163 pm
- Ковалентний радіус (за Пююккьо, подвійний зв’язок)
- 137 pm
- Ковалентний радіус (за Пююккьо, потрійний зв’язок)
- 131 pm
Радіуси ван дер Ваальса
- Alvarez
- 288 pm
- UFF
- 355,6 pm
- MM3
- 274 pm
Атомні та металічні радіуси
- Атомний радіус (за Рамом)
- 282 pm
Шкали нумерації
- Mendeleev
- 15
- Pettifor
- 32
- Glawe
- 31
Шкали електронегативності
- Ghosh
- 0
- Miedema
- 3
- Gunnarsson–Lundqvist
- 4
- Robles–Bartolotti
- 3
Поляризовність і дисперсія
- Дипольна поляризовність
- 205 a.u.
- Дипольна поляризовність (невизначеність)
- 20 a.u.
- C₆ (Gould–Bučko)
- 3480 Ha·Bohr6
Параметри Мідеми
- Молярний об’єм за Мідемою
- 21,62 cm3/mol
- Електронна густина за Мідемою
- 2
Ризики постачання та економіка
- Концентрація виробництва
- 97
- Відносний ризик постачання
- 10
- Розподіл запасів
- 50
- Політична стабільність (найбільший виробник)
- 24
- Політична стабільність (країна з найбільшими запасами)
- 24
Фазові переходи та алотропні модифікації
| Температура плавлення | 1072,15 K |
| Температура кипіння | 3716,15 K |
Категорії ступенів окиснення
Розширені довідкові дані
Сталі екранування (13)
| n | Орбіталь | 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 |
Докладні дані про кристалічні радіуси (10)
| Заряд | CN | Спін | rcrystal (pm) | Походження |
|---|---|---|---|---|
| 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 |
Типи розпаду ізотопів (54)
| Ізотоп | Режим | Інтенсивність |
|---|---|---|
| 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 | — |
Фактори розсіяння рентгенівського випромінювання (508)
| Енергія (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 |
Додаткові дані
Estimated Crustal Abundance
The estimated element abundance in the earth's crust.
6.65×101 milligrams per kilogram
Джерела (1)
Estimated Oceanic Abundance
The estimated element abundance in the earth's oceans.
1.2×10-6 milligrams per liter
Джерела (1)
Sources
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.
Джерела (1)
- [6] Cerium https://periodic.lanl.gov/58.shtml
Джерела
(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.