ЦЕРИЙ

Металлический церий: свойства, применение, технология получения

Самый большой спрос металлический церий получил в виде диоксида. Основная часть его используется для производства полирующих порошков. Они идут на обесцвечивание и полировку зеркал, минеральных линз, химнестойких стекол; обладают хорошими суспензионными качествами, высокой эффективностью и чистотой обработки.

Поверхности после окончания работы не содержат царапин и повреждений. Сырьем в России для выработки порошков является лопаритовый концентрат, который поставляют с Кольского полуострова.

Исторические сведения

Свое название элемент церий приобрел в честь планеты Цереры. Открыли его почти одновременно немецкий химик М. Г. Клапрот и двое шведских коллег В. Хизингер и Й. Я. Берцелиус в девятнадцатом столетии. Минерал получил название церит, а химический элемент назвали церием. Строение атома показано на фото.

Химик К. Г. Мозандер выделил в чистом виде цериевую землю в 1839 году, а церий в виде металла с помощью электролиза получил американский химик У. Ф. Гиллебранд. Церий – это металл атомной энергетики. Его применяют как материал горячей зоны.

Химический элемент церий является легким редкоземельным элементом, принадлежит третьей группе в периодической системе Менделеева. Он имеет светло-серый цвет с атомной массой 140,12 и температурой плавления около 1000 градусов по Цельсию.

Реакция идет тем активнее, чем выше температура.

Металл способен растворяться в разведенных кислотах с выделением водорода. Одним из особых свойств церия является его бурная реакция с цинком, которая протекает мгновенно и заканчивается взрывом. На воздухе у металла образуется покрытие из очень тонкой пленки оксида.

Воспламеняется элемент при температуре более 300 градусов по Цельсию, превращаясь в диоксид. Это порошковое вещество желтого цвета. При прокаливании его в водороде получается окись трехвалентного церия, которая при взаимодействии со щелочью становится четырехвалентной.

Церий – это ковкий и вязкий металл. Он легко прокатывается и при нагреве вытягивается в проволоку. Находится в зависимости от давления. При сжатии происходит значительное уменьшение объема и падает электросопротивление.

Это исключительное явление объясняется появлением в электронном облаке четырехвалентных ионов.

Чисто цериевых минералов в природе не существуют. Больше всего его содержат:

• бастнезит. Руда состоит из кристаллов желтого, красного или бурого цвета. Месторождения, находящиеся в США и Китае, содержат большую часть мировых запасов церия. Известные месторождения бастнезитовых руд есть также во Вьетнаме и Афганистане;
• монацит. Это блестящий минерал желто-бурого оттенка. Его месторождения сконцентрированы в Бразилии, Австрии, Малайзии, Таиланде, США и ЮАР. Россыпи монацитового песка имеются по берегам морей, озер и рек многих стран;
• лопаритовые руды. Они являются главным источником металлического церия в России. Главное месторождение находится на Кольском полуострове.

Порошки для полировки

Основой для них является диоксид церия. Их в России выпускают двух марок:

1. «Оптипол» — полууниверсальный порошок. Состав отлично проявляет свои свойства при работе с кристаллами, керамикой, плоскими деталями кроновых стекол-зеркал, витринных, автомобильных, борлантановых и химнестойких стекол.
2. «Фторопол» — универсальный порошок. Он состоит из тонко измельченных кристаллических частиц, имеющих коричневый оттенок. Им полируют оптические стекла (линзы дальномеров, перископов, биноклей), различные зеркала, линзы для очков, фотошаблоны, пластины для полупроводников, камни для ювелирных изделий и украшений. Основой порошка является смесь оксифторидов и оксидов редкоземельных металлов.

Мировые цены на церий

Важные цериевые продукты, находящиеся на рынке продаж, состоят из сплавов, оксидов, карбонатов, ацетатов и некоторых других соединений. Цена на церий металлический определяется видом продукта и его чистотой. Стоимость диоксида церия, чистота которого 99,99 %, за один килограмм равна 29,5 американских долларов.

Порошки, применяемые для полирования, бренда «Фторопол» стоят около 8, а «Оптипол» примерно 6 долларов за килограмм. Цена цериевого мишметалла от 14 до 18 долларов за килограмм. На российском рынке оксид церия стоит около 17 000, а церия электролитического 90 долларов за килограмм.

Применение церия в отечественной промышленности

Впервые в 1884 году был получен патент на использование церия. Металл стали применять в газокалильных лампах для увеличения яркости пламени светильников. В настоящее время он находит широкое применение:

• при небольших добавках к сплавам, которые растрескиваются, улучшается ковка, прокатка, легко получаются листы, трубы и прутки. Металл способствует модифицированию сплавов из железа, магния, алюминия, конструкционных сталей, увеличивая их прочность и коррозийную устойчивость;
• в качестве добавки к чугуну. Тем самым повышают жидкотекучесть, улучшают обрабатываемость отливок и физико-механические свойства;
• в нефтяной и химической промышленности применяют в роли катализатора, ускоряющего время прохождения реакции;
• в магнитных термометрах;
• в атомной технике используют стекла, содержащие церий. Под воздействием радиации они не тускнеют и защищают персонал;
• входит в состав самого эффективного порошка «Полирита» для полировки зеркального и оптического стекла;

• сплав церия с железом применяют как искусственный кремень для зажигалок;
• используют для варки цветных стекол, имеющих оттенок от желтого до оранжевого;
• одна из важных мировых сфер применение церия проявляется в проверке за отработанными газами автомашин. Этот элемент содействует удалению из них диоксида серы. Введенный в состав катализаторов церий существенно совершенствует и стабилизирует работу при изменении структуры выхлопных смесей;
• добавляют для изготовления очень закаленных огнеупорных материалов;
• применяют для производства твердотельных мощных аккумуляторных батарей, которые предназначены для электромобилей, компьютеров, сотовых телефонов, кино- и фотоаппаратов;
• в медицине лечат и предотвращают симптомы морской болезни. В стоматологии используют цериевую сталь и керамику.

Технология получения церия

При переработке концентратов, содержащих редкоземельные металлы, на первоначальном этапе отделяют легкие элементы от тяжелых и только потом выделяют необходимый металл. Получают церий из руд, чаще, из монацита по следующей технологии:

• осаждают из нитратного раствора гидроксид церия;
• фильтруют пульпу;
• сушат осадок;
• прокаливают полученный оксид.

При этой технологии извлекают порошковый диоксид церия. В чистом виде металл добывают с помощью электролиза расплава. Затем его переплавляют и формируют в слитки.

Вместо заключения

На смену минеральным линзам приходят пластиковые. Они значительно легче и более стойкие, а при изготовлении малозатратные. На мировых рынках изменился спрос на минеральное стекло.

Российский производитель не остался в стороне. Это поспособствовало понижению спроса на продукцию, изготовляемую из металлического церия.

Отечественным заводам-производителям приходится ориентироваться на другой рынок сбыта.

Они перешли на выпуск порошков для полировки жидкокристаллических телевизионных экранов и мониторов. Главным потребителем стала Юго-Восточная Азия.

Кроме того, российская продукция поступает и на внутренний рынок, удовлетворяя спрос на цериевые порошки. Они используются для навигационной техники авиации, флота и обороны.

Помимо этого, металлический церий идет на изготовление оптических покрытий, а также его используют при производстве люминесцентных ламп и керамики.

Оксид церия и соединения

Церий – порядковый номер в периодической системе Менделеева 58, обозначается символом Ce, атомный вес 140,12.

Валентность церия

Церий – самый распространенный редкоземельный металл. Химически характеризуется наличием двух валентных состояний: +3 и +4.

Церий с валентностью +4 – единственный не трехвалентный редкозем, тон которого стабилен в водных растворах. Кроме того, этот церий — сильная кислота и сильный окислитель.

Церий с валентностью +3 по свойствам напоминает другие трехвалентные редкоземельные металлы.

Применение оксида церия

Многочисленные коммерческие применения церия включают в себя производство стекла, полировка стекла, производство люминофоров, керамики, катализаторов, а также в металлургии: в стекольной промышленности церий рассматривается как самый эффективный стеклополирующий агент для точной оптической полировки. Также используется для окраски стекла с сохранением железа в его твердом состоянии.
Способность церий содержащего стекла блокировать ультрафиолетовые лучи нашла свое применение в производстве медицинской посуды и иллюминаторов для космических аппаратов. Это свойство используется в атомной технике, т.к. церий содержащие стекла — не тускнеют под действием радиации, позволяя изготавливать толстые стёкла для защиты работников.
Церий широко применяется в различных видах керамического производства, включая изготовление зубных протезов, а также как фаза-стабилизатор продуктов, основанных на цирконии.

Оксид церия — катализатор

Церий играет несколько каталитических ролей. В каталитических преобразователях он выступает в качестве стабилизатора поверхностной области алюминия, в качестве основы для реакции сдвига, в качестве компонента хранения кислорода, в качестве усилителя бескислородного сокращения активности родия.

История элемента

Церий был открыт в 1803 году Йонсом Берзелиусом и Вильгельмом фон Хисингом в Швеции и независимо от них Мартином Клэпротом, работавшим в Германии.

Берзелиус и Хисинг открыли новый элемент в минерале бурого цвета – церите (по сути, силикат церия и лантана). Они приготовили соль из найденного минерала и стали изучать ход реакции.

Хотя они не могли выделить чистый металл, они обнаружили, что церий имеет два основных оксидатных состояния: податливая бесцветная соль и соль желто-красных оттенков.

Они назвали элемент церием в честь астероида Цереса, который был открыт двумя годами раньше Джузеппе Пиацци. Оксид церия они назвали «цериа».

Анализ Клэпрота показал те же результаты, и он назвал новый элемент «охроит» в честь оттенков, которые давало вещество.
Берзелиус и Хисинг опубликовали данные своих исследований раньше Клэпрота, поэтому их название элемента утвердилось в обществе. Кроме этого, Берзелиусу принадлежит открытие селена, тория, а Клэпрот открыл уран и цирконий.

Карл Мосандер, тесно сотрудничавший с Берзелиусом, в 1825 году выделил металлический церий. Сначала он провел реакцию сульфида церия с хлорином, уступая обезвоженному хлориду церия.

Затем провел реакцию замещения хлорида церия и калия, в результате чего образовался хлорид калия и церий.

Он полировал полученный осадок коричневого цвета до получения серого материала с тусклым металлическим блеском – металлического церия, хоть и не очень чистого.

Полную информацию о наличии оксида церия на складе, о стоимости продукции, скидках и по другим интересующим Вас вопросам Вы можете получить при обращении к нашим менеджерам. Оксид церия купить.

• e-mail: tdm96@tdm96.ru
• Телефон/факс: (343) 378-06-64, 350-47-95
• Адрес: г. Екатеринбург, ул. Мамина-Сибиряка д. 85 офис 712

Церий

Открытие церия (англ. Cerium, франц. Cerium, нем. Сег) является начальным звеном длинной цепи исследований редкоземельных элементов цериевой группы. Цериевую землю открыли в 1803 г. одновременно и независимо друг от друга Клапрот в Германии и Берцелиус и Гизингер в Швеции.

Задолго до этого открытия на медном и висмутовом рудниках Бастнес в Швеции был найден тяжелый минерал. Его изучением занялся Кронштедт и, сочтя его трудно восстановимой железной рудой с примесью вольфрама (тунгстена), назвал тунгстеном (тяжелый камень из Бастнеса). Затем этот красноватый тунгстен исследовали Шееле и Элюайр и не нашли в нем вольфрама. В 1803 г.

Клапрот, получивший в свое распоряжение образец минерала, заподозрил присутствие в нем какого-то неизвестного простого тела. При действии на освобожденный от железа желтый раствор минерала аммиаком получался осадок, прокалив который Клапрот получил коричневый порошок — окись новой земли. Он предложил назвать ее охроитом (ochroit) от греч.желтовато-коричневый.

В действительности же окись церия имеет белый цвет, и лишь ее перекисное соединение обладает оранжево-коричневым цветом. Вероятно, Клапрот работал с загрязненной цериевой землей, и ее окраска объяснялась примесью других редких земель, в частности празеодима, имеющего коричневую окраску.

Одновременно с Клапротом анализом минерала занимался Берцелиус, в то время молодой врач гидропат, совладелец фабрики минеральных вод, основанной бароном Гизингером. Однако и тогда Берцелиус интересовался химией и совместно с Гизингером производил химические исследования.

Оба они — заинтересовались загадочным «тяжелым шпатом» и по внешнему виду приняли его за разновидность гадолинита, содержащего медь, висмут и сернистое соединение молибдена. Растворив минерал в кислоте и отделив кремнезем и железо, они получили белый осадок, который после прокаливания стал коричневым, хотя и не содержал железа.

В результате тщательных операций им удалось получить окисел неизвестного металла в количестве 50% веса минерала. Они решили назвать металл, содержащийся в этом окисле, церием (Cerium) по имени малой планеты Цереры — первой из малых планет открытой в 1801г.; минерал, из которого была получена новая земля, был наименован церитом.

Клапрот через несколько лет (1807) оспаривал название «церий», указывая, что оно может привести к недоразумениям, так как почти одинаково с лат. cera, означающим воск. Он предлагал назвать новый металл церерием (Cererium), а минерал цереритом. Многие химики приняли эти названия.

Однако в своем учебнике химии Берцелиус указал, что такое изменение названия нецелесообразно, так как слово «церерий» трудное, неудобное для произношения. В середине прошлого столетия название церий стало общепринятым. Металлический церий был получен в чистом виде спустя 74 года (1875) после открытия элемента. В русской литературе употребляются оба названия и, кроме того, в более ранних сочинениях встречаются: церь (Захаров, 1810), церин (Страхов, 1825), цер, цериум (Двигубский, 1828). После появления учебника Гесса (1833) название «церий» утвердилось.

Цены

Цены на церий чистотой 99-99,9 составляют около 7-40 долл за 1 кг.

Химические свойства

Редкоземельный металл, неустойчив на воздухе, постепенно окисляется, превращаясь в белый оксид.

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).

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, и весьма например опасным является прибавление кусочка церия к расплавленному цинку — происходит яркая вспышка и сильный взрыв.

Катализаторы

В химической и нефтяной промышленности двуокись церия СеО2 (т.пл 2600°C) используют как катализатор. В частности, CeO2 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 церия — его сульфат Ce(SO4)2 — считают перспективным катализатором для сернокислого производства.

Он намного ускоряет реакцию окисления сернистого ангидрида в серный.

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

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 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

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 С в окислительной и инертной атмосфере), сульфид церия(до 1800 С 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

Церий-144 (период полураспада 285 суток) применяется в виде двуокиси (плотность около 6,4 г/см3) в производстве радиоизотопных источников тока в качестве источника тепла, и энерговыделение состовляет около 12,5 Вт/см3.

Ссылки

• Церий на Webelements
• Церий в Популярной библиотеке химических элементов

Категории:

• Химические элементы
• Лантаноиды
• Незавершённые статьи о химических элементах

Церий (Ce) Cerium — все о металле (свойства и структура)

Данный материал впервые получил свою огласку ещё в 1803 году, благодарю одному немецкому учёному по имени М. Г. Клапрот. Своё открытие он совершил фактически в одно время с двумя не менее великими шведскими химиками – Й. Я. Бирцелиусом и В. Хизенгером.

История возникновения названия Церий достаточно забавно, поскольку оно одновременно связано с самой большой из всех малых планет в галактике – Церерой, и богиней плодородия греческой мифологии. Изначально своё название предложил Клапрот, но его решение сразу же было опровергнуто Хизенгером. Именно В.

Хизенгер стал автором названия Церий, после долгих споров с предложенным трудновыговариваемым именем Клапрота.

На сегодняшний день Церий достаточно популярен, поскольку обладает весьма полезными характеристическими свойствами. Его официальная цена за 1 кг чистого материала колеблется в районе 100 долларов, что достаточно немного. Материал весьма специфичный и обладает широким спектром применения.

Химические свойства Церия

В отличии от других редкоземельных материалов, Церий является весьма реакционноспособным. Он осуществляет различные реакции со многими щелочными металлами, кислотами и гидратами.

Как и другие редкоземельные металлы, Церий подвергается окислению при взаимодействии с кислородом. Однако существует одно весомое отличие, окисление данного материала происходит не за несколько секунд, а за несколько дней. В процессе окисления данный материал превращается в кристаллизованный рассыпчатый порошок, который состоит исключительно из карбонатов, прошедших процесс гидратации.

В виде цельного металлического блока, температура воспламенения при солнечном свете не превышает 160-180 градусов Цельсия. Однако в виде порошкового карбоната, церий воспламеняется при соприкосновении его с кислородом, что достаточно огнеопасно во многих случаях.

Церий весьма устойчив к щелочам, данная особенность позволяет ей разлагать воду при кипячении на определённой температуре. Помимо этого, данный металл достаточно хорошо и быстро растворяется в минеральных кислотах. Особо бурно церий взаимодействует с азотом, углеродом и целой группой галогенов.

Представленные химические свойства Церия, позволило учёным химикам открыть совершенно новые, ранее не изученные типы реакций с различными веществами.

Физические свойства Церия

Церий представляет собой металл серебристо-белого цвета. По сравнению с другими редкоземельными металлами он обладает весьма низкой температурой плавления, но при этом не самой маленькой.

Его температура плавления при нормальных условиях составляет порядка 790-780 градусов Цельсия.

При этом, Церий может похвастаться достаточно высокой температурой внутреннего кипения, которая составляет порядка 3467 градусов Цельсия.

В условиях комнатной температуры, данный материал достаточно ковкий и эластичный. Исходя из этих особенностей не сложно догадаться о том, что он достаточно просто подвергается любой физической обработке без особого нагрева.

Помимо этого, он достаточно хорошо прессуется под воздействием физических усилий и комнатной температуры.

Церий обладает достаточно широкой областью применения. Поскольку данный материал обладает благоприятствующими свойствами и является достаточно гибким и поддающимся обработке, он используется в металлургии, при производстве катализаторов, производстве стекла и не только.

Например, в Металлургии Церий используется в качестве усилителя прочности уже готовых сплавов. При добавлении одного процента Церия в сплав магния, его прочность увеличивается в несколько раз.

Благодаря этому свойству, церий применяется в большинстве металлических сплавов, которые должны обладать высокой прочностью и износоустойчивостью.

Добыча и производство Церия

Данный материал, как и многие другие редкоземельные металлы, частично содержится в других металлах и землях. Церий расположен небольшими долями в апатитах, монацитах и в некоторых других многоструктурных материалах. Чаще всего данный материал получается при химическом расщеплении содержащих его металлов или земель. Данный процесс достаточно долгий и трудозатратный.

Одним из основных поставщиков Церия по всему миру, как и многие другие редкоземельные металлы, является Китай и Индия. При этом Китай забирает порядка 95% всего рынка. Индия забирается себе 5% рынка, что является самым крупным производством редкоземельных металлов на всей территории Индии, обычно её доля не превышает 2% всего рынка.

Искусственный синтез Церия

Как и большинство редкоземельных металлов, Церий никогда не встречается в чистом виде при природном происхождении. Данный материал является составной частью большинства монацитов и частично апатитов. Именно поэтому процесс его синтеза был налажен в первую очередь.

На сегодняшний день процесс искусственного производства церия достаточно трудозатратный и занимает продолжительный период времени.

Для отделения фракций монацитов и Церия применяется химический способ щелочного расщепления, при реакции которого происходит отделения частиц Церия от основного материала монацита.

В монаците Церий располагается в виде кристаллизованной Цериевой соли, которая отделяется при температуре свыше 180 градусов Цельсия.

Этот процесс сопровождается выделением большого числа побочных продуктов, который также содержит монацит.

Каждый год в мире производится порядка 320-350 тысяч тонн данного материала, этим и обусловлена его невысокая цена за 1 килограмм материала. Львиную долю производства забирает на себя Китай, производя 95% всего Церия в мире.

Церий химический элемент

Химия

Церий называют металлом с большим будущим, и для этого есть основания. Настоящее церия — более многогранно, чем у любого из его аналогов.Начнем, однако, с прошлого, с истории открытия и получения элемента № 58 — церия.  В честь самой большой из малых планет

Церий — не единственный элемент, название которого связано с одним из небесных тел. Названия селена, урана, нептуния, плутония, палладия тоже «взяты с потолка», точнее с неба, и в этом смысле церий — не исключение. Но вот поразительное совпадение.

…В начале нынешнего века менделеевскую таблицу нередко сравнивали с солнечной системой, уподобляя элементы планетам. Лантаноидам же в этой аналогии отводилась роль астероидов. Церий назвали в честь Цереры — самого большого из астероидов. И этот элемент из химических «астероидов» оказался самым «большим» — самым распространенным, получаемым в наибольших количествах и самым важным, по крайней мере сегодня.
Между прочим, Клапрот, открывший цериевую землю почти одновременно со своими шведскими коллегами — Хизингером и Берцелиусом, возражал против названия «церий»: уж если в честь Цереры, то «церерий». Берцелиус, однако, отстоял свое название, ссылаясь на трудности произношения того имени, которое предлагал новому элементу Клапрот.

Цериевая земля открыта в 1803 г., в чистом виде ее первым получил Мозандер в 1839 г. (одновременно с лантановой), но лишь в 1875 г. впервые получен металлический церий. Сделал это американский химик Уильям Фрэпсис Гиллебраид, работавший вместе со своим помощником Нортоном. Церий получили при электролизе тщательно очищенного четыреххлористого церия СеС14.

Он оказался светлым металлом, похожим на лантан, и таким же обыкновенным, как лантан. Однако не прошло и десяти лет, как был взят патент на первое практическое применение церия. Точнее, его окиси.
Началось с газокалильных сеток Австрийский химик Ауэр фон Вельсбах (1858—1928) был большим специалистом в области редких земель.

Он открыл четыре новых лантаноида, правда, в таблицу Менделеева из них вошли только два — неодим и празеодим.

Альдебараний же, названный в честь Альдебарана — главной звезды созвездия Тельца, оказался идентичен открытому несколькими месяцами раньше иттербию, а Кассиопей (в честь созвездия Кассиопеи) тоже за несколько месяцев до Ауэра фон Вельсбаха, открыл француз Урбэн и назвал лютецием…Ауэр фон Вельсбах был не только очень требовательным к себе исследователем.

Та сторона научной работы, которую ныне называют «связью с производством» или «внедрением», у него была организована значительно лучше, чем у многих его коллег и современников. Не удивительно, что именно он в 1884 г. взял патент на применение окиси церия в газокалильных лампах.

Конечно, это применение элемента № 58 теперь кажется архаичным, но рассказ о нем — это не только дань прошлому. В подобной роли церий иногда выступает и в наши дни. Нынешнее кино — и съемка и демонстрация фильмов — не обходится без ярких дуговых ламп. Чтобы сделать их свет еще ярче, в состав углей, между которыми вспыхивает дуга, вводят трифторид церия CeF3.

Есть еще одна давняя область применения элемента № 58. Даже современная газовая зажигалка не может работать без кремня. Но в зажигалках работают не те темно-рыжие камешки, из которых высекают искры мальчишки. Кремни, которые мы покупаем в табачных киосках, это хрупкие светлые столбики из пирофорного сплава железа с редкоземельными металлами, среди которых больше всего церия. Тот же сплав работает в трассирующих снарядах. Сделанная из него специальная насадка надета на снаряд снаружи, а роль рифленого металлического диска, высекающего искру, здесь играет воздух. При больших скоростях трение насадки о воздух заставляет пирофорный сплав искрить. Церий

Церий в металлургии

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.О качественной стороне легирования церием (и его редкоземельными аналогами), видимо, не стоит рассказывать — это будет, по существу, повторение рассказанногов статье «Лантан».

Здесь же уместен вопрос о количестве:    каковы оптимальные размеры редкоземельных добавок?

влияние разных доз церия на структуру и свойства литой и кованой стали исследовали несколько лет назад 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. 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…Малые добавки церия очищают сталь от вредных не-металлических включений, прежде всего серы и газов, большие же — образуют самостоятельные окисные включения, которые полезны далеко не всегда. Известно, например, что церий ухудшает окалиностойкость стали марки 12-ХМФ. Церий чаще всего вводят в сталь в виде мишметалла или ферроцерия — сплава с железом.

С 1954 г. в качестве легирующей добавки к стали начали вводить микроприсадки окиси и других соединений редкоземельных металлов, поскольку они дешевле, чем сами металлы. Это справедливо и для церия: килограмм металла чистотой 99,8% стоил 55 советских рублей, а двуокиси той же чистоты — только 15.

Церий — катализатор

В химической и нефтяной промышленности двуокись церия Се02 используют как катализатор. В частности, СеОг 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 № 58 — его сульфат Се(S04)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 несгоревших 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 церийсодержащие 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.

Часто он с четырьмя электронами расстается даже более охотно, чем с тремя.

В сухом воздухе церий воспламеняется при 320°С и сразу же превращается в желтый порошок двуокиси Се02. Получить Се20з — окись трехвалентного церия — намного труднее. Из Се02 она получается лишь при сильном прокаливании последней в токе водорода.

В щелочной среде трехвалентный церий легко окисляется До четырехвалептного; в кислой же, наоборот, соединения четырехвалентного церия малоустойчивы. В таких условиях они выступают как довольно сильные окислители.

«Нестандартная» валентность помогает выделить церий из смеси с лантаном и лантаноидами.

Как правило, соединения церия по свойствам мало отличаются от аналогичных соединений лантана. Да и сам церий по комплексу свойств очень похож на лантан. Есть, правда, одна интересная деталь. На свойства металлического церия сильно влияет давление. Если церий сжать до 7 тыс. атм, его кристаллическая решетка не перестраивается. Но объем цериевого образца при этом уменьшается намного сильнее, чем такого же образца лантана или неодима — примерно на четверть. Еще сильнее падает при этом электросопротивление церия. Полагают, что причина таких пертурбаций — электронные переходы: с 4/-подоболочки электрон переходит на бсКподоболочку. Если до сжатия металл состоял из попов Се*+ н электронов, но теперь в электронном облаке находятся четырехвалентные ионы.

Химический портрет церия будет явно неполным, если не упомянуть о его комплексных соединениях. Комплексо-образованне характерно для всех лантаноидов и очень полезно. Именно комплексные соединения редкоземельных элементов разделяют на ионообменных колонках. Но церий и здесь первый, его комплексы изучены лучше всего.

ЦЕРИЙ

статьи

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

Церий – серебристо-белый металл. Т. пл. 798° С, т. кип. 3467° С; его плотность (в зависимости от типа кристаллической модификации) изменяется в интервале 6,66–8,23 г/см3, В инертной атмосфере, предохраняющей от окисления, церий легко куется при комнатной температуре без нагревания, прессуется, и свободно поддается механической обработке.

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.

Трифторид CeF3 бесцветный кристаллический порошок, получают взаимодействием СеО2 с HF при 500° С, или термическим разложением CeF4·7H2O — при 390–400° С. CeF3 реагирует с водой с образованием гидратов.

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.

Михаил Левицкий