Церий

Церий — это химический элемент 3-й группы 6-го периода периодической системы Д. И. Менделеева, с атомным номером 58 и атомной массой 140,116. Относится к семейству лантаноидов (редкоземельных элементов). Обозначается символом Ce. Простое вещество церий представляет собой мягкий, ковкий, серебристо-серый металл, один из самых распространённых редкоземельных элементов в земной коре.

История

Церий был открыт в 1803 году независимо друг от друга двумя группами учёных: шведскими химиками Йёнсом Якобом Берцелиусом и Вильгельмом фон Хизингером, а также немецким химиком Мартином Генрихом Клапротом. Название элементу дали в честь карликовой планеты Цереры, открытой за два года до этого (1801). В 1839 году шведский химик Карл Густав Мосандер, исследуя образец оксида церия, выделил из него новый элемент — лантан, а позже и дидим (смесь празеодима и неодима). Металлический церий в чистом виде был получен лишь в 1875 году американским химиком Уильямом Фрэнсисом Хиллебрандом и Томасом Нортоном.

Нахождение в природе

Церий является наиболее распространённым из всех лантаноидов. Его содержание в земной коре составляет около 6,6·10⁻³% по массе, что сравнимо с распространённостью меди. Встречается в виде примесей в минералах, таких как монацит (CePO₄), бастнезит (CeCO₃F), алланит (CaCeAl₂Fe(SiO₄)(Si₂O₇)O(OH)) и других. Основные месторождения находятся в Китае, США, Бразилии, Индии и Австралии. В России крупные запасы церия сосредоточены в Хибинских горах (Кольский полуостров) и в Красноярском крае.

Физические свойства

Церий — серебристо-серый, пластичный, ковкий металл. Он является одним из самых реакционноспособных лантаноидов. На воздухе быстро тускнеет, покрываясь плёнкой оксида. При нагревании до 160 °C воспламеняется, поэтому его хранят под слоем керосина или в вакууме. Церий обладает несколькими аллотропными модификациями, меняющимися при изменении температуры и давления. При комнатной температуре стабильна γ-модификация (гранецентрированная кубическая решётка), при охлаждении ниже -10 °C переходит в β-модификацию (гексагональная), а при высоких температурах (выше 730 °C) — в δ-модификацию (объёмноцентрированная кубическая). Плотность церия составляет 6,77 г/см³, температура плавления — 798 °C, температура кипения — 3443 °C.

Химические свойства

Церий — активный металл. Он легко реагирует с кислородом, образуя оксид CeO₂ (диоксид церия) и Ce₂O₃ (сесквиоксид). С водой реагирует с выделением водорода, особенно быстро с горячей водой. Растворяется в разбавленных кислотах (соляной, серной, азотной), образуя соли Ce(III). В отличие от большинства лантаноидов, церий способен проявлять степень окисления +4, что обусловлено стабильностью его электронной конфигурации (4f⁰). В степени окисления +4 церий является сильным окислителем. Соединения Ce(IV) (например, CeO₂, Ce(SO₄)₂) широко используются в аналитической химии и промышленности.

Получение

Церий получают из руд редкоземельных элементов, таких как монацит и бастнезит. Процесс включает несколько этапов: дробление руды, обогащение (флотация, магнитная сепарация), вскрытие руды (обработка концентрированной серной кислотой или щёлочью), разделение смеси редкоземельных элементов методами ионного обмена, экстракции или осаждения. Металлический церий получают электролизом расплава его солей (например, хлорида церия) или восстановлением оксида церия металлическим кальцием или литием в вакууме при высоких температурах.

Применение

Церий и его соединения находят широкое применение в различных отраслях промышленности.

Металлургия

Церий добавляют в сплавы для улучшения их свойств. В составе ферроцерия (сплава церия с железом) он используется для производства кремней для зажигалок. В чёрной металлургии церий применяют для раскисления и модифицирования стали, что повышает её прочность, коррозионную стойкость и обрабатываемость. В алюминиевых и магниевых сплавах церий улучшает жаропрочность и литейные свойства.

Оптика и стекольная промышленность

Диоксид церия (CeO₂) используется для полировки оптического стекла, в том числе для линз, зеркал и микроэлектронных компонентов. Он также применяется как компонент для изготовления стекла, поглощающего ультрафиолетовое излучение (например, для защитных очков и автомобильных стёкол). Церий добавляют в стекло для придания ему жёлтой окраски.

Катализ

Церий является важным компонентом катализаторов. В автомобильных каталитических нейтрализаторах (трёхкомпонентных катализаторах) оксид церия CeO₂ используется как накопитель кислорода, способствующий более полному сгоранию выхлопных газов и снижению выбросов CO, NOₓ и углеводородов. В нефтепереработке церий применяется в катализаторах крекинга и риформинга.

Электроника и энергетика

Церий используется в производстве люминофоров для люминесцентных ламп и светодиодов. В твёрдооксидных топливных элементах (SOFC) церийсодержащие материалы применяются как электролиты. В ядерной энергетике диоксид церия используется как компонент для изготовления керамических ядерных топлив.

Другие области применения

• Медицина: Соли церия (например, нитрат церия) используются в составе мазей для лечения ожогов и ран.
• Химическая промышленность: Церий применяется как катализатор в органическом синтезе, а также для получения других редкоземельных элементов.
• Производство пиротехники: Церий и его сплавы используются для создания ярких искр и фейерверков.

Биологическая роль и токсичность

Церий не является биогенным элементом и не играет существенной роли в живых организмах. Соединения церия, особенно растворимые соли, обладают умеренной токсичностью. При попадании в организм в больших дозах могут вызывать раздражение кожи, слизистых оболочек и поражение печени. В целом, церий считается менее токсичным, чем многие другие тяжёлые металлы. Предельно допустимая концентрация (ПДК) церия в воздухе рабочей зоны составляет 0,5 мг/м³.

Интересные факты

• Церий — один из немногих лантаноидов, который может быть получен в виде металла с помощью электролиза.
• Диоксид церия (CeO₂) используется в качестве абразивного материала для полировки стекла, в том числе для изготовления линз для телескопов и микроскопов.
• В 2011 году учёные из Университета штата Мичиган разработали метод получения церия из отходов ядерного топлива, что может быть использовано для переработки радиоактивных материалов.
• Церий является одним из ключевых компонентов для создания «умных» окон, которые могут менять свою прозрачность в зависимости от температуры или освещения.

Источники

• Химическая энциклопедия: в 5 т. / Гл. ред. И. Л. Кнунянц. — М.: Советская энциклопедия, 1988. — Т. 1.
• Редкоземельные элементы / Под ред. В. В. Серебренникова. — М.: Наука, 1972.
• CRC Handbook of Chemistry and Physics. — 97th ed. — CRC Press, 2016.
• Greenwood, N. N.; Earnshaw, A. Chemistry of the Elements. — 2nd ed. — Butterworth-Heinemann, 1997.