Cerium: Het element

Cerium is een scheikundig element met symbool Ce en atoomnummer 58. Het is een zacht, zilverkleurig, kneed- en buigbaar metaal dat behoort tot de lanthaniden reeks. Het is vernoemd naar de dwergplaneet Ceres. Het element is ontdekt door Martin H Klaproth in 1803 en voor het eerst geïsoleerd door Carl G Mosander in 1839. Het wordt gevonden in mineralen, waarvan de belangrijkste monaziet en bastnasite zijn. De commerciële toepassingen van cerium zijn talrijk.

Plaats van Cerium in het periodiek systeem

Cerium heeft met 2648 ° C de op een na grootste vloeistoftraject van de niet-radioactieve elementen, het traject loopt van 795 ° C tot 3443 ° C. Cerium is interessant door de elektronconfiguratie in zijn electronenmantel. De ionisatie-energie van bijvoorbeeld het binnenste 4f niveau is bijna dezelfde als die van de buitenste (valentie) elektronen. Er is slechts weinig energie nodig om de elektronenbezetting van de niveaus wijzigen. Dit leidt tot een variabele waardigheid van het element.

Physische eigenschappen

Eigenschappen van het Cerium atoom

Mechanische eigenschappen van cerium

Isotopen van cerium

Vier cerium isotopen komen in de natuur voor. Dit zijn 140Ce met 88,5%; 142Ce met 11%; 138Ce met 0,3% en 136Ce met 0,2% van de natuurlijke cerium. Alleen 140Ce is stabiel. 142Ce, 138Ce en 136Ce hebben halveringstijden van respectievelijk
5 × 10↑16 jaar, 1,5 x 10↑15 jaar en 7 x 10↑13 jaar. Sommige cerium isotopen komen in de aardkorst voor in kleine hoeveelheden als gevolg van uraniumverval.

39 isotopen van cerium zijn ontdekt lopend van 119Ce naar 157Ce. De langst levende instabiele isotopen zijn 139Ce en 144Ce, met halveringstijden in de orde van 115 dagen. Nog eens acht isotopen met halveringstijden groter dan 1000 seconden. 16 van de cerium isotopen hebben een halveringstijd groter dan 1 seconde.

De stabielste isotopen

Toelichting chemische eigenschappen

Cerium oxideert langzaam in de lucht en snel bij verhitting tot 150 °C tot cerium(IV)oxide:

• Ce + O2 → CeO2

Cerium metaal is pyrofore, dat wil zeggen dat als het wordt bewerkt, de spanen of vijlsel gemakkelijk ontbranden. Cerium is elektropositief en reageert langzaam met koud water en snel met warm water om cerium hydroxide te vormen:

• 2 Ce (s) + 6 H2O (l) → 2 Ce (OH) 3 (aq) + 3 H2 (g)

Cerium metaal reageert met alle halogenen:

• 2 Ce (s) + 3 F2 (g) → 2 CeF3 (s) [wit]
• 2 Ce (s) + 3 Cl2 (g) → 2 CeCl3 (s) [wit]
• 2 Ce (s) + 3 Br2 (g) → 2 CeBr3 (s) [wit]
• 2 Ce (s) + 3 I2 (g) → 2 CEI3 (s) [geel]

Cerium lost gemakkelijk op in verdund zwavelzuur, er ontstaan kleurloze Ce (III)-ionen:

• 2 Ce (s) + 3 H2SO4 (aq) → 2 Ce3 + (aq) + 3 SO2
• 4 (aq) + 3 H2 (g)

Cerium(IV) zouten zijn oranje rood of geelachtig. Overwegend cerium(III) zouten zijn wit of kleurloos en absorberen ultraviolet licht. Om die eigenschap worden ze gebruikt om kleurloze brillenglazen te maken die toch ultraviolet licht absorberen. Cerium kan worden gedetecteerd in lanthanidenertsen door toevoeging van ammonia en waterstofperoxide aan een waterige oplossing van lanthaniden; bij aanwezigheid van cerium ontstaat een donkerbruine kleur.

Voorkomen in ertsen

Cerium komt voor in lanthaniden bevattende ertsen, de belangrijkste zijn: monazite(Ce,La,Th,Nd,Y)PO4, bastnasite (Ce,La,Y)CO3F.

Toepassingen

• Een traditionele toepassing van cerium was in de pyrofore ferro-cerium legering die werd gebruikt voor vuurstenen.
• Vanwege de hoge affiniteit van cerium tot zwavel en zuurstof, wordt cerium gebruikt in aluminium- en ijzerlegeringen; vloeibaar staal wordt met cerium ontgast en tevens worden de sulfiden en oxiden in het staalbad verminderd; ook is cerium een precipitatiehardende stof in onder andere roestvaststaal.
• Het toevoegen van cerium aan gietijzer onderdrukt de grafitisering en produceert zo een smeedbaar gietijzer.
• Toevoeging van 3-4% cerium aan magnesium legeringen samen met 0.2-0.6% zirkonium, verfijnt de korrel en voert de hittebestendigheid van magnesium gietstukken op.
• Ceriummetaal kan aan aluminium toegevoegd worden om de corrosiebestendigheid te verbeteren.
• Cerium legeringen worden gebruikt in permanente magneten en in wolfraamelektroden voor TIG-lassen.
• Cerium wordt gebruikt in koolstof boog- verlichting.
• Ceria (CeO2) is de meest gebruikte verbinding van cerium. die wordt gebruikt als poetsmiddel die andere metaaloxiden heeft vervangen voor vervaardiging van hoogwaardige optische vlakken.
• Een ander gebruik van ceriumoxide is als koolwaterstof katalysator en opgenomen in de ovenwand van zelfreinigende ovens.
• Cerium(III)oxide wordt gebruikt voor katalysatoren in uitlaatgassen van motoren.
• De stabiliteit van pigmenten (lichtechtheid) wordt verbeterd door toevoeging van cerium.
• Ceriumsulfide vormt een rode kleurstof die stabiel is tot 350 ° C.
• Cerium is een essentieel onderdeel van fosforen in televisieschermen en fluorescentielampen.
• Cerium(IV)oxide wordt gebruikt in gloeikousjes.
• Cerium(IV)sulfaat wordt gebruikt als oxidatiemiddel in kwantitatieve analyse.
• Cerium-ammoniumnitraat is een oxidatiemiddel in de organische chemie en voor etsen van elektronische componenten.

Cerium: biologie en gezondheid

Cerium gedraagt zich als calcium in organismen en hoopt zich dus als calcium op in de botten. Cerium zit ook in tabaksplanten, gerst en beukenhout. Er is vrijwel geen cerium aanwezig in de atmosfeer. Een zeer kleine hoeveelheid cerium hoopt zich op in de voedselketen. Menselijk bloed bevat 0.001 ppm, menselijke botten bevatten 3 ppm, en menselijk weefsel bevat 0,3 ppm cerium. Er zit totaal circa 40 mg cerium in een mens van gemiddeld gewicht. Ceriumzout kan de stofwisseling stimuleren.

Cerium is een sterk reductiemiddel en ontbrandt spontaan in lucht bij 65 tot 80 ° C de vrijkomende dampen van cerium zijn giftig. Water moet niet worden gebruikt bij het bestrijden van cerium branden, want cerium reageert met water en produceert dan het zeer brandbare waterstofgas. Blootstelling aan cerium kan leiden tot huidirritatie en jeuk. Cerium is niet giftig bij orale inname, maar is wel gevaarlijk voor waterorganismen. Cerium(IV)oxide is een sterke oxidatiemiddel bij hoge temperaturen en reageert met (brandbare) organisch materiaal. Cerium is niet radioactief maar de commerciële samenstelling kan sporen radioactief thorium bevatten.