58 Ce Cérium 140,116
lanthanide bloc-f Période 6

Cérium

Ce · Élément 58 · Lanthanide

La terre rare la plus abondante, plus commune dans la croûte terrestre que le cuivre.

État à 20°C solide
Masse atomique 140,116 u
Configuration électronique[Xe] 4f¹ 5d¹ 6s²

Structure

L’atome de cérium

Il ne s’agit pas d’un diagramme de points sur des anneaux — mais d’un échantillon de Monte-Carlo de la véritable densité de probabilité |ψ|² pour chaque sous-couche occupée. Faites glisser pour faire pivoter. Le bleu et le violet indiquent les signes opposés de la fonction d’onde, ce qui rend la liaison possible.

Nuage orbital

Valeurs mesurées

Fiche de propriétés

Chaque barre indique où se situe cérium parmi les 118 éléments pour cette propriété.

Physique

Masse volumique 6,77 g/cm³ 38%
Point de fusion 1068 K 45%
Point d’ébullition 3716 K 79%
Chaleur massique 0,192 J/g·K
Conductivité thermique 11,1 W/m·K 30%

Atomique

Rayon atomique 182 pm 70%
Rayon covalent 204 pm
Rayon de Van der Waals 235 pm

Électronique

Électronégativité 1,12 13%
Énergie d’ionisation 534,5 kJ/mol 12%
Affinité électronique 57,9 kJ/mol 49%

Occurrence

Abondance dans la croûte terrestre 66,5 mg/kg 79%

Identité

SymboleCe
Numéro atomique58
Masse atomique140,116 u
Catégorielanthanide
Blocf
Structure cristallinecubique à faces centrées
États d’oxydation+3, +4
Découvert1803
Découvert parBerzelius, Hisinger & Klaproth

Sources : masses atomiques standard de l’IUPAC 2021 · CRC Handbook of Chemistry and Physics · NIST. Les valeurs marquées ~ sont prédites plutôt que mesurées.

Taille, à l’échelle

Quelle est la taille de l’atome de cérium ?

Rayon de 182 pm — soit 0,182 nm ; il en faudrait donc environ 2,75 millions côte à côte pour couvrir un millimètre.

Plage thermique

Solide, liquide, gaz — et quand

Cérium est liquide dans une plage de 2648 K, de 1068 K à 3716 K.

Où il se trouve

Position dans le tableau

Cérium se trouve dans la série des lanthanide, imprimée sous la grille principale.

Autres Lanthanides

Tous les lanthanides

L’histoire

Ce qu’est cérium et comment nous l’avons découvert

La terre rare la plus abondante, plus commune dans la croûte terrestre que le cuivre.

La découverte de cérium

Les chroniques de la découverte

1803 - La découverte allemande

Martin Heinrich Klaproth, chimiste allemand célèbre pour avoir découvert l’uranium et le zirconium, fut le premier à identifier le cérium. Travaillant indépendamment, il isola l’oxyde de cérium à partir d’un échantillon minéral envoyé de Suède.

1803 - La découverte suédoise

Au même moment, les chimistes suédois Jöns Jakob Berzelius et Wilhelm Hisinger découvrirent également le cérium en analysant le même minéral, appelé plus tard cérite en l’honneur de la planète naine Cérès.

Connexion astronomique

L’élément fut nommé d’après Cérès, la planète naine découverte seulement deux ans plus tôt, en 1801, par Giuseppe Piazzi. Le cérium devint ainsi le premier élément nommé d’après un objet astronomique.

La course à la découverte

La découverte simultanée du cérium par des chimistes allemands et suédois provoqua l’un des premiers conflits de priorité de l’histoire de la chimie. Cependant, les deux parties se partagèrent généreusement le mérite, établissant un précédent pour la coopération scientifique internationale.

« La nouvelle terre possède des propriétés si distinctes qu’elle ne peut être confondue avec aucune autre connue jusqu’alors. »

— Berzelius et Hisinger, 1803

Les premiers défis de la recherche

Les premiers chercheurs eurent du mal à comprendre les multiples états d’oxydation du cérium. L’élément semblait modifier ses propriétés de manière imprévisible, ce qui suscita des interrogations sur la présence éventuelle de plusieurs éléments. Ce n’est qu’avec le développement des techniques modernes de séparation que la véritable nature du cérium fut comprise.

Découverte décisive

La percée survint lorsque les scientifiques comprirent que le cérium pouvait exister sous forme d’ions Ce³⁺ et Ce⁴⁺, contrairement aux autres éléments des terres rares. Cette propriété unique, initialement source de confusion, devint le principal atout du cérium dans les applications modernes.

Héritage scientifique

La découverte du cérium ouvrit la voie à la compréhension de toute la série des terres rares. Les techniques analytiques mises au point pour étudier le cérium jetèrent les bases de la séparation et de la caractérisation des 15 éléments lanthanides.

Applications

À quoi sert cérium

Applications industrielles avancées

Le cérium est l’élément des terres rares le plus abondant et le pilier de la série des lanthanides. Sa capacité unique à passer facilement des états d’oxydation Ce³⁺ à Ce⁴⁺ le rend central dans d’innombrables applications.

Révolution automobile

Les pots catalytiques de chaque voiture moderne contiennent de l’oxyde de cérium (cérine), qui aide à transformer le monoxyde de carbone et les oxydes d’azote toxiques en gaz inoffensifs. La capacité de stockage de l’oxygène du cérium en fait un composant essentiel pour réduire jusqu’à 95 % les émissions des véhicules.

Industrie du verre et de la céramique

Le dioxyde de cérium est le composé universel de polissage du verre. Des écrans de smartphone aux miroirs de télescope, l’oxyde de cérium permet d’obtenir le polissage le plus fin possible. Il est également utilisé pour :

  • Décolorer le verre en neutralisant les impuretés de fer
  • La protection contre les UV dans les lunettes de soleil et les fenêtres
  • Les revêtements de verre autonettoyant pour les bâtiments
  • La fabrication de fibres optiques pour les télécommunications

Pyrotechnie et éclairage

La lumière blanche brillante des lampes à arc au carbone provient du carbure de cérium. Les salles de cinéma, les projecteurs et l’éclairage de studio dépendent tous du cérium pour produire une illumination intense semblable à celle du soleil.

Technologie nucléaire

Les propriétés d’absorption des neutrons du cérium le rendent précieux pour :

  • Le traitement du combustible nucléaire
  • Les systèmes de contrôle des réacteurs
  • Les matériaux de protection contre les rayonnements
  • Le traitement des déchets nucléaires

Procédés chimiques

En tant que puissant matériau de stockage de l’oxygène, l’oxyde de cérium est utilisé dans :

  • Les réactions de conversion eau-gaz pour la production d’hydrogène
  • Les catalyseurs trois voies dans les applications automobiles
  • Les technologies des piles à combustible
  • Les procédés de synthèse chimique

Applications courantes

Électronique et écrans

  • Polissage des écrans de smartphones (tous les grands fabricants)
  • Polissage du verre des écrans d’ordinateur
  • Fabrication d’écrans de télévision
  • Matériaux phosphorescents pour LED
  • Production de fibres optiques

Industrie automobile

  • Pots catalytiques (contrôle des émissions)
  • Polissage du verre des pare-brise
  • Additifs pour carburant permettant une combustion plus propre
  • Filtres à particules pour moteurs diesel

Articles ménagers

  • Revêtements autonettoyants pour fours
  • Verre de fenêtre bloquant les UV
  • Manchons à incandescence pour lanternes de camping
  • Émaux pour ustensiles de cuisson en céramique

Médecine et dentisterie

  • Colorants pour porcelaine dentaire
  • Polissage de dispositifs médicaux
  • Équipements de radiothérapie
  • Revêtements d’instruments chirurgicaux

Outils et fabrication

  • Polissage d’optiques de précision
  • Outils de découpe du verre
  • Revêtements d’électrodes de soudage
  • Céramiques haute température

Impact sur le marché

La demande mondiale de cérium est d’environ 60 000 tonnes par an, ce qui en fait l’élément des terres rares le plus important sur le plan commercial. Le polissage du verre représente à lui seul plus de 40 % de la consommation mondiale de cérium.

D’où il vient

Présence naturelle

66,5 mg/kg de la croûte terrestre · plus abondant que 79 % des éléments

Répartition naturelle

Le cérium est l’élément des terres rares le plus abondant et le 25e élément le plus abondant de la croûte terrestre: il est plus courant que le cuivre, le plomb ou le zinc.

Statistiques d’abondance

  • Croûte terrestre : 68 parties par million (ppm)
  • Classement : 25e élément le plus abondant
  • Eau océanique : 1.5 × 10⁻⁶ ppm
  • Abondance relative : représente 50 % de l’ensemble des éléments des terres rares

Principales sources minérales

Bastnäsite

Formule chimique : (Ce,La,Pr,Nd)CO₃F
Teneur en Ce : 45-50 %
Gisements principaux : Mountain Pass (Californie), Bayan Obo (Chine)

Monazite

Formule chimique : (Ce,La,Nd,Th)PO₄
Teneur en Ce : 40-50 %
Gisements principaux : Inde, Australie, Brésil, Malaisie

Allanite

Formule chimique : (Ce,Ca,Y)₂(Al,Fe)₃(SiO₄)₃(OH)
Teneur en Ce : 5-20 %
Localisation : Pegmatites dans le monde entier

Centres de production mondiaux

  • Chine : 85 % de la production mondiale (Mongolie-Intérieure, Sichuan)
  • États-Unis : mine de Mountain Pass (exploitation de Molycorp)
  • Inde : extraction de sables côtiers au Kerala et au Tamil Nadu
  • Australie : projet Mount Weld (Lynas Corporation)
  • Brésil : complexes d’Araxa et de Catalao
  • Russie : gisements de la péninsule de Kola

Formation géologique

Le cérium se concentre dans les complexes ignés alcalins et les carbonatites formés à partir de sources mantelliques profondes. L’élément se substitue au calcium dans de nombreux minéraux en raison d’un rayon ionique similaire, ce qui explique sa large répartition dans les roches ignées et métamorphiques.

Sources secondaires

  • Recyclage des déchets électroniques (phosphores, aimants)
  • Recyclage des catalyseurs issus de l’industrie automobile
  • Récupération des déchets de polissage du verre
  • Retraitement des résidus miniers

Manipulation

Sécurité

Informations de sécurité

Niveau de danger faible à modéré

Le cérium métallique et la plupart de ses composés sont considérés comme relativement sûrs lorsqu’ils sont manipulés correctement. Cependant, certains composés du cérium nécessitent des précautions particulières.

Risques d’incendie et d’explosion

Cérium métallique : pyrophorique lorsqu’il est finement divisé: il peut s’enflammer spontanément à l’air.

  • Conserver sous atmosphère inerte (argon ou azote)
  • Éviter le broyage ou la création de particules fines
  • Un extincteur de classe D est requis (sable sec ou poudre spéciale)
  • Ne jamais utiliser d’eau sur les incendies de cérium : cela peut provoquer des réactions violentes

Considérations respiratoires

  • Poussière de cérium : peut provoquer une irritation respiratoire
  • Risque d’inhalation : risque potentiel de pneumoconiose en cas d’exposition chronique
  • Protection : utiliser des appareils respiratoires approuvés par le NIOSH lors de la manipulation de poudres

Risques liés au contact

  • Contact avec les yeux : les composés du cérium peuvent provoquer une irritation sévère
  • Contact avec la peau : généralement non irritant, mais il convient d’éviter un contact prolongé
  • EPI : lunettes de sécurité et gants en nitrile recommandés

Procédures d’urgence

Incendie de métal

Utiliser un extincteur de classe D. Évacuer la zone et appeler les pompiers. Ne pas utiliser d’eau.

Inhalation

Se rendre immédiatement à l’air frais. Si les difficultés respiratoires persistent, consulter un médecin.

Contact avec les yeux

Rincer à l’eau pendant 15 minutes en maintenant les paupières ouvertes. Consulter un médecin.

Contact avec la peau

Laver à l’eau et au savon. Retirer les vêtements contaminés.

Stockage et manipulation

  • Métal : conserver sous gaz inerte dans des récipients hermétiques
  • Composés : conserver dans un endroit frais et sec, à l’écart des acides
  • Séparation : tenir à l’écart des oxydants puissants et de l’eau
  • Étiquetage : indiquer clairement le contenu et les dangers sur tous les récipients

Considérations particulières

Nitrate de cérium : oxydant puissant : peut provoquer des incendies au contact de matières organiques. Nécessite des procédures particulières de stockage et de manipulation.

Réponses rapides

Cérium : questions fréquentes

Qu’est-ce que Cérium ?

Cérium (symbole Ce) est l’élément 58 du tableau périodique, un lanthanide de la période 6. La terre rare la plus abondante, plus commune dans la croûte terrestre que le cuivre. À température ambiante, c’est un solide.

Quelle est la configuration électronique de Cérium ?

La configuration électronique à l’état fondamental de Cérium est [Xe] 4f¹ 5d¹ 6s² ; elle comporte 6 couches occupées, avec la répartition 2, 8, 18, 19, 9, 2.

Quels sont les points de fusion et d’ébullition de Cérium ?

Cérium fond à 1068 K (794.9 °C) et bout à 3716 K (3442.9 °C).

Quelle est la masse atomique de Cérium ?

La masse atomique standard de Cérium est de 140.116 u. Il s’agit d’une moyenne pondérée de ses isotopes présents naturellement, ce qui explique qu’elle soit rarement un nombre entier.

Quelle est la masse volumique de Cérium ?

Cérium a une masse volumique de 6.77 g/cm³. L’eau a une masse volumique de 1.0 g/cm³ ; un bloc de Cérium est donc environ 6.8× plus lourd.

Quelle est l’électronégativité de Cérium ?

Cérium a une électronégativité de Pauling de 1.12. L’échelle va de 0.70 (le francium, le moins attiré par les électrons) à 3.98 (le fluor, le plus attiré). Une valeur aussi faible signifie qu’il cède facilement ses électrons externes, formant des ions positifs.

Qui a découvert Cérium, et quand ?

Cérium a été découvert en 1803 par Berzelius, Hisinger & Klaproth. Il porte le nom de la planète naine Cérès.

Quelle est l’abondance de Cérium sur Terre ?

Cérium constitue environ 66.5 mg/kg de la croûte terrestre — peu courant, mais pas rare.