58 Ce セリウム 140.116
ランタノイド fブロック 6周期

セリウム

Ce · 元素 58 · ランタノイド

最も豊富な希土類元素で、地殻中では銅よりも一般的です。

20°Cでの状態 固体
原子量 140.116 u
電子配置[Xe] 4f¹ 5d¹ 6s²

構造

セリウムの原子

リング上の点の図ではありません — 占有されている各副殻の実際の確率密度|ψ|²をモンテカルロ法でサンプリングしたものです。ドラッグして回転できます。青と紫は波動関数の反対の符号を示しており、それによって結合が可能になります。

軌道雲

測定値

物性表

各バーは、その性質についてセリウムが118元素全体の中でどの位置にあるかを示しています。

物理的性質

密度 6.77 g/cm³ 38%
融点 1068 K 45%
沸点 3716 K 79%
比熱 0.192 J/g·K
熱伝導率 11.1 W/m·K 30%

原子

原子半径 182 pm 70%
共有結合半径 204 pm
ファンデルワールス半径 235 pm

電子

電気陰性度 1.12 13%
イオン化エネルギー 534.5 kJ/mol 12%
電子親和力 57.9 kJ/mol 49%

存在

地殻中の存在度 66.5 mg/kg 79%

同一性

元素記号Ce
原子番号58
原子量140.116 u
分類ランタノイド
ブロックf
結晶構造面心立方格子
酸化数+3, +4
発見年1803
発見者Berzelius, Hisinger & Klaproth

出典:IUPAC 2021標準原子量・CRC化学・物理学ハンドブック・NIST。~が付いた値は測定値ではなく予測値です。

大きさ、実寸比

セリウムの原子はどのくらいの大きさですか?

半径182 pmです。これは0.182 nmなので、約2.75百万個を横に並べると1ミリメートルになります。

熱範囲

固体、液体、気体—そしてそのとき

セリウムは、1068 Kから3716 Kまでの2648 Kの範囲で液体です。

位置

表での位置

セリウムはランタノイド系列に位置し、メインのグリッドの下に表示されます。

その他のランタノイド

ランタノイドのすべて

物語

セリウムとは何か、そしてどのように発見されたか

最も豊富な希土類元素で、地殻中では銅よりも一般的です。

セリウムの発見

発見の物語

1803年 - ドイツでの発見

ウランとジルコニウムの発見で知られるドイツの化学者Martin Heinrich Klaprothが、セリウムを初めて同定しました。独立して研究を行い、スウェーデンから送られた鉱物試料から酸化セリウムを単離しました。

1803年 - スウェーデンでの発見

同じ頃、スウェーデンの化学者Jöns Jakob BerzeliusとWilhelm Hisingerも、同じ鉱物を分析してセリウムを発見しました。この鉱物は後に、準惑星ケレスにちなんでセライトと名付けられました。

天文学とのつながり

この元素は、Giuseppe Piazziが1801年に発見した準惑星Ceresにちなんで名付けられました。これにより、セリウムは天体にちなんで名付けられた最初の元素となりました。

発見をめぐる競争

ドイツとスウェーデンの化学者によるセリウムの同時発見は、化学史上初期の優先権論争の一つを生みました。しかし、両者は寛大にも功績を分かち合い、国際的な科学協力の先例を築きました。

「この新しい土は非常に明確な性質を持つため、これまで知られていたものと混同することはできない。」

— Berzelius and Hisinger, 1803

初期研究の課題

初期の研究者たちは、セリウムが持つ複数の酸化数に苦労しました。この元素は予測できないように性質を変えるように見え、複数の元素が存在するのかどうかについて混乱を招きました。現代的な分離技術が開発されて初めて、セリウムの本当の性質が理解されました。

重要な進展

科学者たちが、セリウムは他の希土類元素とは異なり、Ce³⁺イオンとCe⁴⁺イオンの両方として存在できると理解したとき、進展がもたらされました。この独自の性質は、当初は混乱の原因でしたが、現代の用途におけるセリウム最大の強みとなりました。

科学的遺産

セリウムの発見は、希土類元素系列全体の理解への道を開きました。セリウムの研究のために開発された分析技術は、15種類すべてのランタノイド元素を分離し、特徴づけるための基礎となりました。

用途

セリウムの用途

高度な産業用途

セリウムは最も存在度の高い希土類元素であり、ランタノイド系列の主力元素です。Ce³⁺とCe⁴⁺の酸化数を容易に切り替えられる独自の能力により、数え切れないほど多くの用途で非常に重要です。

自動車分野の革新

現代の自動車に搭載される触媒コンバーターには酸化セリウム(セリア)が含まれており、有毒な一酸化炭素や窒素酸化物を無害な気体へ変換します。セリウムの酸素貯蔵能力は、車両の排出ガスを最大95%削減するうえで重要な役割を果たします。

ガラス・セラミックス産業

二酸化セリウムは万能ガラス研磨剤です。スマートフォンの画面から望遠鏡の鏡まで、酸化セリウムは実現可能な最高水準の研磨を提供します。また、次の用途にも使われます。

  • 鉄不純物を中和するガラスの脱色
  • サングラスや窓の紫外線保護
  • 建物用のセルフクリーニングガラスコーティング
  • 電気通信向けの光ファイバー製造

火工品・照明

炭素アークランプのまばゆい白色光は炭化セリウムから生じます。映画館、サーチライト、スタジオ照明はいずれも、太陽のように強い光を得るためにセリウムを利用しています。

原子力技術

セリウムの中性子吸収性は、次の用途で価値があります。

  • 核燃料の処理
  • 原子炉制御システム
  • 放射線遮蔽材料
  • 放射性廃棄物の処理

化学処理

強力な酸素貯蔵材料として、酸化セリウムは次の用途に使われます。

  • 水素製造のための水性ガスシフト反応
  • 自動車用途の三元触媒
  • 燃料電池技術
  • 化学合成プロセス

日常的な用途

電子機器・ディスプレイ

  • スマートフォン画面の研磨(主要メーカー各社)
  • コンピューターモニター用ガラスの研磨
  • テレビ画面の製造
  • LED用蛍光体材料
  • 光ファイバーの製造

自動車産業

  • 触媒コンバーター(排出ガス制御)
  • フロントガラスの研磨
  • よりクリーンな燃焼のための燃料添加剤
  • ディーゼルエンジン用粒子フィルター

家庭用品

  • セルフクリーニングオーブンのコーティング
  • 紫外線を遮断する窓ガラス
  • キャンプ用ランタンのガスマントル
  • セラミック調理器具の釉薬

医療・歯科

  • 歯科用磁器の着色剤
  • 医療機器の研磨
  • 放射線治療装置
  • 手術器具のコーティング

工具・製造

  • 精密光学部品の研磨
  • ガラス切断工具
  • 溶接電極のコーティング
  • 高温セラミックス

市場への影響

セリウムの世界需要は年間およそ60,000トンであり、商業的に最も重要な希土類元素です。ガラス研磨だけで、世界のセリウム消費量の40%以上を占めています。

起源

自然界での存在

地殻に66.5 mg/kg存在し、79%の元素より存在度が高い

自然界での分布

セリウムは最も存在度の高い希土類元素であり、地殻中で25番目に存在度の高い元素です。銅、鉛、亜鉛よりも多く存在します。

存在度の統計

  • 地殻:68 ppm
  • 順位:存在度が25番目に高い元素
  • 海水:1.5 × 10⁻⁶ ppm
  • 相対的な存在度:すべての希土類元素の50%

主な鉱物資源

バストネサイト

化学式:(Ce,La,Pr,Nd)CO₃F
Ce含有率:45-50%
主な鉱床:マウンテンパス(カリフォルニア)、バヤンオボ(中国)

モナザイト

化学式:(Ce,La,Nd,Th)PO₄
Ce含有率:40-50%
主な鉱床:インド、オーストラリア、ブラジル、マレーシア

アランダイト

化学式:(Ce,Ca,Y)₂(Al,Fe)₃(SiO₄)₃(OH)
Ce含有率:5-20%
産地:世界各地のペグマタイト

世界の生産拠点

  • 中国:世界生産量の85%(内モンゴル、四川)
  • アメリカ合衆国:マウンテンパス鉱山(Molycorpによる操業)
  • インド:ケーララ州とタミル・ナードゥ州の海浜砂採掘
  • オーストラリア:マウント・ウェルド・プロジェクト(Lynas Corporation)
  • ブラジル:アラシャおよびカタラン複合鉱床
  • ロシア:コラ半島の鉱床

地質学的形成

セリウムは、深部マントルを起源として形成されたアルカリ火成岩複合体やカーボナタイトに濃集します。セリウムはイオン半径が似ているため、多くの鉱物中でカルシウムを置換し、火成岩や変成岩に広く分布しています。

二次資源

  • 電子廃棄物のリサイクル(蛍光体、磁石)
  • 自動車産業からの触媒のリサイクル
  • ガラス研磨廃棄物の回収
  • 鉱山廃石の再処理

取り扱い

安全性

安全性情報

低〜中程度の危険性

セリウム金属と大部分の化合物は、適切に取り扱えば比較的安全と考えられています。ただし、一部のセリウム化合物には特別な予防措置が必要です。

火災・爆発の危険性

セリウム金属:細かく分割すると自然発火性があり、空気中で自然に発火することがあります。

  • 不活性雰囲気(アルゴンまたは窒素)中で保管してください
  • 研磨したり、微細な粒子を発生させたりしないでください
  • D級火災用消火器(乾燥砂または特殊粉末)が必要です
  • セリウム火災には決して水を使用しないでください。激しい反応を起こすことがあります

呼吸器への影響

  • セリウム粉じん:呼吸器を刺激することがあります
  • 吸入リスク:長期間のばく露により塵肺を起こす可能性があります
  • 保護:粉末を扱う際はNIOSH承認の呼吸用保護具を使用してください

接触による危険性

  • 眼への接触:セリウム化合物は強い刺激を引き起こすことがあります
  • 皮膚への接触:通常は刺激性がありませんが、長時間の接触は避けてください
  • 個人用保護具:保護メガネとニトリル手袋の着用を推奨します

緊急時の対応

金属火災

D級火災用消火器を使用してください。区域から避難し、消防署へ通報してください。水は使用しないでください。

吸入

直ちに新鮮な空気の場所へ移動してください。呼吸困難が続く場合は、医師の診察を受けてください。

眼への接触

まぶたを開いたまま15分間、水で洗い流してください。医師の診察を受けてください。

皮膚への接触

石けんと水で洗ってください。汚染された衣服を脱いでください。

保管と取扱い

  • 金属:密閉容器に入れ、不活性ガス中で保管してください
  • 化合物:酸から離れた、涼しく乾燥した場所で保管してください
  • 分離:強力な酸化剤や水から離してください
  • 表示:すべての容器に内容物と危険性を明確に表示してください

特別な注意事項

硝酸セリウム:強力な酸化剤であり、有機物と接触すると火災を起こすことがあります。特別な保管および取扱い手順が必要です。

簡単な回答

セリウム:よくある質問

セリウムとは何ですか?

セリウム(記号Ce)は周期表の元素58で、6周期のランタノイドです。 最も豊富な希土類元素で、地殻中では銅よりも一般的です。 室温では固体です。

セリウムの電子配置はどのようなものですか?

セリウムの基底状態の電子配置は[Xe] 4f¹ 5d¹ 6s²で、2, 8, 18, 19, 9, 2という分布の電子殻が6個あります。

セリウムの融点と沸点は何ですか?

セリウムの融点は1068 K(794.9 °C)、沸点は3716 K(3442.9 °C)です。

セリウムの原子量は何ですか?

セリウムの標準原子量は140.116 uです。これは天然に存在する同位体の加重平均であるため、整数になることはほとんどありません。

セリウムの密度はどのくらいですか?

セリウムの密度は6.77 g/cm³です。水は1.0 g/cm³なので、セリウムの塊は約6.8倍重いです。

セリウムの電気陰性度はどのくらいですか?

セリウムのポーリング電気陰性度は1.12です。この尺度は、電子を最も引きつけにくいフランシウムの0.70から、最も引きつけやすいフッ素の3.98までです。 このように低い値は、最外殻の電子を容易に放出して陽イオンを形成することを意味します。

セリウムを発見したのは誰で、いつですか?

セリウムは1803年にBerzelius, Hisinger & Klaprothによって発見されました。 準惑星Ceresにちなんで名付けられました。

地球上でセリウムはどのくらい一般的ですか?

地球の地殻におけるセリウムの割合は約66.5 mg/kgで、珍しいものの希少ではありません。