58 Ce 140.116
镧系元素 f-block Period 6

Ce · Element 58

The most abundant rare earth, more common in the crust than copper.

20°C时的状态 固态
原子量 140.116 u
ELECTRON CONFIGURATION [Xe] 4f¹ 5d¹ 6s²

结构

铈 原子

这不是环上点阵的示意图,而是对每个已占据子层实际概率密度|ψ|²进行蒙特卡洛采样的结果。拖动即可旋转。蓝色和紫色表示波函数的相反符号,这正是成键成为可能的原因。

轨道云

测量值

性质表

每个条形图都显示铈在全部118种元素中该性质的排名位置。

物理

密度 6.77 g/cm³ 38%
熔点 1068 K 45%
沸点 3716 K 79%
比热容 0.192 J/g·K
热导率 11.1 W/m·K 30%

原子

原子半径 182 pm 70%
共价半径 204 pm
范德华半径 235 pm

电子

电负性 1.12 13%
电离能 534.5 kJ/mol 12%
电子亲和能 57.9 kJ/mol 49%

存在

地壳中的丰度 66.5 mg/kg 79%

身份

符号Ce
原子序数58
原子量140.116 u
类别镧系元素
f
晶体结构面心立方
氧化态+3, +4
发现时间1803
发现者Berzelius, Hisinger & Klaproth

来源:IUPAC 2021 标准原子量 ·《CRC 化学与物理手册》· NIST。标有 ~ 的数值是预测值,而非测量值。

按比例显示的大小

How big is a 铈 atom?

Radius 182 pm — that is 0.182 nm, so about 2747 million of them side by side would span a millimetre.

热范围

Solid, liquid, gas — and when

铈 is liquid over a 2648 K window, from 1068 K to 3716 K.

所在位置

在表中的位置

sits in the lanthanide series, printed below the main grid.

OTHER 镧系元素

All 镧系元素

故事

铈 是什么,以及我们如何发现它

The most abundant rare earth, more common in the crust than copper.

The discovery of 铈

发现历程

1803年——德国方面的发现

Martin Heinrich Klaproth是一位因发现铀和锆而闻名的德国化学家,他最先鉴定出铈。他独立开展研究,从一份由Sweden寄来的矿物样品中分离出了氧化铈。

1803年——瑞典方面的发现

与此同时,瑞典化学家Jöns Jakob BerzeliusWilhelm Hisinger在分析同一种矿物时也发现了铈——这种矿物后来被命名为cerite,以纪念矮行星Ceres。

天文学联系

该元素以Ceres命名。Ceres是由Giuseppe Piazzi于1801年发现的矮行星,比铈的发现早两年。这使铈成为第一个以天体命名的元素!

发现竞赛

德国和瑞典化学家同时发现铈,形成了化学史上最早的优先权争议之一。不过,双方都大方地分享了荣誉,为国际科学合作树立了先例。

“这种新土的性质十分独特,不可能与此前已知的任何物质混淆。”

— Berzelius and Hisinger,1803

早期研究挑战

早期研究人员难以处理铈的多种氧化态。铈似乎会不可预测地改变性质,导致人们困惑于样品中是否存在多种元素。直到现代分离技术发展起来,人们才了解铈的真实性质。

关键突破

当科学家意识到铈能够以Ce³⁺和Ce⁴⁺离子的形式存在时,研究取得了突破,这一点不同于其他稀土元素。这种最初令人困惑的独特性质,后来成为铈在现代应用中的最大优势。

科学遗产

铈的发现为理解整个稀土元素系列打开了大门。为研究铈而开发的分析技术,为分离和表征全部15种镧系元素奠定了基础。

应用

铈的用途

先进工业应用

铈是丰度最高的稀土元素,也是镧系元素中的主力元素。它能够在Ce³⁺和Ce⁴⁺氧化态之间轻易转换,这一独特能力使其在无数应用中具有不可替代的价值。

汽车行业革命

每辆现代汽车中的催化转化器都含有氧化铈(二氧化铈),有助于将有毒的一氧化碳和氮氧化物转化为无害气体。铈的储氧能力使其成为将车辆排放量减少最多95%的关键成分。

玻璃与陶瓷行业

二氧化铈是通用玻璃抛光剂。从智能手机屏幕到望远镜镜面,氧化铈都能提供可实现的最精细抛光效果。它还用于:

  • 通过中和铁杂质使玻璃脱色
  • 太阳镜和窗户中的紫外线防护
  • 建筑物的自清洁玻璃涂层
  • 电信领域的光纤制造

烟火与照明

碳弧灯发出的明亮白光来自碳化铈。电影院、探照灯和摄影棚照明都依靠铈产生强烈的类太阳光照明。

核技术

铈的中子吸收性质使其在以下领域具有价值:

  • 核燃料处理
  • 反应堆控制系统
  • 辐射屏蔽材料
  • 核废物处理

化学加工

作为一种强效的储氧材料,氧化铈用于:

  • 制氢过程中的水煤气变换反应
  • 汽车应用中的三效催化剂
  • 燃料电池技术
  • 化学合成过程

日常应用

电子产品与显示器

  • 智能手机屏幕抛光(所有主要制造商)
  • 电脑显示器玻璃抛光
  • 电视屏幕制造
  • LED荧光粉材料
  • 光纤生产

汽车行业

  • 催化转化器(排放控制)
  • 挡风玻璃抛光
  • 促进清洁燃烧的燃料添加剂
  • 柴油发动机颗粒过滤器

家居用品

  • 自清洁烤箱涂层
  • 阻挡紫外线的窗玻璃
  • 露营灯的燃气灯罩
  • 陶瓷炊具釉料

医疗与牙科

  • 牙科瓷颜色剂
  • 医疗器械抛光
  • 放射治疗设备
  • 手术器械涂层

工具与制造

  • 精密光学元件抛光
  • 玻璃切割工具
  • 焊接电极涂层
  • 高温陶瓷

市场影响

全球对铈的需求量约为每年60,000吨,使其成为商业上最重要的稀土元素。仅玻璃抛光一项就占全球铈消费量的40%以上。

来源

自然存在

66.5 mg/kg of Earth's crust · more abundant than 79% of elements

自然分布

铈是丰度最高的稀土元素,也是地壳中丰度第25高的元素——比铜、铅或锌更常见!

丰度统计

  • 地壳:68 parts per million(ppm)
  • 排名:丰度第25高的元素
  • 海水:1.5 × 10⁻⁶ ppm
  • 相对丰度:占所有稀土元素的50%

主要矿物来源

Bastnäsite

化学式:(Ce,La,Pr,Nd)CO₃F
Ce含量:45-50%
主要矿床:Mountain Pass(California)、Bayan Obo(China)

Monazite

化学式:(Ce,La,Nd,Th)PO₄
Ce含量:40-50%
主要矿床:India、Australia、Brazil、Malaysia

Allanite

化学式:(Ce,Ca,Y)₂(Al,Fe)₃(SiO₄)₃(OH)
Ce含量:5-20%
分布:全球伟晶岩

全球生产中心

  • China:占全球产量85%(Inner Mongolia、Sichuan)
  • United States:Mountain Pass矿(Molycorp operation)
  • India:Kerala和Tamil Nadu的海滩砂矿开采
  • Australia:Mount Weld项目(Lynas Corporation)
  • Brazil:Araxa和Catalao联合体
  • Russia:Kola Peninsula矿床

地质形成

铈集中于由深部地幔来源形成的碱性火成岩杂岩碳酸岩中。由于离子半径相近,该元素会在许多矿物中替代钙,因此广泛分布于火成岩和变质岩中。

次生来源

  • 电子废物回收(荧光粉、磁体)
  • 汽车行业的催化剂回收
  • 玻璃抛光废料回收
  • 矿山尾矿再处理

处理

安全

安全信息

低至中等危险等级

在适当操作下,铈金属和大多数化合物被认为相对安全。但是,某些铈化合物需要采取特殊预防措施。

火灾和爆炸危险

铈金属:细分散时具有自燃性——可在空气中自行点燃!

  • 储存在惰性气氛(氩或氮)中
  • 避免研磨或产生细颗粒
  • 必须配备D类灭火器(干砂或专用粉末)
  • 铈着火时绝不能用水——可能引发剧烈反应

呼吸系统注意事项

  • 铈粉尘:可能引起呼吸道刺激
  • 吸入风险:长期接触可能导致尘肺
  • 防护:处理粉末时使用NIOSH批准的呼吸器

接触危险

  • 眼睛接触:铈化合物可能引起严重刺激
  • 皮肤接触:通常不会引起刺激,但应避免长时间接触
  • 个人防护装备:建议佩戴安全眼镜和丁腈手套

应急处理

金属火灾

使用D类灭火器。疏散该区域并呼叫消防部门。不要用水!

吸入

立即转移到空气新鲜处。如果呼吸问题持续,请就医。

眼睛接触

撑开眼睑,用水冲洗15分钟。请就医。

皮肤接触

用肥皂和水清洗。脱去受污染的衣物。

储存与操作

  • 金属:在密封容器中用惰性气体储存
  • 化合物:远离酸类,置于阴凉、干燥处储存
  • 隔离:远离强氧化剂和水
  • 标签:在所有容器上清楚标明内容物和危险性

特殊注意事项

硝酸铈:强氧化剂——接触有机材料时可能引起火灾。需要特殊的储存和操作程序。

快速回答

铈:常见问题

What is 铈?

铈 (symbol Ce) is element 58 on the periodic table, a 镧系元素 in period 6. The most abundant rare earth, more common in the crust than copper. At room temperature it is a solid.

What is the electron configuration of 铈?

铈's ground-state electron configuration is [Xe] 4f¹ 5d¹ 6s², giving 6 occupied shells holding 2, 8, 18, 19, 9, 2 electrons respectively.

What are the melting and boiling points of 铈?

铈 melts at 1068 K (794.9 °C) and boils at 3716 K (3442.9 °C).

What is the atomic mass of 铈?

The standard atomic weight of 铈 is 140.116 u. That is a weighted average across its naturally occurring isotopes, which is why it is rarely a whole number.

How dense is 铈?

铈 has a density of 6.77 g/cm³. Water is 1.0 g/cm³, so a block of 铈 is about 6.8× heavier.

What is the electronegativity of 铈?

铈 has a Pauling electronegativity of 1.12. The scale runs from 0.70 (francium, the least greedy for electrons) to 3.98 (fluorine, the most). A value this low means it readily gives its outer electrons away, forming positive ions.

Who discovered 铈, and when?

铈 was discovered in 1803 by Berzelius, Hisinger & Klaproth. It is named after the dwarf planet Ceres.

How common is 铈 on Earth?

铈 makes up about 66.5 mg/kg of the Earth's crust — uncommon, but not rare.