铈是什么?
铈(符号Ce)是元素周期表中的第58号元素,属于6周期的镧系元素。 含量最丰富的稀土元素,在地壳中的含量比铜还多。 在室温下为固态。
结构
这不是环上点阵图,而是对每个已占据亚层的实际概率密度|ψ|²进行蒙特卡洛采样。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。
测量值
每个条形图显示铈在全部118种元素中该属性所处的位置。
来源:IUPAC 2021标准原子量、CRC《化学与物理手册》、NIST。标有~的数值为预测值,而非测量值。
尺寸,按比例显示
半径182 pm——即0.182 nm,因此大约2.75百万个这样的原子并排起来才有一毫米长。
温度范围
铈在2648 K的范围内呈液态,温度从1068 K到3716 K。
背后的故事
含量最丰富的稀土元素,在地壳中的含量比铜还多。
以发现铀和锆而闻名的德国化学家Martin Heinrich Klaproth是第一个确认铈的人。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。
与此同时,瑞典化学家Jöns Jakob Berzelius和Wilhelm 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铈硅石,以纪念矮行星Ceres。
该元素以Ceres命名。这颗矮行星由Giuseppe Piazzi于1801年发现,比铈的发现早两年。这使铈成为第一个以天体命名的元素!
德国和瑞典化学家同时发现铈,引发了化学史上最早的优先权争议之一。然而,双方都大方地分享了荣誉,为国际科学合作树立了先例。
“这种新土具有如此独特的性质,不能与迄今已知的任何物质混为一谈。”
— Berzelius和Hisinger,1803年
早期研究人员难以解释铈的多种氧化态。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,人们才了解铈的真正性质。
当科学家认识到铈可以像Ce³⁺和Ce⁴⁺离子一样存在时,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。
铈的发现为理解整个稀土系列打开了大门。为研究铈而发展出的分析技术,为分离和表征全部15种镧系元素奠定了基础。
用途
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不可或缺。
每辆现代汽车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减少车辆排放量达95%的关键成分。
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:
碳弧灯中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。
铈的中子吸收性质使其在以下领域具有重要价值:
作为一种强效的储氧材料,氧化铈用于:
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
地壳中含量为66.5 mg/kg · 比79%的元素更丰富
铈是丰度最高的稀土元素,也是地壳中丰度排名第25的元素——比铜、铅或锌更常见!
化学式:(Ce,La,Pr,Nd)CO₃F
Ce含量:45-50%
主要矿床:Mountain Pass(California)、Bayan Obo(China)
化学式:(Ce,La,Nd,Th)PO₄
Ce含量:40-50%
主要矿床:India、Australia、Brazil、Malaysia
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
铈富集于由深部地幔源形成的碱性火成岩杂岩和碳酸岩中。由于离子半径相近,铈会取代许多矿物中的钙,因此广泛分布于火成岩和变质岩中。
处理
在适当操作的情况下,铈金属及其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。
铈金属:细分散时具有自燃性——可在空气中自发点燃!
使用D类灭火器。疏散现场并呼叫消防部门。不要用水!
立即转移到空气新鲜处。如果呼吸问题持续存在,请就医。
撑开眼睑,用水冲洗15分钟。请就医。
用肥皂和水清洗。脱去受污染的衣物。
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。
快速解答
铈(符号Ce)是元素周期表中的第58号元素,属于6周期的镧系元素。 含量最丰富的稀土元素,在地壳中的含量比铜还多。 在室温下为固态。
[Xe] 4f¹ 5d¹ 6s²,共有6个已占据的电子层,电子分布为2, 8, 18, 19, 9, 2。铈在1068 K(794.9 °C)熔化,在3716 K(3442.9 °C)沸腾。
铈的标准原子量为140.116 u。这是其自然存在的同位素的加权平均值,因此通常不是整数。
铈的密度为6.77 g/cm³。水的密度为1.0 g/cm³,因此铈块约重6.8倍。
铈的鲍林电负性为1.12。该标度范围为0.70(钫,吸引电子能力最弱)至3.98(氟,吸引电子能力最强)。 如此低的数值意味着,它很容易失去最外层电子,形成正离子。
铈由Berzelius, Hisinger & Klaproth于1803年发现。 它以矮行星 Ceres命名。
铈约占地壳的66.5 mg/kg——不常见,但并不稀有。