更新时间:2024-08-27 19:41

铈,原子序数为58,属于稀土元素,第六周期系第ΙΙΙ B族镧系元素,元素符号为Ce,单质为银灰色的活泼金属,粉末在空气中易自燃,易溶于还原剂

研究简史

1752年瑞典化学家克龙斯泰德发现一种新的矿石。西班牙矿物学家唐·福斯图·德埃尔乌耶分析后认为它是钙和铁的硅酸盐。

1803年德国化学家克拉普罗特分析了该矿石,确定有一种新的金属氧化物存在,称它为ochra(赭色土),矿石称为赭色矿(ochroite),因为它在受灼烧时出现赭色。

同时瑞典化学家贝采利乌斯(J-öns Jakob Berzelius,1779-1848)和瑞典矿物学家希辛格(Wilhelm Hisinger,1766-1852)也在分析瑞典产的Tungsten矿(“重石”之意)时发现了同一新元素氧化物,不同于钇土。钇土溶于碳酸铵溶液,在煤气灯焰上灼烧时呈现红色,而这种土不溶于碳酸铵溶液,在煤气灯焰上灼烧没有呈现特征焰色。于是称它为ceria(铈土),元素命名为cerium(铈),元素符号定为Ce,矿石称为铈硅石(cerite),以纪念当时发现的一颗小行星谷神星。其实这种铈硅石是一种水合酸盐,含铈66%~70%,其余是钙、铁和钇的化合物。

在稀土这个元素大家族中,铈是当之无愧的“老大哥”。其一,稀土在地壳中总的丰度为238ppm,其中铈为68ppm,占稀土总配分的28%,居第一位;其二,铈是在发现钇(1794年)9年之后,被发现的第二个稀土元素。

理化性质

物理性质

灰色活泼的金属,密度:6.9g/cm3(正方晶体),6.7g/cm3(六方晶体),熔点:795℃,沸点:3443℃,有展性。是镧系金属中自然丰度最高的一种。弯折铈条时常迸溅出火星。

化学性质

金属铈在空气中会慢慢失去光泽。铈可以在空气中迅速燃烧,生成氧化铈(Ⅳ)(CeO2)。

银白色的金属铈的电负性相当低,能与冷水发生反应,并与热水迅速反应,生成氢氧化铈和氢气。

金属铈可以与所有的卤素单质发生反应生成三卤化物。金属铈可与氟气(F2)、氯气(Cl2)、溴单质(Br2)、碘单质(I2)反应,生成氟化铈(Ⅲ)(CeF3)、氯化铈(Ⅲ)(CeCl3)、溴化铈(Ⅲ)(CeBr3)和碘化铈(Ⅲ)(CeI3)。

金属铈可以迅速溶于硫酸中,生成含有水合Ce(Ⅲ)离子的无色溶液和氢气(H2)。

主要用途

1、用作还原剂、催化剂。

2、用作合金添加剂,及用于生产铈盐等,也用于医药、制革、玻璃、纺织等工业。

3、铈可作催化剂、电弧电极、特种玻璃等。铈的合金耐高热,可以用来制造喷气推进器零件。

环保材料

铈还被用作优良的环保材料,最有代表性的应用是汽车尾气净化催化剂。在普遍使用的贵金属(铂、铑、钯等)三元催化剂中加入铈,可以提高催化剂性能并减少贵金属用量,汽车尾气主要污染物为一氧化碳、碳氢化合物和氮氧化合物,他们会影响人体造血机能,形成光化学有毒烟雾并产生致癌物,对人、动物和植物都会造成损害。三元净化催化技术可以使碳氢化合物和一氧化碳充分氧化生成二氧化碳和水,使氮氧化物分解成氮气和氧气(故名三元催化)。铂、铑、钯等贵金属是尾气净化的优良催化材料。但价格昂贵且对发动机和汽油均有较高要求,限制了它们的广泛应用。在催化剂中加入铈可明显减少贵金属用量并改善催化性能,使催化器的价格大幅下降。在美国,汽车尾气净化催化剂已成为消费稀土的第一大用户。氧化铈还能与纳米氧化钛制成光催化剂,用于抗菌陶瓷和富氧离子环保涂料等。

有害金属替代

硫化铈可以取代铅、镉等对环境和人类有害的金属用作塑料红色着色剂,也可用于涂料、油墨和纸张等行业。法国罗地亚公司掌握领先技术。富铈轻稀土环烷酸盐等有机化合物还被用于油漆催干剂、PVC塑料稳定剂和MC尼龙改性剂等方面,既可以取代铅盐等毒性大的物质,又可以减少钻盐等昂贵材料。

特殊功能材料

铈还被用来制造许多特殊功能材料,如荧光级氧化铈用于制造灯用三基色荧光粉的绿粉;美国研制的CeLiSAF激光系统固体激光器,通过监测色氨酸浓度可用于探查生物武器,还可用于医学。用金属铈可以制造铈钻铜铁永磁材料;铈鸽电极可以代替有放射性的钍鸽电极等。

植物生长调节剂

以铈为主的轻稀土作为植物生长调节剂可以改善农作物品质,增加产量并提高作物的抗逆性。用作饲料添加剂,可以提高禽类的产蛋率和鱼虾养殖的成活率,还能改善长毛羊的羊毛质量。铈属低毒性物质,美国一本稀土专著称,对老鼠进行的喂食实验表明,富含铈的轻稀土氧化物的口服毒性与口服食盐相当。至今在稀土富矿地区也尚未发现因稀土引起的地方病。我国科学家通过大量的实验研究认为,稀土农用不会产生环境污染,不会对人和动物的生存产生危害。

分布情况

铈主要存在于磷铈镧矿氟碳铈矿中,也存在于铀、钍、钚的裂变产物中。世界铈资源主要集中在中国和北欧。中国资源在世界具有独占性优势;挪威瑞典也是稀土元素矿物比较丰富的国家;另外,美国、俄罗斯、印度等国家也保有一定资源储量。以氟碳铈为主的铈矿主产地有美国芒廷帕斯矿山、中国四川冕宁、山东微山等;以磷铈镧为主的铈矿主要产地有澳大利亚维尔德山、东西海岸海滨砂矿等;以磷灰石为主的矿主要产于印度西南海岸海滨沙、中国广东南山海海滨沙等;以铈铌钙钛矿为主的铈矿有俄罗斯托姆托尔碳酸岩风化壳稀土矿床等。

安全措施

环境危害

金属铈的粉末有引起火灾和爆炸的危险。

健康危害

虽然早先的证据表明铈的毒性似乎有限,但是铈的所有化合物都有剧毒。

储存运输

储存于阴凉、通风的库房。远离火种、热源。库温不宜超过30℃。包装要求密封,不可与空气接触。应与氧化剂、酸类、卤素、食用化学品分开存放,切忌混储。采用防爆型照明、通风设施。禁止使用易产生火花的机械设备和工具。储区应备有泄漏应急处理设备。

保护措施

2024年6月,公布《稀土管理条例》,自2024年10月1日起施行。

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