Cerium

24 mei 202130 mei 2021 Chemiepedia

Inhoudsopgave

Wat is Cerium?

Cerium heeft atoomnummer 58 en symbool Ce. Het is een zilverwit metaal dat is vernoemd naar de dwergplaneet Ceres. Deze dwergplaneet werd twee jaar eerder ontdekt. Ongeveer 0,0046% (m/m) van de korst van de Aarde bestaat uit Cerium. Het is hiermee het meest voorkomende zeldzame aardmetaal op Aarde.
Cerium komt voor in mineralen als monaziet en bastnasiet. Monaziet is een roodbruin fosfaatmineraal dat meestal wordt aangetroffen als kleine en zeldzame kristallen. Uit dit mineraal kunnen o.a. lanthaan, silicium, thorium en helium worden gewonnen. Dat laatste element kan door middel van verhitting uit het mineraal worden verdreven.

Gegevens

Tabel 1 – gegevens van Cerium
Symbool	Ce
Volledige naam	Cerium
Atoomnummer	58
Atoommassa (g.mol^-1 )	140,12
Groep	lanthaniden
Elektronegativiteit (Pauling)	1,1
Dichtheid (g.cm^-3 bij 20°C)	6,76
Smeltpunt (°C)	799
Kookpun (°C)	3426
Vanderwaalstraal (nm)	0,181
Ionstraal (nm)	0,102 (+3); 0,087 (+4)
Isotopen	4
Elektronenconfiguratie	[Xe]4f¹5d¹6s²
Eerste ionisatiepotentiaal (kJ.mol^-1 )	526,8
Tweede ionisatiepotentiaal (kJ.mol^-1 )	1045
Derder ionisatiepotentiaal (kJ.mol^-1 )	1945,6
Vierde ionisatiepotentiaal (kJ.mol^-1 )	3537
Standaard potentiaal (V)	-2,48 (Ce³⁺/Ce)
Ontdekt door	Klaproth, Berzelius en Hisinger in 1803

Bastnasiet is een carbonaatfluoride mineraal dat in 1838 werd ontdekt. Het werd door het eerst gevonden in Riddarhyttan, Vastermanland in Zweden. Er komen ook grote afzettingen voor in het Zagi-gebergte in Pakistan. Bastnasiet wordt gevonden in alkalisch graniet en syeniet. Monaziet, een fosfaathoudend mineraal, en bastnasiet zijn de belangrijkste bronnen van zeldzame aardmetalen zoals cerium. De formule van het mineraal bestaat uit yttrium, lanthaan en cerium. Bastnasiet wordt officieel in drie mineralen onderverdeeld.

Cerium is een metaal dat lijkt op ijzer maar het is zacht en buigzaam. Het heeft een extreem groot vloeibaar bereik, dit betekent dat cerium over een groot temperatuurgebied vloeibaar blijft. Alleen de elementen neptunium en thorium hebben een groter vloeibaar bereik dan cerium.

Cerium is gekend door zijn variabele elektronenstructuur die resulteert in duale valenties. Dit betekent dat het volume sterk verandert als het element onder hoge druk wordt gezet of als de temperatuur sterk wordt verlaagd.

Het element werd in 1803 in Zweden ontdekt door Wilhelm Hisinger en Jöns Jakob Berzelius. In hetzelfde jaar werd het onafhankelijk ook in Duitsland ontdekt. Toen het werd ontdekt was het niet mogelijk om het te isoleren. Men had er de techniek nog niet voor en cerium is veel te elektropositief. Met de opkomst van de elektrochemie werd het element uiteindelijk geïsoleerd. Echter het bevatte minder dan de helft van wat we tegenwoordig als cerium kennen. Het duurde tot het eind van de jaren 1830 voordat men zuiver cerium kon maken. Het was de chemicus Carl Gustaf Mosander die de twee elementen lanthana en didymia, de andere twee componenten van cerium, te verwijderen.

Cerium wordt geproduceerd door mineralen fijn te vermalen en te behandelen met geconcentreerd zwavelzuur. Op deze manier ontstaan er wateroplosbare sulfaten. De zuurdeeltjes worden gedeeltelijk geneutraliseerd, cerium wordt van de oplossing verwijderd, en daarna wordt de oplossing behandeld om de zeldzame aardmetalen om te zetten naar hun onoplosbare oxalaten. Ze worden omgezet in oxides en opgelost in salpeterzuur. Op deze manier kan de hoofdcomponent, cerium, geïsoleerd worden.

Bohr-Rutherford diagram

*elektronenschilconfiguratie van 58 Cerium*

By Pumbaa (original work by Greg Robson) – (generated by script), CC BY-SA 2.0 uk,

Isotopen

Tabel 2 – natuurlijke isotopen en abundanties
Nummer	Naam	Symbool	Atoommassa (u)	Abundantie (%)
58	Cerium	¹³⁶ Ce	135,907144	0,185
		¹³⁸ Ce	137,905986	0,251
		¹⁴⁰ Ce	139,905434	88,450
		¹⁴² Ce	141,909240	11,114

Radioisotopen

Tabel 3 – radioisotopen element cerium
Nuclide	Isotopische massa (u)	Halfwaardetijd
¹¹⁹Ce	118,95276	200 ms
¹²⁰Ce	119,94664	250 ms
¹²¹Ce	120,94342	1,1 s
¹²²Ce	121,93791	2 s
¹²³Ce	122,93540	3,8 s
¹²⁴Ce	123,93041	9,1 s
¹²⁵Ce	124,92844	9,3 s
¹²⁶Ce	125,92397	51,0 s
¹²⁷Ce	126,92273	29 s
¹²⁸Ce	127,91891	3,93 min
¹²⁹Ce	128,91810	3,5 min
¹³⁰Ce	129,91474	22,9 min
¹³¹Ce	130,91442	10,2 min
¹³²Ce	131,91146	3,51 uur
¹³³Ce	132,91151	97 min
¹³⁴Ce	133,90892	3,16 dagen
¹³⁵Ce	134,90915	17,7 uur
¹³⁷Ce	136,90780	9,0 uur
¹³⁹Ce	138,90665	137,641 dagen
¹⁴¹Ce	140,90827	32,508 dagen
¹⁴³Ce	142,91238	33,039 uur
¹⁴⁴Ce	143,91364	284,91 dagen
¹⁴⁵Ce	144,91723	3,01 min
¹⁴⁶Ce	145,91876	13,52 min
¹⁴⁷Ce	146,92267	56,4 s
¹⁴⁸Ce	147,92443	56 s
¹⁴⁹Ce	148,92840	5,3 s
¹⁵⁰Ce	149,93041	4,0 s
¹⁵¹Ce	150,93398	1,02 s
¹⁵²Ce	151,93654	1,4 s
¹⁵³Ce	152,94058	500 ms
¹⁵⁴Ce	153,94342	300 ms
¹⁵⁵Ce	154,94804	200 ms
¹⁵⁶Ce	155,95126	150 ms
¹⁵⁷Ce	156,95634	50 ms

Commerciële toepassingen

Cerium wordt toegepast als katalysator om de emissie van koolmonoxide in uitlaatgassen van auto’s en andere voortuigen af te vangen. Ceriumoxide wordt aan diesel toegevoegd met hetzelfde doel. Ook wordt cerium toegevoegd aan emaille en glas om zo de kleur te veranderen.

Cerium wordt ook gebruikt on polijstmiddelen, fluorescerende lampen schermen.
Ceriumsulfaat wordt in chemische analyses gebruikt. Andere verbindingen van cerium worden gebruikt om de kleur van glas te verwijderen en om sommige types glas te produceren.