稀土——铈

        铈，原子序数58，原子量140.115，元素名来源于小行星谷神星的英文名。1803年德国化学家克拉普罗特、瑞典化学家贝采利乌斯分别发现了铈的氧化物。铈的天然稳定同位素有4种：铈136、138、140、142。铈在地壳中的含量约0.0046%，是稀土元素中丰度最高的。

　　发现人：克拉普罗特（M.H.Klaproth）与贝齐利乌斯（J.J.Bergelius）、息辛格（W.Hisinger）

　　发现过程：1803年，克拉普罗特（M.H.Klaproth）与贝齐利乌斯（J.J.Bergelius）、息辛格（W.Hisinger）分别发现。铈是从另一块出产在瑞典小城瓦斯特拉斯的红色重石中发

　　现的。1803年德国化学家克拉普罗特分析了这种红色重石，确定了有一种新元素的氧化物存在，称为ochra（赭色）土，因为它在灼烧时出现赭色。元素就被命名为ochroium，矿石被称为ochroite。同时瑞典化学家贝齐里乌斯和希辛格在该矿石中也发现了同一元素的氧化物，称为ceria（铈土），元素称为cerium（铈），元素符号定为Ce，矿石称为cerite，以纪念当时发现的一颗小行星谷神星Ceres。Ochroium和cerium是同一元素，后者被采用了，前者被丢弃了。 钇和铈的氧化物以及其他稀土元素氧化物和土族元素的氧化物一样很难还原。直到1875年希尔布郎德利用电解熔融的铈的氧化物，获得金属铈。这是今天取得稀土元素金属的一种普遍的方法。它们的发现不仅仅是发现了它们的本身，而且带来了其他稀土元素的发现。其他稀土元素的发现是从这两个元素的发现开始的。

　　钇和铈的发现仅仅是打开了发现稀土元素的第一道大门，是发现稀土元素的第一阶段。

基本介绍

汉字介绍

　　铈

　　shì

　　一种金属元素，是优良的还原剂，可用来制合金。

　　Cecerium

　　笔画数：10；

　　部首：钅；

  

铈

　　熔点为 799 ℃,沸点为3 426 ℃，密度为8.240 g/cm3(α）(25 ℃)。灰色活泼的金属，是镧系金属中自然丰度最高的一种，性质活泼。在空气中失去光泽，加热时燃烧，与水迅速反应，溶于酸。用于制造打火石、陶瓷和合金等。铈是除铕外稀土元素中最活泼的。铈在室温下很容易氧化；在冷水中缓慢分解，在热水中反应加快；大多数铈盐及其溶液为橙红色到橙黄色，具有反磁性和强氧化性。二氧化铈用于抛光精密玻璃制品，也可做玻璃去色剂和用于生产有色玻璃，硝酸铈用于制造白炽灯罩。

　　CAS号：7440-45-1^[1]

主要性状

  

铈

　　原子体积:20.67(立方厘米/摩尔)

　　元素在海水中的含量: 太平洋表面 0.0000015(ppm)

　　元素在太阳中的含量: 0.004(ppm)

　　地壳中含量： 68（ppm）

　　元素原子量：140.1

　　晶体结构：晶胞为面心立方晶胞，每个晶胞含有4个金属原子。

　　声音在其中的传播速率： 2100（m/S）

　　氧化态：Main Ce+3 Other Ce+4

　　电离能 (kJ /mol)

　　M - M+ 527.4

　　M+ - M2+ 1047

　　M2+ - M3+ 1949

　　M3+ - M4+ 3547

  

铈

　　M4+ - M5+ 6800

　　M5+ - M6+ 8200

　　M6+ - M7+ 9700

　　M7+ - M8+ 11800

　　M8+ - M9+ 13200

　　M9+ - M10+ 14700

　　晶胞参数：a = 362 pm ，b = 362 pm ，c = 599 pm

　　α = 90° ，β = 90° ，γ = 120°

　　莫氏硬度：2.5

主要应用

铈的广泛应用

  

铈

　　（1）铈作为玻璃添加剂，能吸收紫外线与红外线，现已被大量应用于汽车玻璃。不仅能防紫外线，还可降低车内温度，从而节约空调用电。从1997年起，日本汽车玻璃全加入氧化铈，1996年用于汽车玻璃的氧化铈至少有2000吨，美国约1000多吨。

　　（2）目前正将铈应用到汽车尾气净化催化剂中，可有效防止大量汽车废气排到空气中美国在这方面的消费量占稀土总消费量的三分之一强。

　　（3）硫化铈可以取代铅、镉等对环境和人类有害的金属应用到颜料中，可对塑料着色，也可用于涂料、油墨和纸张等行业。目前领先的是法国罗纳普朗克公司。

　　（4）Ce:LiSAF激光系统是美国研制出来的固体激光器，通过监测色氨酸浓度可用于探查生物武器，还可用于医学。铈应用领域非常广泛，几乎所有的稀土应用领域中都含有铈。如抛光粉、储氢材料、热电材料、铈钨电极、陶瓷电容器、压电陶瓷、铈碳化硅磨料、燃料电池原料、汽油催化剂、某些永磁材料、各种合金钢及有色金属等。

元素描述

  

铈

　　灰色金属，有延展性。熔点799℃，沸点3426℃。密度：立方晶体6.76克/厘米3，六方晶体6.66克/厘米3。外围电子层排布4f15d16s2。第一电离能5.47电子伏特。化学性质活泼，用刀刮即可在空气中燃烧（纯的铈不易自燃，但稍氧化或与铁生成合金时，极易自燃）；加热时，在空气中燃烧生成二氧化铈。能与沸水作用，溶于酸，不溶于碱。受低温和高压时，出现一种反磁性体，比普通形式的铈致密18%。铈是稀土元素中最丰富的金属元素。有四种同位素：136Ce、138Ce、140Ce、142Ce。142Ce是放射性的α放射体，半衰期为5×1015年。

元素来源

　　铈主要存在独居石和氟碳铈矿中，也存在于铀、钍、钚的裂变产物中。常由氧化铈用镁粉还原，或由电解熔融的氯化铈而制得。

元素用途

　　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。硝酸铈可用来制造煤气灯上用的白热纱罩。

　　铈是稀土元素。稀土元素是指钪、钇和全部镧系元素。铈和另一稀土元素钇是稀土元素中在地壳中含量较大的两种元素，因而它们在稀土元素中首先被发现。欧洲北部斯堪的纳维亚半岛上的挪威和瑞典是稀土元素矿物比较丰富的产地，因而这两种元素在这个地区最先被发现。

　　钇和铈的氧化物以及其他稀土元素氧化物和土族元素的氧化物一样很难还原。直到1875年希尔布郎德利用电解熔融的铈的氧化物，获得金属铈。这是今天取得稀土元素金属的一种普遍的方法。它们的发现不仅仅是发现了它们的本身，而且带来了其他稀土元素的发现。其他稀土元素的发现是从这两个元素的发现开始的。钇和铈的发现仅仅是打开了发现稀土元素的第一道大门，是发现稀土元素的第一阶段。

最新成果

  

铈

　　稀土元素有“工业的维生素”的美誉，因其具有特殊的发光、磁学和电学性质，常被用来开发如铁磁、磁致伸缩、荧光、储氢和催化剂等新材料。铈作为第一个具有4f电子的稀土元素，是物理和材料学的研究热点之一。铝和其它相似元素形成了一系列的铝合金，在日常生活中具有极其重要的作用。但根据休谟－饶塞里准则（Hume－Rothery rules），由于铈和铝两者原子半径和电子化学性质的极大差异，只能形成大量的化合物，但是却不能形成取代型固溶体合金。

　　通过与浙江大学光彪讲座教授毛河光院士的合作，浙江大学新结构材料研究中心博士生曾桥石在导师蒋建中教授的指导下，采用先进的高强度、高精度、原位高压同步辐射X射线衍射技术对Ce3Al金属合金材料进行了仔细的研究，发现在15GPa压力下Ce3Al晶体合金发生了有序金属间化合物到固溶体合金的转变，当压力达到25GPa时在金属玻璃Ce3Al中也观测到固溶体合金的转变。通过大量X射线衍射和吸收谱的实验测量以及第一性原理的理论计算，他们发现，压力诱导Kondo体积塌陷和铈原子4f 电子非局域性使得铈铝两个原子半径和电负性差异缩小，实现了新型面心立方Ce3Al固溶体合金材料的形成。同时还发现，在卸压后（至少1年之内）这种新型固溶体合金材料在结构上保持稳定。