Википедија

Cerijum

Ce preusmerava ovde. Za latinično slovo C pogledajte stranicu C (višeznačna odrednica).

Cerijum (Ce, lat. cerium), hemijski je element, lantanoid sa atomskim brojem 58.[4][5] Ime je dobio po planetoidu Ceres. To je meki, duktilni srebreno-beli metal koji posivi kada se izloži delovanju kiseonika iz vazduha, a mek je tako da se može rezati nožem. Cerijum je drugi element u seriji lantanoida, i pored toga što često iskazuje oksidaciono stanje +3 karakteristično za tu seriju, takođe ima izuzetno stabilno stanje +4 u kojem ne oksiduje vodu. Tradicionalno se smatra jednim od retkih zemnih elemenata. Nema poznatu biološku ulogu i nije mnogo otrovan.

Cerijum
Opšta svojstva
Ime, simbolcerijum, Ce
Izgledsrebrnasto beo
U periodnome sistemu
Vodonik Helijum
Litijum Berilijum Bor Ugljenik Azot Kiseonik Fluor Neon
Natrijum Magnezijum Aluminijum Silicijum Fosfor Sumpor Hlor Argon
Kalijum Kalcijum Skandijum Titanijum Vanadijum Hrom Mangan Gvožđe Kobalt Nikl Bakar Cink Galijum Germanijum Arsen Selen Brom Kripton
Rubidijum Stroncijum Itrijum Cirkonijum Niobijum Molibden Tehnecijum Rutenijum Rodijum Paladijum Srebro Kadmijum Indijum Kalaj Antimon Telur Jod Ksenon
Cezijum Barijum Lantan Cerijum Prazeodijum Neodijum Prometijum Samarijum Evropijum Gadolinijum Terbijum Disprozijum Holmijum Erbijum Tulijum Iterbijum Lutecijum Hafnijum Tantal Volfram Renijum Osmijum Iridijum Platina Zlato Živa Talijum Olovo Bizmut Polonijum Astat Radon
Francijum Radijum Aktinijum Torijum Protaktinijum Uranijum Neptunijum Plutonijum Americijum Kirijum Berklijum Kalifornijum Ajnštajnijum Fermijum Mendeljevijum Nobelijum Lorencijum Raderfordijum Dubnijum Siborgijum Borijum Hasijum Majtnerijum Darmštatijum Rendgenijum Kopernicijum Nihonijum Flerovijum Moskovijum Livermorijum Tenesin Oganeson
–
↑
Ce
↓
Th
lantan ← cerijum → prazeodijum ‍
Atomski broj (Z)58
Grupa, periodagrupa N/D, perioda 6
Blokf-blok
Kategorija  lantanoid
Rel. at. masa (Ar)140,116(1)[1]
El. konfiguracija
po ljuskama
2, 8, 18, 19, 9, 2
Fizička svojstva
Tačka topljenja1068 K ​(795 °‍C, ​1463 °F)
Tačka ključanja3716 K ​(3443 °‍C, ​6229 °F)
Gustina pri s.t.6,770 g/cm3
tečno st., na t.t.6,55 g/cm3
Toplota fuzije5,46 kJ/mol
Toplota isparavanja398 kJ/mol
Mol. topl. kapacitet26,94 J/(mol·K)
Napon pare
P (Pa) 100 101 102
na T (K) 1992 2194 2442
P (Pa) 103 104 105
na T (K) 2754 3159 3705
Atomska svojstva
Elektronegativnost1,12
Energije jonizacije1: 534,4 kJ/mol
2: 1050 kJ/mol
3: 1949 kJ/mol
(ostale)
Atomski radijus181,8 pm
Kovalentni radijus204±9 pm
Linije boje u spektralnom rasponu
Spektralne linije
Ostalo
Kristalna struktura ​dupla zbijena heksagonalna
(dHCP)
Dupla zbijena heksagonalna (dHCP) kristalna struktura za cerijum

β-Ce
‍ ​postraničnocentr. kubična (FCC)
Postraničnocentr. kubična (FCC) kristalna struktura za cerijum

γ-Ce
Brzina zvuka tanak štap2100 m/s (na 20 °‍C)
Topl. širenjeγ, poli: 6,3 µm/(m·K) (na s.t.)
Topl. vodljivost11,3 W/(m·K)
Elektrootpornostβ, poli: 828 nΩ·m (na s.t.)
Magnetni rasporedparamagnetičan[2]
Magnetna susceptibilnost (χmol)(β) +2450,0·10−6 cm3/mol (293 K)[3]
Jangov modulγ forma: 33,6 GPa
Modul smicanjaγ forma: 13,5 GPa
Modul stišljivostiγ forma: 21,5 GPa
Poasonov koeficijentγ forma: 0,24
Mosova tvrdoća2,5
Vikersova tvrdoća210–470 MPa
Brinelova tvrdoća186–412 MPa
CAS broj7440-45-1
Istorija
Imenovanjepo patuljastoj planeti Cereri, koja je dobila ime po rimskom božanstvu poljoprivrede Cereri
OtkrićeMartin Klaprot, Jakob Bercelijus, Vilhelm Hisinger (1803)
Prva izolacijaKarl Mosander (1838)
Glavni izotopi
izotop rasp. pž. (t1/2) TR PR
134Ce syn 3,16 d ε 134La
136Ce 0,186% stabilni
138Ce 0,251% stabilni
139Ce syn 137,640 d ε 139La
140Ce 88,449% stabilni
141, syn 32,501 d β− 141Pr
142Ce 11,114% stabilni
143Ce syn 33,039 h β− 143Pr
144Ce syn 284,893 d β− 144Pr
reference • Vikipodaci

Iako se u prirodi uvek javlja zajedno sa drugim retkim zemnim elementima, pretežno u mineralima kao što su monacit i bastnesit, cerijum se vrlo lako može izdvojiti iz svojih ruda te se može odvojiti od drugih lantanoida zbog jedinstvene sposobnosti da se oksiduje do stanja +4. On je najčešći element među lantanoidima, a slede neodijum, lantan i prazeodijum. Po rasprostranjenosti na Zemlji je 26. od svih hemijskih elemenata, sa udelom od 66 ppm u Zemljinoj kori, gotovo upola kao hlor i pet puta više od olova.

Cerijum je prvi lantanoid koji je otkriven u Bastenasu u Švedskoj. Otkrili su ga 1803. Jakob Bercelijus i Vilhelm Hisinger, te nezavisno od njih Martin Klaprot u Nemačkoj. Međutim, tek 1839. Karl Mosander je uspeo da dobije metalni cerijum. Danas se ovaj element i njegova jedinjenja koriste u razne svrhe: na primer, cerijum(IV)-oksid se upotrebljava za poliranje stakla te je važan sastojak u proizvodnji automobilskih katalizatora. Metalni cerijum se koristi za ferocerijske upaljače zbog svojih pirofornih osobina.

Istorija

uredi
 
Patuljasta planeta Cerera, po kojoj je cerijum dobio naziv

Cerijum su otkrili Jakob Bercelijus i Vilhelm Hisinger 1803. godine u rudniku Bastnes u Švedskoj, a nezavisno od njih u Nemačkoj ga je otkrio Martin Klaprot.[6] Naziv elementu dao je Berzelius po patuljastoj planeti Cereri, otkrivenoj dve godine pre toga.[6][7] Sama Cerera dobila je ime po rimskoj boginji poljoprivrede (naročito žita), plodnosti i majčinske ljubavi.[6]

Cerijum je najpre dobijen u obliku svog oksida, koji se zvao cerija; pojam koji se i danas koristi kao drugo ime za cerijum(IV)-oksid. Metal sam po sebi je isuviše elektropozitivan da bi se mogao izdvojiti iz oksida koristeći tadašnju tehnologiju topljenja, što je generalno karakteristika svih retkih zemnih metala. Nakon otkrića elektrohemije i razvoja njenih tehnika i metoda, Hamfri Dejvi je pet godina kasnije započeo da izdvaja metale koji su bili sadržani u retkim zemljama. Cerija, izdvojena 1803. godine, je sadržavala sve lantanoide prisutne u rudama cerita iz švedskog rudnika Bastnes, te je tako sadržala samo oko 45% onog što je danas poznato kao čist cerijum. Tek krajem 1830-ih Karlu Gustafu Mosanderu uspelo je da odvoji „lantanu” (lantan-oksid) i „didimiju”, te mu je preostao čist cerijum. Vilhelm Hisinger je bio bogati vlasnik rudnika i amaterski naučnik, ali je sponzorirao rad Berzeliusa. Hisinger je kontrolisao rudnik Bastnes i godinama je pokušavao da otkrije sastav vrlo rasprostranjene, teške stene odnosno šljake iz svog rudnika (nazvane „volfram iz Bastnesa”, koja i pored svog imena nije sadržavala volfram), a koja je danas poznata kao cerit.[7] Mosander i njegova porodica živeli su dugi niz godina u istoj kući gde je živio i Berzelius, a Berzelius je nesumnjivo podsticao Mosandera da dalje nastavi rad na istraživanju „cerijuma”.[8]

Osobine

uredi

Fizičke

uredi

Cerijum je drugi element u seriji lantanoida. U periodnom sistemu, smješten je između lantanoida lantana s leve i prazeodijuma sa svoje desne strane, te iznad aktinoida torijuma. Cerijum je duktilni metal, relativno mek, približno kao i srebro.[9] Njegovih 58 elektrona razmešteno je u konfiguraciji [Xe]4f15d16s2, od kojih su četiri krajnja, spoljna elektrona valentna.

Neposredno nakon lantana, 4f orbitale iznenada se kontraktiraju te imaju niže energije do tačke gde vrlo lako učestvuju u hemijskim reakcijama. Ipak, taj efekat još uvek ne dolazi do izražaja kod cerijuma te je njegova 5d podljuska još uvek zauzeta.[10] Većina lantanoida koristi samo tri elektrona kao valentne elektrone, jer su nakon toga preostali 4f elektroni isuviše snažno vezani; cerijum je izuzetak zbog stabilnosti prazne f ljuske u Ce4+ kao i činjenice da se nalazi na samom početku serije lantanoida, gde je naboj jezgra još uvek dovoljno nizak, idući desno u PSE sve do neodijuma, tako da i dalje omogućava uklanjanje četvrtog valentnog elektrona.[11]

 
Fazni dijagram cerijuma

Poznate su četiri alotropske modifikacije cerijuma koje postoje pri standardnom pritisku, a kojima su dodeljene uobičajene oznake od α do δ:[12]

  • Visokotemperaturni oblik, δ-cerijum, ima bcc (kubnu prostorno centriranu) kristalnu strukturu, a postoji pri temperaturi iznad 726 °C.
  • Stabilni oblik na temperaturi ispod 726 °C do približno sobne temperature jeste γ-cerijum, sa fcc (kubnom ravanski centriranom) kristalnom strukturom.
  • dhcp (dvostruki heksagonalni gusto pakovani) oblik β-cerijuma jeste ravnotežna struktura koja se javlja od približno sobne temperature do −150 °C.
  • fcc α-cerijum postoji na temperaturi ispod −150 °C; a ima gustinu od 8,16 g/cm3.
  • Ostale čvrste alotropske modifikacije postoje samo pri visokom pritisku i prikazane su na faznom dijagramu (gore).
  • Obje forme γ i β su relativno stabilne pri sobnoj temperaturi, mada je temperatura ravnotežne transformacije oko 75 °C.[12]

Cerijum ima varijabilnu elektronsku strukturu. Energija 4f elektrona je gotovo ista kao ona kod spoljnih elektrona u 5d i 6s ljuskama koje su delokalizovane u metalnom stanju elementa, a vrlo mala količina energije je potrebna da bi se promenila relativna zauzetost ovih elektronskih nivoa. Iz tog razloga nastaju dualna valentna stanja. Na primer, obim promene od oko 10% javlja se kada se cerijum izloži visokom pritisku ili vrlo niskim temperaturama. Dešava se da se valencija promeni sa tri na četiri kada se on znatno ohladi ili izloži pritisku.[13]

Pri nižim temperaturama, ponašanje cerijuma je složen zbog spore brzine transformacije. Temperature transformacije podložna je histerezi, a vrednosti ovde navedene su približne. Nakon hlađenja ispod −15 °C, γ modifikacija cerijuma počinje prelaziti u β modifikaciju, a transformacija uključuje povećanje zapremine te kako nastaje više β modifikacije, povećava se unutrašnje naprezanje zbog čega se daljnja transformacija usporava.[12] Daljnjim hlađenjem na oko −160 °C započinje nastanak α modifikacije cerijuma ali ona nastaje samo od preostale γ modifikacije. β modifikacija značajno se ne transformira u α-cerijum osim ako nije izložena naprezanju ili deformaciji.[12] Pri atmosferskom pritisku, tečni cerijum je gušći nego kada je u čvrstom stanju pri tački topljenja.[9][14][15]

Hemijske

uredi

Stajanjem na vazduhu, cerijum gradi na površini sloj oksida koji se lako ljušti, slično rđi na željezu. Uzorak metalnog cerijuma veličine jednog kubnog centimetra može u potpunosti da korodira za približno jednu godinu.[16] Cerijum vrlo lako sagoreva pri temperaturi od 150 °C gradeći svetložuti cerijum(IV)-oksid, takođe poznat kao cerijuma:[17]

Ce + O2 → CeO2

Ovaj oksid se može dalje redukovati do cerijum(III)-oksida gasovitim vodonikom.[18] Metalni cerijum je izuzetno piroforan, što znači da ako se zagrebe ili odlomi komadić, takva strugotina metala se vrlo lako može zapaliti.[19] Takva reakcija u skladu je sa periodičnim trendovima, jer je cerijum jedan od prvih, a ujedno jedan od najčešćih lantanoida.[18] Cerijum(IV)-oksid ima strukturu fluorita, kao i dosta sličnosti dioksidima prazeodija i terbijuma. Poznati su i mnogi njegovi nestehiometrijski halkogenidi, kao i trovalentni Ce2Z3 (Z = S, Se, Te). Monohalkogenidi tipa CeZ dobro provode elektricitet a mogli bi se bolje formulirati u obliku Ce3+Z2−e−. Iako su poznata i jedinjenja CeZ2, ona su zapravo polihalkogenidi sa cerijumom(III): dok halkogenidi cerijuma(IV) još uvek nisu otkriveni.[18]

 
Cerijum(IV)-Oksid

Cerijum je izuzetno snažno elektropozitivan metal i reagira burno s vodom. Reakcija s vodom je znatno sporija u hladnoj vodi, ali se ubrzava povišenjem temperature, pri čemu nastaje cerijum(III)-hidroksid i otpušta se gasoviti vodonik:[17]

2 Ce (ч) + 6 H2O (т) → 2 Ce(OH)3 (aq) + 3 H2 (г)

Metalni cerijum reaguje sa svim halogenim elementima gradeći trihalide:[17]

2 Ce (ч) + 3 F2 (г) → 2 CeF3 (ч) [beo]
2 Ce (ч) + 3 Cl2 (г) → 2 CeCl3 (ч) [beo]
2 Ce (ч) + 3 Br2 (г) → 2 CeBr3 (ч) [beo]
2 Ce (ч) + 3 I2 (г) → 2 CeI3 (ч) [žut]

Reakcija sa viškom fluora daje stabilni beli tetrafluorid CeF4; njegovi drugi tetrahalidi nisu poznati. Među dihalidima, poznat je samo bronzani dijodid CeI2; kao i dijodidi lantana, prazeodija i gadolinijuma, ovo je takođe elektridno jedinjenje cerijuma(III).[18] Prava jedinjenja cerijuma(II) ograničena su na nekoliko neobičnih organocerijumskih kompleksa.[20][21]

Cerijum se lako rastvara u razblaženoj sumpornoj kiselini gradeći rastvore koji sadrže bezbojne jone Ce3+, a koji postoje u vidu kompleksa [Ce(H2O)9]3+:[17]

2 Ce (ч) + 3 H2SO4 (aq) → 2 Ce3+ (aq) + 3 SO2−
4 (aq) + 3 H2 (г)

Rastvorljivost cerijuma je mnogo veća u metansulfonskoj kiselini.[22] Joni cerijuma(III) i terbijuma(III) imaju ultraljubičaste apsorpcijske trake znatno višeg intenziteta u odnosu na druge lantanoide, pošto je njihova konfiguracija (jedan elektron u f podljusci više nego u cerijuma (prazna) i terbijuma (polupopunjena)) omogućava da jedan f elektron viša lakše načini f-d tranziciju nego zabranjenu f-f tranziciju kao kod drugih lantanoida.[23] Cerijum(III)-sulfat je jedna od malobrojnih soli čija se rastvorljivost u vodi smanjuje porastom temperature.[24]

Reference

uredi
  1. ^ Meija, J.; et al. (2016). „Atomic weights of the elements 2013 (IUPAC Technical Report)”. Pure and Applied Chemistry. 88 (3): 265—291. doi:10.1515/pac-2015-0305. 
  2. ^ Lide, D. R., ur. (2005). „Magnetic susceptibility of the elements and inorganic compounds”. CRC Handbook of Chemistry and Physics (PDF) (86th izd.). Boca Raton (FL): CRC Press. ISBN 0-8493-0486-5. Arhivirano iz originala 03. 03. 2011. g. Pristupljeno 09. 01. 2021. 
  3. ^ Weast, Robert (1984). CRC, Handbook of Chemistry and Physics. Boca Raton, Florida: Chemical Rubber Company Publishing. str. E110. ISBN 0-8493-0464-4. 
  4. ^ Housecroft, C. E.; Sharpe, A. G. (2008). Inorganic Chemistry (3. izd.). Prentice Hall. ISBN 978-0-13-175553-6. 
  5. ^ Parkes, G.D. & Phil, D. (1973). Melorova moderna neorganska hemija. Beograd: Naučna knjiga. 
  6. ^ a b v „Cerium, element information, properties and uses” (na jeziku: engleski). Royal Society of Chemistry. Pristupljeno 8. 4. 2018. 
  7. ^ a b Emsley, John (2011). Nature's Building Blocks: An A-Z Guide to the Elements. Oxford University Press. str. 120—125. ISBN 978-0-19-960563-7. 
  8. ^ Weeks Mary Elvira (1932). „The Discovery of the Elements: XI. Some Elements Isolated with the Aid of Potassium and Sodium:Zirconium, Titanium, Cerium and Thorium”. The Journal of Chemical Education. 9 (7): 1231—1243. Bibcode:1932JChEd...9.1231W. doi:10.1021/ed009p1231. 
  9. ^ a b Lide, D. R., ur. (2005). CRC Handbook of Chemistry and Physics (86 izd.). Boca Raton (FL): CRC Press. ISBN 0-8493-0486-5. 
  10. ^ Greenwood 1997, str. 1232–5
  11. ^ Holleman Arnold Frederik; Wiberg Egon (2001). Wiberg Nils, ur. Inorganic Chemistry. San Diego/Berlin: Academic Press/De Gruyter. str. 1703—5. ISBN 0-12-352651-5. 
  12. ^ a b v g Koskimaki D. C.; Gschneidner K. A.; Panousis N. T. (1974). „Preparation of single phase β and α cerium samples for low temperature measurements”. Journal of Crystal Growth. 22 (3): 225—229. Bibcode:1974JCrGr..22..225K. doi:10.1016/0022-0248(74)90098-0. 
  13. ^ Johansson Börje; Luo Wei; Sa Li; Rajeev Ahuja (17. 9. 2014). „Cerium; Crystal Structure and Position in The Periodic Table”. Scientific Reports. 4: 6398. Bibcode:2014NatSR...4E6398J. PMC 4165975  . PMID 25227991. doi:10.1038/srep06398. Pristupljeno 9. 7. 2016. 
  14. ^ Stassis, C.; Gould T.; et al. (1979). „Lattice and spin dynamics of γ-Ce”. Physical Review B. 19 (11): 5746—5753. Bibcode:1979PhRvB..19.5746S. doi:10.1103/PhysRevB.19.5746. 
  15. ^ Patnaik Pradyot (2003). Handbook of Inorganic Chemical Compounds. McGraw-Hill. str. 199—200. ISBN 0-07-049439-8. 
  16. ^ „Rare-Earth Metal Long Term Air Exposure Test”. Pristupljeno 8. 8. 2009. 
  17. ^ a b v g „Chemical reactions of Cerium”. Webelements. Pristupljeno 9. 7. 2016. 
  18. ^ a b v g N. N. Greenwood; A. Earnshaw (1988). Chemie der Elemente (1 izd.). Weinheim: VCH. str. 1235-1240, 1242, 1579. ISBN 3-527-26169-9. 
  19. ^ Gray Theodore (2010). The Elements. Black Dog & Leventhal Pub. ISBN 1-57912-895-5. 
  20. ^ Mikhail N. Bochkarev (2004). „Molecular compounds of "new" divalent lanthanides”. Coordination Chemistry Reviews. 248 (9–10): 835—851. doi:10.1016/j.ccr.2004.04.004. 
  21. ^ M. Cristina Cassani; Gun, Yurii K.'ko; et al. (2002). „Aspects of non-classical organolanthanide chemistry”. Journal of Organometallic Chemistry. 647: 71—83. doi:10.1016/s0022-328x(01)01484-x. 
  22. ^ Kreh Robert P.; Spotnitz Robert M.; Lundquist Joseph T. (1989). „Mediated electrochemical synthesis of aromatic aldehydes, ketones, and quinones using ceric methanesulfonate”. The Journal of Organic Chemistry. 54 (7): 1526—1531. doi:10.1021/jo00268a010. 
  23. ^ Greenwood 1997, str. 1242-4
  24. ^ Daniel L. Reger; Goode, Scott R.; David Warren Ball (2. 1. 2009). Chemistry: Principles and Practice. Cengage Learning. str. 482. ISBN 978-0-534-42012-3. Pristupljeno 23. 3. 2013. 

Greška kod citiranja: <ref> oznaka „Holleman” definisana u <references> grupi „” nema sadržaja.
Greška kod citiranja: <ref> oznaka „KGP” definisana u <references> grupi „” nema sadržaja.
Greška kod citiranja: <ref> oznaka „Weeks” definisana u <references> grupi „” nema sadržaja.
Greška kod citiranja: <ref> oznaka „CRC” definisana u <references> grupi „” nema sadržaja.
Greška kod citiranja: <ref> oznaka „Emsley” definisana u <references> grupi „” nema sadržaja.

Greška kod citiranja: <ref> oznaka „rsc” definisana u <references> grupi „” nema sadržaja.

Literatura

uredi
  • Greenwood, Norman N.; Earnshaw, Alan (1997). Chemistry of the Elements (II izd.). Oxford: Butterworth-Heinemann. ISBN 0080379419. 

Spoljašnje veze

uredi
 
Cerijum na Vikimedijinoj ostavi.
Preuzeto iz „https://sr.wikipedia.org/w/index.php?title=Церијум&oldid=27839173”