ცერიუმი

ცერიუმი წარმოადგენს ქიმიურ ელემენტს, რომლის სიმბოლოა Ce და ატომური ნომერი 58. იგი რბილი, მოვერცხლისფრო, დრეკადი მეტალია, რომელიც ადვილად იჟანგება ჰაერზე. მას სახელი მიეცა ჯუჯა პლანეტის ”Ceres” მიხედვით (თვითონ პლანეტას ჰქვია რომელი ნაყოფიერების ქალღმერთის სახელი). ცერიუმი ყველაზე გავრცელებული იშვიათ მიწათა მეტალია, რომელიც დედამიწის ქერქში 0.0046%-ია წონის მიხედვით. იგი გვხვდება ბევრ მინერალში, რომელთაგან ყველაზე მნიშვნელოვანია მონაციტი და ბასთნეზიტი. მრავალმხრივია ცერიუმის კომერციული გამოყენება. ის გამოიყენება როგორც კატალიზატორი და ასევე მინისა და ემალის დანამატი, მათი შეფერილობის შესაცვლელად და სხვა. ცერიუმის ოქსიდი მინის გასაპრიალებელი ფხვნილების მნიშვნელოვანი კომპონენტია და გამოიყენება ფლუორესცენციული ნაერთების ეკრანებში/

დახასიათება

ფიზიკური თვისებები

ცერიუმი მოვერცხლისფრო მეტალია. იგი მიეკუთვნება ლანთანოიდების ჯგუფს. ცერიუმი ფერითა და ბზინვარებით ჰგავს რკინას, მაგრამ იგი რბილია და არის როგორც ჭედადი, ასევე დრეკადი მეტალი. ცერიუმს სხვა ელემენტებთან შედარებით გააჩნია სიდიდით მეორე თხევადობის რიგი 2648 C° (795 °C-დან 3443 °C-მდე) ან 4766 F° (1463 °F-დან 6229 °F-მდე)(პირველ ადგილზეა თორიუმი).

ცერიუმი განსაკუთრებით საინტერესოა თავისი ცვალებადი ელექტრონული სტრუქტურის გამო. შიგა 4f დონის ენერგია, ძალიან ახლოსაა გარე სავალენტო ელექტრონების ენერგიასთან და ძალიან მცირე ენერგიაა საჭირო ამ ელექტრონების დონეების შესაცვლელად. ეს იწვევს ორმაგი სავალენტო მდგომარეობის გაზრდას. მაგალითდ, მოცულობის 10% ცვლილება ხდება მაშინ, როცა ცერიუმი ექვემდებარება მარალ წნევას ან დაბალ ტემპერატურას, ამ დროს ვალენტობა იცვლება 3-დან 4-მდე გაცივებისას ან შეკუმშვისას. დაბალ ტემპერატურაზე ცერიუმის ქცევა რთულია. ცნობილია მისი ოთხი ალოტროპიული მოდიფიკაცია: ცერიუმი ოთახის ტემპერატურაზე და ატმოსფერულ წნევაზე წარმოადგენს g-ცერიუმს. –16 °C ტემპერატურამდე გაცივების დროს, g-ცერიუმი იცვლება b-ცერიუმით.დარჩენილი g-ცერიუმი –172 °C ტემპერატურაზე გაცივებისას გადადის a-ცერიუმში და მთლიანად გარდაიქმნება –269 °C ტემპერატურაზე. a-ცერიუმის სიმკვრივეა 8.16; δ-ცერიუმი არსებობს 726 °C ტემპერატურაზე მაღლა ატმოსფერულ წნევაზე, თხევადი ცერიუმი უფრო მკვრივია, ვიდრე ლღობის წერტილზე მისი მყარი ფორმა.

ქიმიური თვისებები

მეტალი ცერიუმი ჰაერზე ნელა შავდება და სწრაფად იწვის 150 °C-ზე, ცერიუმ(IV) ოქსიდის წარმოქმნით.

Ce + O₂ → CeO₂

ცერიუმი ძლიერ ელექტროდადებითია, ნელა რეაგირებს ცივ წყალთან, ხოლო საკმაოდ სწრაფად - ცხელ წყალტან, ცერიუმის ჰიდროქსიდის წარმოქმნით.

2 Ce(მყ) + 6 H₂O (სითხე) → 2 Ce(OH)₃ (ხსნ.) + 3 H₂ (აირი)

მეტალი ცერიუმი მოქმედებს ყველა ჰალოგენთან:

2 Ce (მყ) + 3 F₂ (აირი) → 2 CeF₃ (მყ) [თეთრი]

2 Ce (მყ) + 3 Cl₂ (აირი) → 2 CeCl₃ (მყ) [თეთრი]

2 Ce (მყ) + 3 Br₂ (აირი) → 2 CeBr₃ (მყ) [თეთრი]

2 Ce (მყ) + 3 I₂ (აირი) → 2 CeI₃ (მყ) [ყვითელი]

ცერიუმი სწრაფად იხსნება განზავებულ გოგირდმჟავაში და წარმოქმნის უფერო Ce(III) იონების შემცველ ხსნარს, რომელიც შედის [Ce(OH₂)₉]³⁺ კომპლექსში.

2 Ce (მყ) + 3 H₂SO₄ (ხსნ.) → 2 Ce³⁺ (ხსნ.) + 3 SO²−₄ (ხსნ.) + 3 H₂ (აირი)

ნაერთები

ცერიუმ(IV) მარილები (ცერიტები) ფორთოხლისფერი, წითელი ან ყვითელი ფერისაა, მაშინ როცა ცერიუმ(III) (cerous) მარილები ჩვეულებრივ თეთრი ან უფერულია. ორივე დაჟანგულობის მდგომარეობაში შთაინთქმება ულტრაიისფერი სხივები. ცერიუმ(III) გამოიყენება უფერო მინების დასამზადებლად. ცერიუმი შეიძლება ადვილად აღმოვაჩინოთ იშვიათ მიწატა ნარევებში ძლიერ მგრძნობიარე თვისებითი ტესტით: ამონიუმისა და წყალბადის ზეჟანგის ნარევის დამატება ლანტანოიდების წყალხსნარზე, ცერიუმის არსებობის შემთხვევაში იძლევა მუქ ყავისფერ შეფერილობას.

ცერიუმი ამჟღავნებს +2, +3 და +4 დაჟანგულობის ხარისხს. +2 მდგომარეობა იშვიათია და იგი შეინიშნება CeH₂, CeI₂ და CeS-ის შემთხვევაში. ცერიუმის ყველაზე გავრცელებული ნაერთია ცერიუმ(IV) ოქსიდი (CeO₂), რომელიც გამოიყენება, როგორც ”სამკაულების შესაფერადებლად” (შესაწითლებლად), ასევე გამოიყენება ზოგიერთი თვითგასუფთავებადი ღუმელების კედლებში. ტიტრაციაში გამოყენებული დამჟანგველი აგენტებია ამონიუმის ცერიუმ(IV) სულფატი (ცერიტ ამონიუმ სულფატი, (NH₄)₂Ce(SO₄)₃) და ამონიუმის ცერიუმ(IV) ნიტრატი (ცერიტ ამონიუმ ნიტრატი ანუ CAN, (NH₄)₂Ce(NO₃)₆). ცერიუმი აგრეთვე წარმოქმნის ქლორიდს CeCl₃ ანუ ცერიუმ(III) ქლორიდები, რომელიც გამოიყენება ორგანულ ქიმიაში კარბონილის ჯგუფებზე რეაქციის ჩასატარებლად. სხვა ნაერთებია: ცერიუმ(III) კარბონატი (Ce₂(CO₃)₃), ცერიუმ(III) ფთორიდი (CeF₃), ცერიუმ(III) ოქსიდი (Ce₂O₃), ასევე ცერიუმ(IV) სულფატი (ცერიტ სულფატი Ce(SO₄)₂) და ცერიუმ(III) ტრიფლატი (Ce(OSO₂CF₃)₃).

ცერიუმის ორი ჟანგვითი მდგომარეობა ფუძე თვისებებით განსხვავდება ერთმანეთისაგან: ცერიუმ(III) წარმოადგენს ძლიერ ფუძეს სხვა სამვალენტიან ლანთანოიდებთან შედარებით, ხოლო ცერიუმ(IV) სუსტი ფუძეა. ეს განსხვავება საშუალებას იძლევა მნიშვნელოვნად ადვილად გამოიყოს და გასუფთავდეს იგი სხვა ლანთანოიდებისაგან:

1. ჰიდროქსიდების ნარევის განზავებული აზოტმჟავით გამოტუტვა: სამვალენტიანი ლანტანოიდები იხსნება ცერიუმისაგან თავისუფალ პირობებში და სამვალენტიანი ცერიუმი რცება უხსნად ნალექში, რომელიც შემდგომ შეიძლება გასუფთავდეს სხვადასხვა მიზნებისათვის. ამ დროს გამოიყენება ბასთნეზიტისაგან მიღებული კალციუმის ოქსიდი და ქლორწყალბადმჟავა, მაგრამ გამოყოფა ნაკლებ თვალსაცინოა.

2. ცერიუმს გამოლექავენ ნიტრატის ან ქლორიდის ხსნარისაგან, კალიუმის პერმანგანატისა და ნატრიუმის კარბონატის გამოყენებით, მოლური თანაფარდობით 1:4.

3. იშვიათმიწათა ნიტრატების ხსნარების დუღილი კალიუმის ბრომატთან და მარმარილოს ნატეხებთან.

ადრე, კომერციულად გამოიყენებოდა მეთოდი, რომლის დროსაც ცერიუმ(IV) ხსნარი აზოტმჟავაში ემატებოდა განზავებულ გოგირდმჟავას. ამ დროს ცერიუმ(IV) გამოილექებოდა ფუძე მარილის სახით, ხოლო სამვალენტიანი ლანტანოიდები რცებოდა ხსნარში. თუმცა ძნელი იყო ნალექის მთლიანად გამოყოფა გაფილტვრით, მარალ კოროზიული არის გამო. იშვიათ მიწატა მეტალების გამოყოფის კლასიკური მეთოდის გამოყენებით, შესაძლებელი გახდა უპირატესობა მიეცათ სტრატეგიისათვის - გამოეყოთ, ცერიუმი ნარევიდან, თავიდანვე. თუმცა, ცერიუმის გასუფთავების ყველა მეთოდი როდი ეყრდნობა ფუძიანობას. ცერიუმის ამონიუმ ნიტრატი (ამონიუმჰექსანიტრატცერატის(IV)) კრისტალიზაცია აზოტმჟავისაგან, წარმოადგენდა გასუთავების ერთ-ერთ მეთოდს. ცერიუმ(IV) ნიტრატი (ჰექსანიტროცერიუმმჟავა) უფრო ადვილად ექსტრაგირდება სხვადასხვა გამხსნელებში (მაგალითად, ტრი-ნ-ბუტილფოსფატი), ვიდრე სხვა სამვალენტიანი ლანთანოიდები. თუმცა, თანამედროვე პრაქტიკამ ჩინეთში უჩვენა, რომ ცერიუმის გასფთავება (სამვალენტიან ფორმაში)გამომდინარე გამხსნელის ექსტრაქციის, მსგავსია სხვა ლანთანოიდებისა. ცერიუმ(IV) ძლიერი დამჟანგველია მჟავა პირობებში, მაგრამ მდგრადია ტუტე გარემოში, სადაც ცერიუმ(III) ხდება ძლიერი აღმდგენი, იგი ადვილად იჟანგება ატმოსფერული ჟანგბადით (O₂).

იზოტოპები

ბუნებაში გავრცელებულია ცერიუმი ოთხი სტაბილური იზოტოპი: ¹³⁶Ce, ¹³⁸Ce, ¹⁴⁰Ce და ¹⁴²Ce. ამათგან ყველაზე გავრცელებულია¹⁴²Ce და ¹⁴⁰Ce (88.48% ბუნებრივი გავრცელება).

ასევე დახასიათებულია 26 რადიოიზოტოპი, რომელთაგან ¹⁴⁴Ce (ნახევარდაშლის პერიოდი 284.893 დღე), ¹³⁹Ce (ნახევარდაშლის პერიოდი137.640 დღე) და ¹⁴¹Ce (ნახევარდაშლის პერიოდი 32.501 დღე). დანარჩენი რადიოიზოტოპის ნახევარდაშლის პერიოდია 4 დღე, მათგან უმეტესობისათვის, ნახევარდაშლის პერიოდი წარმოადგენს 10 წუთზე ნაკლებს. ამ ელემენტს აქვს აგრეთვე 2 ბეტა მდგომარეობა.

ცერიუმის იზოტოპების ატომური წონები მერყეობს 123 u (¹²³Ce)-დან 152 u (¹⁵²Ce)-მდე.

ისტორია

ცერიუმი არმოცენილ იქნა ბასთნეზიტში შვედეთში ჯ. ბერცელიუსის (Jöns Jakob Berzelius) და უ. ჰისინგერის (Wilhelm Hisinger) მიერ და ასევე მათგან დამოუკიდებლად, გერმანიაში, მ. კლაფროტის (Martin Heinrich Klaproth) მიერ - 1803 წელს. ბერცელიუსმა ცერიუმს უწოდა სახელი პლანეტა ცერეს მიხედვით, რომელიც აღმოჩენილი იქნა ორი წლით ადრე (1801 წელს). ცერიუმი გამოყოფილი იქნა მისი ოქსიდის სახით და ეწოდა ceria. როდესაც პირველად იქნა აღმოჩენილი იშვიათ მიწათა ელემენტები, ისინი ფიქრობდნენ, რომ ეს ნაერთები იყო ძლიერი ფუძე თვისების და კალციუმის და მაგნიუმის მსგავსად იყვნენ ორვალენტიანები. მაგრამ ფიქრობდნენ, რომ ”ceric” ცერიუმი იყო სამვალენტიანი და ჟანგვითი რიცხვების შეფარდება იყო 1.5.

გავრცელება

ცერიუმი, იშვიათ მიწათა ელემენტებში ყველაზე გავრცელებულია და იგი დედამიწის ქერქის 0.0046% შეადგენს წონის მოხედვით.იგი გვხვდება მინერალებში: ალანიტი (ცნობილია აგრეთვე როგორც ორტიტი) - Ca, Ce, La, Y)₂(Al, Fe)₃(SiO₄)₃(OH), მონაციტი (Ce, La, Th, Nd, Y)PO₄, ბასთნეზიტი (Ce, La, Y)CO₃F, ჰიდროქსი ბასთნეზიტი (Ce, La, Nd)CO₃(OH, F), რადოფანი (Ce, La, Nd)PO₄-H₂O, ცირკონი (ZrSiO₄) და სინქიზიტი Ca(Ce, La, Nd, Y)(CO₃)₂F. დღეისათვის მონაციტი, ალანიტი და ბასთნეზიტი წარმოადგენს ცერიუმის, თორიუმის და სხვა იშვიათ მიწათა მეტალების მისაღებად მომარაგების წყაროს, რაც დიდი ხნის წინ იყო ცნობილი.

მიღება

დაქუცმაცებული მინერალების ნარევი მუშავდება ცხელი, კონცენტრირებული გოგირდმჟავით და მიიღება იშვიათ მიწათა ელემენტების წყალში ხსნადი სულფატები. მჯავა ფილტრატი ნეიტრალიზდება ნატრიუმის ჰიდროქსიდით pH 3–4. ხსნარიდან გამოილექება თორიუმი-ჰიდროქსიდის სახით და მოსცილდება ხსნარს. ამის შემდეგ ხსნარი მუშავდება ამონიუმის ოქსალატით, რათა იშვიათ მიწათა ელემენტები გადავიდეს თავის არახსნად ოქსალატებში, რომლებიც შემდეგ გამოწვით გადაჰყავთ ოქსიდებში. ოქსიდები იხსნება აზოტმჟავაში, სადაც ძირითადი კომპონენტი ცერიუმია, რომლის მარილებიც აზოტმჟავაში უხსნადია. მეტალური ცერიუმი მიიღება მეტალოთერმული აღდგენის ტექნოლოგიებით, როგორიცაა ცერიუმის ფთორიდების ან ქლორიდების აღდგენა კალციუმით ან ცერიუმის ქლორიდების (ან სხვა ჰალოგენიდების) ნალრობის ელექტროლოზი. მეტალოთერმული ტექნოლოგიები გამოიყენება მაღალი სისუფთავის ცერიუმის მისაღებად.

გამოყენება

ცერიუმ(III) ოქსიდის მთავარი ტექნოლოგიური გამოყენება მდგომარეობს იმაში, რომ იგი ახდენს ძრავიდან გამონაბოლქვი CO-ს შემცირებას. პრაქტიკულად, ცერიუმის ოქსიდი ამ მიზეზით ემატება საწვავს. გარდა ამისა, ცერიუმის ოქსიდის მნიშვნელოვანი გამოყენებაა, მისი მოხმარება ნახსირწყალბადების კატალიზში და თვითგასუფთავებად ღუმელებში.

ცერიუმ(IV) ოქსიდი წარმოადგენს ერთ-ერთ ყველაზე ეფექტურ აგენტს ოპტიკური კომპონენტების მინარევების დასალექად. მისი ნაერთები აგრეთვე გამოიყენება მინის წარმოებაში როგორც კომპონენტი ასევე გამაუფერულებელი. მაგალითად, ცერიუმ(IV) ოქსიდი, ტიტან(IV) ის ოქსიდთან ერთად მინას აძლევს ოქროსფერ-ყვითელ შეფერვას. იგი ასევე მინასი ახდენს ულტრაიისფერი სხივების სელექციურ შთანთქმას. ცერიუმის ოქსიდს გააჩნია მარალი რეფრაქციული ინდექსი და მისი დამატება ემალს ხდის მეტად შუქმედეგს.

ცერიუმ(IV) ოქსიდი გამოიყენება გავარვარებული აირის გარსაცმში, მაგალითად, უელსბახისგარსაცმში, სადაც იგი, თორიუმის, ლანთანის, მაგნიუმის ან იტრიუმის ოქსიდებს უერთდება. სხვა იშვიათ მიწათა მეტალების ოქსიდებთან ერთად, იგი განიხილება როგორც მყარი ელექტროლიტი, მყარი ოქსიდების წვის კამერაში, შუალედურ ტემპერატურაზე ცერიუმ(IV) ოქსიდი - ცერიუმ(III) ოქსიდი ციკლი ანუ CeO₂/Ce₂O₃ ციკლი, რომელიც წარმოადგენს ორ საფეხურიან თერმოქიმიურ პროცესს, ეფუძვნება ცერიუმ(IV) ოქსიდს და ცერიუმ(III) ოქსიდს (წყალბადის მიღების დროს).

ცერიუმის ტრადიციული გამოყენებაა, რომ იგი შედის რა პიროფორულ მიშმეტალის შენადნობის შემადგენლობაში, გამოიყენება სანთებლის კაჟქვებში, რადგანაც ცერიუმი ძლიან ემსგავსება გოგირდს და ჟანგბადს, იგი გამოიყენება სხვადასხვა ალუმინ და რკინის შენადნობებში. ფოლადში, ცერიუმი დეგაზიფიცირდება და ხელს უწყობს სულფიდების და ოქსიდების აღდგენას. იგი უჟანგავ ფოლადში წარმოადგენს დამლექავ აგენტს. მაგნიუმის შენადნობზე 3-4% ცერიუმის დამატება 0.2-დან 0.6%-მდე ცირკონიუმთან ერთად ხელს უწყობს მარცვლეულის რაფინირებას.

ცერიუმის შენადნობები გამოიყენება პერმანენტულ მაგნიტში და ვოლფრამის ელექტროდებში. ცერიუმის ოქსალატი წარმოადგენს გულისრევის საწინააღმდეგო საშუალებას. ცერიუმ(IV) სულფატი გამოიყენება როგორც მოცულობითი დამჟანგველი აგენტი რაოდენობიტ ანალიზში. ცერიუმ ამონიუმის ნიტრატი ორგანულ ქიმიაში წარმოადგენს ერთ ელექტრონიან ოქსიდანტს და საწყის სტანდარტს რაოდენობით ანალიზში.

უსაფრთხოება

ცერიუმი იშვიათ მიწათა მეტალების მსგავსად ხასიატდება დაბალი ტოქსიკურობით. იგი ძლიერი აღმდგენი აგენტია და ჰაერზე 65 - 80 °C ტემპერატურაზე იწვის სპონტანურად. ცერიუმის წვის დროს გამოყოფილი ორთქლი ტოქსიკურია. ცერიუმის წვის შესაჩერებლად, წყალი არ გამოიყენება, რადგანაც ცერიუმი მოქმედებს წყალთნ, წყალბადის გამოყოფით. ცხოველები, ცერიუმის დიდი დოზიტ ინექციის დროს იღუპებიან გულ-სისხლძარღვთა კოლაფსის გფამო. ცერიუმ(IV) ოქსიდი ძლიერი დამჟანგველი აგენტია მარალ ტემპერატურაზე და შეუძლია იმოქმედოს ცხელ ორგანულ მასალებზე. ცერიუმი არ არის რადიოაქტიური, კომერციული ნიმუშის უსუფტაობა შეიძლება გამოწვეული იყოს რადიოაქტიური თორიუმის კვალის შემცველობის გამო. ცერიუმის ბიოლოგიური როლი არ არის ცნობილი.

მასალა მომზადებულია www.wikipedia.com -ის მიხედვით