鈰(CE（金屬元素）):發展歷史,發現歷史,套用發展,含量分布,物化性質,元素描述

鈰是周期系第ΙΙΙ族副族鑭系元素，一種稀土元素。原子序數58。穩定同位素：136、138、140、142。灰色金屬，有展性。密度：正方晶體6.9，立方晶體6.7。熔點799℃，沸點3426℃。

鈰是一種銀灰色的活潑金屬，粉末在空氣中易自燃，易溶於酸。鈰的名稱來源於小行星穀神星的英文名。鈰在地殼中的含量約0.0046%，是稀土元素中豐度最高的。金屬鈰主要做還原劑。

基本介紹

中文名：鈰
外文名：Cerium
元素符號：Ce
原子質量：140.116
發現人：克拉普羅特
CAS號：7440-45-1
MDL號：MFCD00010924
EINECS號：231-154-9
PubChem號：24869828
熔點：1071 K（798 °C）℃
周期：6
沸點：3699 K （3426 °C）℃

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發展歷史

發現歷史

1752年瑞典化學家克龍斯泰德發現一種新的礦石。西班牙礦物學家唐·福斯圖·德埃爾烏耶分析後認為它是鈣和鐵的矽酸鹽。1803年德國化學家克拉普羅特分析了該礦石，確定有一種新的金屬氧化物存在，稱它為ochra（赭色土），礦石稱為赭色礦（ochroite），因為它在受灼燒時出現赭色。同時瑞典化學家貝采利烏斯（J-öns Jakob Berzelius，1779-1848）和瑞典礦物學家希辛格（Wilhelm Hisinger，1766-1852）也分析發現了同一新元素氧化物，不同於釔土。釔土溶於碳酸銨溶液，在煤氣燈焰上灼燒時呈現紅色，而這種土不溶於碳酸銨溶液，在煤氣燈焰上灼燒沒有呈現特徵焰色。於是稱它為ceria（鈰土），元素命名為cerium（鈰），元素符號定為Ce，礦石稱為鈰矽石（cerite），以紀念當時發現的一顆小行星穀神星Ceres。其實這種鈰矽石是一種水合酸鹽，含鈰66%~70%，其餘是鈣、鐵和釔的化合物。

套用發展

在稀土這個元素大家族中，鈰是當之無愧的“老大哥”。其一，稀土在地殼中總的豐度為238ppm，其中鈰為68ppm，占稀土總配分的28%，居第一位；其二，鈰是在發現釔(1794年)9年之後，被發現的第二個稀土元素。

1803年，瑞典化學家伯采利烏斯(J.J.Berzelius)和他的老師黑新格爾(W.Hisingerr)在分析瑞典產的Tungsten礦(“重石”之意)時，發現了一種與“釔土”性質十分相似但又完全不同的新元素一“鈰土”。在他們提出的發現報告中，將其命名為Cemm(鈰)，以紀念1801年發現的小行星一穀神星(Ceres)。

嚴格說來，最初發現的“鈰土”只能算作是鈰的富集物，或者說是與鑭鐠釹等共生在一起的輕稀土混合氧化物，當時鑭鐠釹等尚隱藏在“鈰土”中未被發現。但無論如何，在稀土這17個相貌極為相似的孿生兄弟姐妹中，鈰最容易辨認。因為鈰有個顯著的化學特性，除丁象其他稀土元素通常以三價狀態存在外，他還會以四價狀態穩定存在。這種離子價態的差異性必然會擴大化學性質的差異性，利用這種差異性就能比較容易地把鈰同相鄰的其他稀土元素分離開來，因而就出現了化學法提鈰。這便於化學家們對鈰的提取和認識，加上他資源豐富易提取，比其他稀土產品價格便宜，也就使他成為最早有實際用途的稀土。

儘管如此，由於化學家們最初被困惑在不斷發現新稀土的“迷宮”中，直到發現“鈰土”的83年後，才為鈰(也是稀土)找到第一個用途一用作汽燈紗罩的發光增強劑。1886年，奧地利人韋爾斯巴赫(AuerVonWeldach)發現，將99%的氧化釷和1%的氧化鈰加熱時，會發出強光，用於煤汽燈紗罩可以大大提高汽燈的亮度。而汽燈在當時電燈尚未普及的歐洲是照明的主要光源，對於工業生產、商貿和生活至關重要。而18世紀90年代開始，汽燈紗罩的大規模生產，增加了釷和鈰需求，有力推動了世界範圍內對稀土礦藏的勘察，在巴西和印度陸續發現了大型獨居石礦，遂發展成為所謂的獨居石工業，也就是早期稀土工業。儘管第一次世界大戰後，電燈逐步取代了煤氣燈，但鈰又不斷開拓出新的用途。

1903年，找到了鈰的第二大用途一還是那位奧地利人韋爾斯巴赫，發現鈰鐵合金在機械摩擦下能產生火花，可以用來製造打火石。鈰的這種經典用途，至今已有100年的歷史。吸菸的人都知道打火機要用打火石，但許多人卻不了解稀土，更不知道是其中的鈰在給人們帶來了火種。只是如今，打火石遭遇壓電陶瓷的有力挑戰，產量已經大減。這期間，還發現鈰基合金(如Th2dl-RE)可用作電子設備和真空管的吸氣劑。

1910年，發現了鈰的第三大用途，用於探照燈和電影放映機的電弧碳棒。與汽燈紗罩類似，鈰可以提高可見光轉換效率。探照燈曾是戰爭防空的重要用具。電弧碳棒也曾是放映電影不可缺少的光源。

以上鈰的三大用途也代表了稀土早期的三大用途，甚至可以說，早期的稀土工業完全建立在對鈰的性能開發和利用上。50年代初，我國稀土工業也起步於這三大套用。這些用途都與發光有關。可以說鈰作為稀土元素家族的優秀代表，一開始就作為”光明使者”在為人類造福。

20世紀30年代起，氧化鈰開始用作玻璃脫色劑、澄清劑、著色劑和研磨拋光劑。二氧化鈰作為化學脫色劑和澄清劑可以取代有劇毒的白磁(氧化碑)從而減少操作和環境污染。鈰鈦黃顏料用作玻璃著色劑可以製造出漂亮的亮黃色工藝美術玻璃。氧化鈰作為主成分製造各種規格的拋光粉，已完全取代鐵紅拋光粉，大大提高了拋光效率和拋光質量，早期用於平板玻璃和眼睛片拋光，如今已廣泛套用於陰極射線管(CRT)玻殼、各種平板顯示，光學玻璃鏡頭和計算機晶片等，既是鈰的經典用途，也是目前鈰的主要套用領域之一。鈰作為玻璃添加劑，能吸收紫外線與紅外線，已被大量套用於汽車玻璃。不僅能防紫外線，還可降低車內溫度，從而節約空調用電。從1997年起，日本汽車玻璃全加人氧化飾，1996年用於汽車玻璃的氧化鈰至少有2000噸，美國用量超過1000噸。

鈰的化學活潑性使他在冶金領域中也大展身手。1948年，英國人莫勒(HMomgh)宣布用鈰處理鑄鐵可以獲得球墨鑄鐵，隨後冶金學家發現鎂是球墨鑄鐵的高效球化劑，但續易燃燒會產生強烈鎂光，單獨加鎂反應過於激烈不夠安全。

20世紀50年代，我國著名科學家鄒元燨研究成功用矽鐵還原含稀土包頭高爐渣製取稀土矽鐵合金的獨特工藝，進而製得稀土矽鐵鎂中間合金用作球化劑，既克服了單獨用鎂的弊病，又取得更穩定的球化效果，從此開始了稀土在球墨鑄鐵以及蠕墨鑄鐵中的廣泛套用。以鈰為主成分的混合稀土金屬，還廣泛用於稀土處理鋼(脫氧、脫硫、變性)、稀土電工鋁和稀土鑄造鎂合金(淨化變質、細化晶粒、合金化)等金屬材料。

含量分布

鈰主要存在獨居石和氟碳鈰礦中，也存在於鈾、釷、鈽的裂變產物中。常由氧化鈰用鎂粉還原，或由電解熔融的氯化鈰而製得。

物化性質

灰色活潑的金屬，密度：6.9（正方晶體），6.7（六方晶體），熔點：799℃，沸點：3426℃，有展性。是鑭系金屬中自然豐度最高的一種。彎折鈰條時常迸濺出火星。

鈰在室溫下很容易氧化，在空氣中很容易失去光澤，用刀刮即可在空氣中燃燒（純的鈰不易自燃，但稍氧化或與鐵生成合金時，極易自燃）。加熱時，在空氣中燃燒生成二氧化鈰。能與沸水作用產生氫氧化鈰，溶於酸，不溶於鹼。鈰也能在鹵素中燃燒，如在氯氣中燃燒，產生三氯化鈰(CeCl₃)：2 Ce + 3 Cl₂==Δ(或點燃)== 2 CeCl₃。受低溫和高壓時，出現一種反磁性體，比普通形式的鈰緻密18%。用於製造打火石、陶瓷和合金等。鈰是除銪外稀土元素中最活潑的。鈰在冷水中緩慢反應，在熱水中反應加快。

元素描述

活潑的銀灰色金屬。電子層結構[Ce]4f¹5d¹6s²。第一電離能527.4KJ/mol。

用刀刮即可在空氣中燃燒（純的鈰不易自燃，但稍氧化或與鐵生成合金時，極易自燃）；加熱時，在空氣中燃燒生成二氧化鈰。能與沸水作用，溶於酸，不溶於鹼。受低溫和高壓時，出現一種反磁性體，比普通形式的鈰緻密18%。鈰是稀土元素中最豐富的金屬元素。有四種同位素：Ce、Ce、Ce、Ce。Ce是放射性的α放射體，半衰期為5×10^15年。

常見化合價： +3,+4

電負性： 1.12

外圍電子排布： 4f1 5d1 6s2

核外電子排布： 2,8,18,19,9,2

同位素及放射線： Ce-134【3016d】 Ce-136 Ce-138 Ce-139【137.6d】 *Ce-140 Ce-141【32.5d】 Ce-142 Ce-143【1.4d】 Ce-144【284.6d】

電子親合和能： 0 KJ·mol-1

第一電離能： 528 KJ·mol-1

第二電離能： 1047 KJ·mol-1

第三電離能： 1880 KJ·mol-1

單質密度： 6.773 g/cm3

單質熔點： 795.0 ℃

單質沸點： 3257.0 ℃

原子半徑： 2.7 埃

離子半徑： 1.14(+3) 埃

共價半徑： 1.65 埃

主要用途

1.用作還原劑、催化劑。

2.用作合金添加劑，及用於生產鈰鹽等，也用於醫藥、製革、玻璃、紡織等工業。

3.鈰可作催化劑、電弧電極、特種玻璃等。鈰的合金耐高熱，可以用來製造噴氣推進器零件。

具體實例如下：

環保材料

鈰還被用作優良的環保材料，目前最有代表性的套用是汽車尾氣淨化催化劑。在普遍使用的貴金屬(鉑、銠、鈀等)三元催化劑中加入鈰，可以提高催化劑性能並減少貴金屬用量，汽車尾氣主要污染物為一氧化碳、碳氫化合物和氮氧化合物，他們會影響人體造血機能，形成光化學有毒煙霧並產生致癌物，對人、動物和植物都會造成損害。三元淨化催化技術可以使碳氫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氣和氧氣(故名三元催化)。鉑、銠、鈀等貴金屬是尾氣淨化的優良催化材料。但價格昂貴且對發動機和汽油均有較高要求，限制了它們的廣泛套用。在催化劑中加人鈰可明顯減少貴金屬用量並改善催化性能，使催化器的價格大幅下降。在美國，汽車尾氣淨化催化劑已成為消費稀土的第一大用戶。氧化鈰還能與納米氧化鈦製成光催化劑，用於抗菌陶瓷和富氧離子環保塗料等。

有害金屬替代

硫化鈰可以取代鉛、鎘等對環境和人類有害的金屬用作塑膠紅色著色劑，也可用於塗料、油墨和紙張等行業。法國羅地亞公司目前掌握領先技術。富鈰輕稀土環烷酸鹽等有機化合物還被用於油漆催乾劑、PVC塑膠穩定劑和MC尼龍改性劑等方面，既可以取代鉛鹽等毒性大的物質，又可以減少鑽鹽等昂貴材料。

特殊功能材料

鈰還被用來製造許多特殊功能材料，如螢光級氧化鈰用於製造燈用三基色螢光粉的綠粉(CeMgA111O19:Tb3+)；美國研製的Ce:LiSAF雷射系統固體雷射器，通過監測色氨酸濃度可用於探查生物武器，還可用於醫學。用金屬鈰可以製造鈰鑽銅鐵永磁材料；鈰鴿電極可以代替有放射性的釷鴿電極，等等。

植物生長調節劑

以鈰為主的輕稀土作為植物生長調節劑可以改善農作物品質，增加產量並提高作物的抗逆性。用作飼料添加劑，可以提高禽類的產蛋率和魚蝦養殖的成活率，還能改善長毛羊的羊毛質量。鈰屬低毒性物質，美國一本稀土專著稱，對老鼠進行的餵食實驗表明，富含鈰的輕稀土氧化物的口服毒性與口服食鹽相當。至今在稀土富礦地區也尚未發現因稀土引起的地方病。我國科學家通過大量的實驗研究認為，稀土農用不會產生環境污染，不會對人和動物的生存產生危害。

貯存方法

儲存於陰涼、通風的庫房。遠離火種、熱源。庫溫不宜超過30℃。包裝要求密封，不可與空氣接觸。應與氧化劑、酸類、鹵素、食用化學品分開存放，切忌混儲。採用防爆型照明、通風設施。禁止使用易產生火花的機械設備和工具。儲區應備有泄漏應急處理設備。

合成方法

鈰是地殼中最豐的稀土金屬。用鈣還原氧化亞鈰或電解氯化亞鈰可製得金屬鈰。

70g三氯化鈰、18.5g鈣在惰性氣氛下徹底混合搖勻裝入鉭坩堝或用機動壓力機壓成圓柱體放在鉭坩堝中，坩堝配有打孔的鉭蓋子以便通氣，置於密閉MgO坩堝（d=0.0508m,h=0.1778m）中。然後放在石英管（d=0.11615m）中，管的一端熔封，另一端打磨後嵌入55/50錐形接頭中。用石蠟將石英管密封在真空體系中（0.133Pa）。充入Ar（先通過熱的金屬鈾純化）到P=101.325kPa，用6kW感應爐加熱到550～600℃，使反應發生（鉭坩堝溫度突然上升為據）。5min後達到1000℃，維持13min使產生的稀土金屬完全結塊。冷卻到室溫，用水浸泡鉭坩堝以除掉CaCl₂、Ca，稀土金屬融塊保留在底部（1%～3%Ca）。

鈰—化合物

鈰鋁

鈰鋁就是我們平時說的Ce鋁，Ce鋁是一種新型的鈰(Ce)系純鋁複合塗層。主要包括鈰(Ce)系純鋁塗層和環氧乙烯酯漆塗層，所述鈰(Ce)系純鋁塗層是以鋁為原料，添加鈰(Ce)元素的熱噴塗層，所述環氧乙烯酯漆塗層為鈰Ce鋁熱噴塗層的封閉層和功能塗層。鈰(Ce)系純鋁塗層添加元素鈰(Ce)重量百分比為0.05-0.50%(wt)，其它雜質鐵+銅+矽≤0.30%(wt)，餘量為鋁，還可輔助添加元素鎂，系純鋁塗層的製作方法為：加工製作成線材或者粉末用熱噴塗技術在鋼鐵表面製作成Ce鋁噴塗層。所述環氧乙烯酯漆塗層為以環氧乙烯酯樹脂為原料，添加炭化矽和鋁粉或鋁粉漿。環氧乙烯酯漆作為Ce系鋁塗層的封閉層、中間層和表面層，也還可以其它油漆塗料代替其中的某一層或者全部。

一種鈰(Ce)系純鋁複合塗層，主要包括：鈰(Ce)系純鋁塗層和環氧乙烯酯漆塗層，其特徵在於：所述鈰(Ce)系純鋁塗層是以鋁為原料，添加鈰 (Ce)元素的熱噴塗層，所述環氧乙烯酯漆塗層為鈰Ce鋁熱噴塗層的封閉層和功能塗層。

鈰碳化矽

鈰碳化矽（CC）：鈰碳化矽是在碳化矽的爐料內不加食鹽而添加微量的

氧化鈰（CeO₂）冶煉出來的，其外觀和綠碳化矽相似，顯微硬度為36.29GPa。與綠碳化矽相比，其鈰碳化矽的顯微硬度、單顆粒抗壓強度、韌性等均比綠碳化矽高。由於鈰碳化矽的物理性能有所改彎，因此，其磨削效果也得到了一定的改善。試驗證明磨鈦合金時，鈰碳化矽與綠碳化矽相比，切削效率提高近一倍，並且火花較小；磨鑄鐵時，當進刀量為0.01mm時，鈰碳化矽的耐用度比綠碳化矽砂輪提高18.9%，磨削比提高9.6%，當進刀量為0.02mm時，其耐用度提高27.4%，磨削比提高74.1%。由此可見，用鈰碳化矽磨削鑄鐵進刀量時，其效果比綠碳化矽提高的更顯著。磨硬質合金的效果與綠碳化矽相近，磨削CO5Si M5Al 5F-6等難磨高速鋼，其效果與單晶剛玉相似。

鈰(金屬元素)