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58 铈 储量最多的稀土元素

本文作者 漂泊

铈是地壳中含量最高的稀土元素,它是一种重要的发光增强剂,可以用在汽灯纱罩上,此外,它也是一种重要的催化剂元素,在汽车尾气三元催化剂中添加铈能够提高其催化效率并减少贵金属的用量。

 

铈的基本物理性质

分类 第ⅢB族▪金属(镧系元素)
原子序号原子量 58(140.116)
电子配置 4f15d16s2
密度 6.773g/cm 
熔点 798°C
沸点 3426°C
形状 银灰色金属
丰度 46ppm(地壳)
发现者 Jöns Jakob Berzelius, Wilhelm Hisinger
主要的同位素 136Ce, 138Ce, 140Ce, 142Ce
用途例 发光增强剂、催化剂
前后的元素 镧-铈-镨

铈的发现

1752年,瑞典化学家克龙斯泰德发现了一种新的矿石,西班牙矿物学家唐·福斯图·德埃尔乌耶分析了之后认为它是钙和铁的硅酸盐。1803年德国化学家 Martin Heinrich Klaproth重新分析了该矿石,确定有一种新的金属氧化物存在,他将称它为ochra,矿石则称为ochroite,因为它在受灼烧时出现赭色(ochra有赭色之意)。

同年,瑞典化学家Jöns Jakob Berzelius和瑞典矿物学家Wilhelm Hisinger在分析瑞典产的Tungsten矿时,发现了一种与“钇土”性质十分相似但又完全不同的土。钇土溶于碳酸铵溶液,在煤气灯焰上灼烧时呈现红色,而这种土不溶于碳酸铵溶液,在煤气灯焰上灼烧没有呈现特征焰色。于是他们称它为ceria(铈土),元素名称定为cerium(铈),元素符号定为Ce,以纪念当时发现的一颗小行星谷神星Ceres。这就是铈元素被发现的过程。

严格说来,最初发现的“铈土”只能算作是铈的富集物,或者说是与镧镨钕等元素一起共生的轻稀土混合氧化物,当时镧镨钕等尚隐藏在“铈土”中,而未被人们所发现。[1-2]

金属铈

 

独居石

铈是镧系金属中储量最为丰富的元素,它在地壳中的丰度仅次于铜,比常见的锡和铅丰度更高。独居石是一种主要的含铈矿物,它的主要成分为(Ce,Y,La,Th)PO4,其主要所含的金属元素是铈和镧,理论含量Ce2O334%~99%,La2O334.74%。此外,独居石中也含有少量的钍-232,它会吸收慢中子变成铀-232,这一反射性过程会导致独居石产生多色晕环这一可以与其他矿石相区分的特征。

独居石的英文名称Monazite来自希腊文monazem,意为无伴独居之意,寓意矿物产出稀少。独居石单晶体呈板状或似楔形,或各向等长状;其色泽为浅黄色至浅红褐色,具有强玻璃光泽或松脂光泽至蜡状光泽,通常呈微透明至透明,其中不透明的大晶体常用于雕琢弧面型宝石。

独居石作为一种主要的铈矿石,也是铈的一个主要提取来源。独居石由于具有磁性,因此可以通过电磁选矿进行筛选分离,分离后,用热的浓硫酸处理,可以得到水溶性稀土硫酸盐。之后用氢氧化钠将酸性滤液部分中和至pH 3-4。钍会以氢氧化物的形式从溶液中沉淀出来并被除去。之后,用草酸铵处理溶液以将稀土转化为不溶的草酸盐。再通过退火将草酸盐转化为氧化物。除氧化铈以外的稀土氧化物会溶解在硝酸中,但氧化铈不溶于硝酸,因此会沉淀下来,从而分离出来。[3-6]

独居石

 

发光增强剂

铈最先被发现的用途是作为汽灯纱罩的发光增强剂,1885年,奥地利化学家Carl Auer von Welsbach正在寻找一种能发出白色强光的材料,他首先用镁,镧和氧化钇的混合物进行了实验,结果这些混合物产生了绿色的光,而不是明亮的白光,实验没有成功。六年后,他发现纯氧化钍能发出很好的蓝色光,于是他将其与氧化铈混合(按99%的氧化钍和1%的氧化铈的比例),结果产生了明亮的白色强光,它用于煤汽灯纱罩可以大大提高汽灯的亮度。而汽灯在当时电灯尚未普及的欧洲,是一种照明的主要光源,对于工业生产、商贸和生活至关重要。

后来电灯逐渐普及,汽灯逐渐淘汰,但铈也找到了新的用途。铈可以用于制造探照灯和电影放映机的电弧碳棒。与汽灯纱罩类似,其原理都是铈可以提高可见光转换效率。探照灯曾是战争防空的重要用具;而电弧碳棒也曾是放映电影所不可缺少的光源。

通过添加铈也可以增强颜料的光稳定性。它能够防止透明聚合物在阳光下变暗。铈也是电视屏幕和荧光灯中使用的荧光粉的重要组成部分。[7-10]

汽灯                                                                                 探照灯

 

催化剂

现在最为常用的汽车尾气催化剂为三元催化剂,在其中加入铈,可以提高催化剂性能并减少铂、铑、钯等贵金属的用量,并改善催化性能,使催化器的价格大幅下降。汽车尾气主要污染物为一氧化碳、碳氢化合物和氮氧化合物,他们会影响人体造血机能,形成光化学有毒烟雾并产生致癌物,对环境有巨大的危害性。尾气在通过三元催化剂时可以使碳氢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气和氧气。

此外,氧化铈也能作为钍燃烧的催化剂,这导致了Carl Auer von Welsbach商业上的巨大成功以及市场对于钍的大量需求,作为冶炼镧的一种副产品,它的产量持续提高;一种由50%铈、25%镧、其余为其他镧系元素组成的自燃合金也随之发明,这是镧系元素的一个重要应用。

铈的化合物也用作石油裂化的催化剂。[11-14]

添加铈的汽车尾气三元催化剂

 

参考文献

 

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