Cer

Eigenschaften
[Xe] 4f1 5d1 6s2 58 Ce Periodensystem
Allgemein
Name, Symbol, Ordnungszahl	Cer, Ce, 58
Serie	Lanthanoide
Gruppe, Periode, Block	La, 6, f
Aussehen	silbrig weiß
CAS-Nummer	7440-45-1
Massenanteil an der Erdhülle	43 ppm
Atomar
Atommasse	140,116(1) u
Atomradius (berechnet)	185 () pm
Kovalenter Radius	204 pm
Elektronenkonfiguration	[Xe] 4f1 5d1 6s2
1. Ionisierungsenergie	534,4 kJ/mol
2. Ionisierungsenergie	1050 kJ/mol
3. Ionisierungsenergie	1949 kJ/mol
4. Ionisierungsenergie	3547 kJ/mol
Physikalisch
Aggregatzustand	fest
Kristallstruktur	kubisch flächenzentriert
Dichte	6,773 g/cm3 (25 °C)
Mohshärte	2,5
Magnetismus	paramagnetisch (Χm = 1,4 · 10−3)
Schmelzpunkt	1068 K (795 °C)
Siedepunkt	3743 K (3470 °C)
Molares Volumen	20,69 · 10−6 m3/mol
Verdampfungswärme	398 kJ/mol
Schmelzwärme	5,5 kJ/mol
Schallgeschwindigkeit	2100 m/s bei 293,15 K
Elektrische Leitfähigkeit	1,35 · 106 A/(V · m)
Wärmeleitfähigkeit	11 W/(m · K)
Chemisch
Oxidationszustände	3, 4
Normalpotential	−2,34 V (Ce3+ + 3 e− → Ce)
Elektronegativität	1,12 (Pauling-Skala)
Isotope
Isotop NH t1/2 ZA ZE (MeV) ZP 134Ce {syn.} 3,16 d ε 0,500 134La 135Ce {syn.} 17,7 h ε 2,026 135La 136Ce 0,19 % Stabil 137Ce {syn.} 9,0 h ε 1,222 137La 138Ce 0,25 % Stabil 139Ce {syn.} 137,64 d ε 0,581 139La 140Ce 88,48 % Stabil 141Ce {syn.} 32,501 d β− 0,581 141Pr 142Ce 11,08 % 5 · 1016 a β−β− 4,505 142Nd 143Ce {syn.} 33,039 h β− 1,462 143Pr 144Ce {syn.} 284,893 d β− 0,319 144Pr
Weitere Isotope siehe Liste der Isotope
Sicherheitshinweise
GHS-Gefahrstoffkennzeichnung Gefahr H- und P-Sätze H: 228 P: 231+232​‐​233​‐​280​‐​370+378​‐​402+404​‐​501Vorlage:P-Sätze/Wartung/mehr als 5 Sätze
Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet. Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen.

Cer [t͡seːɐ̯] (auch Zer bzw. Cerium genannt) ist ein chemisches Element mit dem Elementsymbol Ce und der Ordnungszahl 58. Im Periodensystem steht es in der Gruppe der Lanthanoide und zählt damit auch zu den Metallen der Seltenen Erden.

Geschichte

Cer metallisch blank

Cer wurde 1803 von Jöns Jakob Berzelius und Wilhelm von Hisinger und gleichzeitig von Martin Heinrich Klaproth entdeckt. Es wurde nach dem Zwergplaneten Ceres benannt. Die Herstellung des Elements gelang Carl Gustav Mosander 1825 durch Reduktion des Chlorids mit Natrium.

Vorkommen

In der Natur kommt Cer vergesellschaftet mit anderen Lanthanoiden in sogenannten Ceriterden vor, wie zum Beispiel im Allanit (Ca, Ce, La, Y)₂(Al, Fe)₃(SiO₄)₃(OH), im Monazit (Ce, La, Th, Nd, Y)PO₄ sowie im Bastnäsit (Ce, La, Y)CO₃F. Cer ist das häufigste Element der Lanthanoide und steht in der Elementhäufigkeit auf Platz 28. In der Erdkruste, bis in eine Tiefe von 16 km gerechnet, ist es mit 68 g/t vertreten und kommt damit häufiger als Zinn oder Blei vor. Wichtige Lagerstätten befinden sich in Skandinavien, USA, Kongo, Südafrika und Indien. Die weltweit bekannten Cer-Reserven werden auf 40 Mio. Tonnen geschätzt. Cer gehört zu den sogenannten leichten Seltenen Erden, die 2014 von der BGR als unkritisch bezüglich der Versorgungslage eingeschätzt wurden. Elementares („gediegenes“) Cer kommt auf der Erde wegen seiner hohen Reaktivität nicht vor. Es wurde jedoch in mikroskopischen Partikeln in Mondgestein gefunden. Wahrscheinlich entsteht es auf dem Mond durch Impaktereignisse.

Gewinnung und Herstellung

Nach einer aufwendigen Abtrennung der Cer-Begleiter wird das Oxid mit Fluorwasserstoff zum Cerfluorid umgesetzt. Anschließend wird es mit Calcium unter Bildung von Calciumfluorid zum Cer reduziert. Die Abtrennung verbleibender Calciumreste und Verunreinigungen erfolgt in einer zusätzlichen Umschmelzung im Vakuum. Die jährliche Weltproduktion liegt bei ca. 24.000 t.

Eigenschaften

Phasendiagramm von Cer

Physikalische Eigenschaften

Von Cer sind vier Modifikationen bekannt:

$\mathrm {(\alpha )Cer\ _{\overrightarrow {-196\,^{\circ }\mathrm {C} }}\ (\beta )Cer\ _{\overrightarrow {-24\,^{\circ }\mathrm {C} }}\ (\gamma )Cer\ _{\overrightarrow {726\,^{\circ }\mathrm {C} }}\ (\delta )Cer}$

Das silbrigweiß glänzende Metall ist hinter Europium das zweitreaktivste Element der Lanthanoide. Oberhalb von 150 °C verbrennt es unter heftigem Glühen zum Cerdioxid. Mit Wasser reagiert es zum Cer(III)-hydroxid.

Chemische Eigenschaften

Cer kommt in Verbindungen als dreiwertiges farbloses oder vierwertiges gelbes bis orangefarbiges Kation vor.

Unter Wärmeeinfluss wird es durch Ethanol und Wasser sehr stark angegriffen. Auch in Laugen wird es unter Bildung von Cer-Hydroxiden stark angegriffen. In Säuren wird es zu Salzen gelöst.

Verwendung

Da sich die chemischen Eigenschaften der Seltenen Erden ähneln, wird metallisches Cer selten in Reinform eingesetzt, sondern in der Mischung, in der es bei der Herstellung aus den Seltenerd-Mineralien anfällt, dem sogenannten Mischmetall.

• In der Metallurgie dient Mischmetall als Zusatz für Aluminiumlegierungen und hochtemperaturbeständige Eisenbasislegierungen. Es unterstützt im Schmelzprozess die Abtrennung von Schwefel und Sauerstoff.
• Die Eisen-Mischmetall-Legierung Cereisen dient als Ausgangsstoff für Zündsteine für die Verwendung in Feuerzeugen und zur Erzeugung von Funkenregen auf Achterbahnen und in Filmszenen (Unfallszenen).

Geringe Beimengungen von (mehr oder weniger reinen) Cer-Verbindungen verleihen anderen Materialien bestimmte Eigenschaften:

• Cerdioxid (CeO₂) wird zur Stabilisierung des keramischen Katalysatorträgers aus Aluminiumoxid für Autoabgaskatalysatoren verwendet
• Bestandteil einiger Spezialgläser, zum Beispiel UV-Filter und Windschutzscheiben, und Enttrübungsmittel in der Glasherstellung
• Zur Färbung von Emaille
• Cerdioxid findet Verwendung als Poliermittel in der Glasbearbeitung
• Cer-dotierte Fluoreszenz-Farbstoffe (Leuchtstoffe) in Bildröhren und weißen Leuchtdioden
• als Dotierung in Glühstrümpfen
• Selbstreinigende Backöfen enthalten eine cerhaltige Beschichtung
• Cer(IV)-sulfat als Oxidationsmittel in der Quantitativen Analyse (Cerimetrie)
• als Kontrastmittel bei Kernresonanz
• als Leuchtstoff in Gasentladungsröhren
• zur Regeneration von Rußpartikelfiltern im Kraftstoff gelöst beigemischt
• als Teil von nichtedelmetallhaltigen Aufbrennlegierungen in der Zahntechnik (Keramik)
• als Oxidationsmittel für organische Synthesen mit CAN (Cerium ammonium nitrat), (NH₄)₂Ce(NO₃)₆

Biologische Bedeutung

2013 wurde erstmals ein Enzym in Bakterien entdeckt, das Cer-Ionen für seine Funktion benötigt. Die Bakterien der Art Methylacidiphilum fumariolicum wurden aus vulkanischen Schlammtümpeln in Italien isoliert. Sie benötigen Cer zum Aufbau der Methanol-Dehydrogenase, einem Enzym im Methan-Stoffwechsel. Das Ion hat dabei die Rolle, die in ähnlichen Enzymen in anderen Bakterien von Calciumionen übernommen wird.

Sicherheitshinweise

Cer ist, wie alle Lanthanoide, leicht giftig. Metallisches Cer kann sich schon ab 65 °C entzünden. Als fein verteiltes Metall kann es sich an der Luft ohne Energiezufuhr erhitzen und schließlich entzünden. Die Zündbereitschaft hängt u. a. sehr stark von der Korngröße und dem Verteilungsgrad ab. Cerbrände dürfen nicht mit Wasser gelöscht werden, da sich gasförmiger Wasserstoff entwickelt.

Verbindungen

Oxide

• Cer(III)-oxid Ce₂O₃, goldglänzender keramischer Feststoff
• Cer(IV)-oxid CeO₂
• Cer(III,IV)-oxid Ce₃O₄, blauer keramischer Feststoff

Halogenide

• Cer(III)-fluorid CeF₃
• Cer(IV)-fluorid CeF₄
• Cer(III)-chlorid CeCl₃ · 7 H₂O, weiße stark hygroskopische Substanz
• Cer(III)-bromid CeBr₃
• Cer(III)-iodid CeI₃

Sonstige Verbindungen

• Cer(III)-sulfat Ce₂(SO₄)₃ · 8 H₂O, farblose Substanz
• Cer(IV)-sulfat Ce(SO₄)₂, gelbe Substanz
• Cer(III)-nitrat Ce(NO₃)₃ · 6 H₂O
• Cer(III)-oxalat Ce₂(C₂O₄)₃ · 10 H₂O
• Ammoniumcer(IV)-nitrat (CAN) (NH₄)₂Ce(NO₃)₆, orangerot
• Ammoniumcer(IV)-sulfat (NH₄)₄Ce(SO₄)₄· H₂O
• Cer(IV)-perchlorat Ce(ClO₄)₄

• 

  Cer(III)-chlorid

• 

  Cer(IV)-sulfat

• 

  Ammoniumcer(IV)-nitrat

Weblinks

 Commons: Cer – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Wiktionary: Cer – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

• Cer. In: Römpp Online. Georg Thieme Verlag, abgerufen am 3. Januar 2015.

Periodensystem der Elemente

H

He

Li

Be

B

C

N

O

F

Ne

Na

Mg

Al

Si

P

S

Cl

Ar

K

Ca

Sc

Ti

V

Cr

Mn

Fe

Co

Ni

Cu

Zn

Ga

Ge

As

Se

Br

Kr

Rb

Sr

Y

Zr

Nb

Mo

Tc

Ru

Rh

Pd

Ag

Cd

In

Sn

Sb

Te

I

Xe

Cs

Ba

La

Ce

Pr

Nd

Pm

Sm

Eu

Gd

Tb

Dy

Ho

Er

Tm

Yb

Lu

Hf

Ta

W

Re

Os

Ir

Pt

Au

Hg

Tl

Pb

Bi

Po

At

Rn

Fr

Ra

Ac

Th

Pa

U

Np

Pu

Am

Cm

Bk

Cf

Es

Fm

Md

No

Lr

Rf

Db

Sg

Bh

Hs

Mt

Ds

Rg

Cn

Uut

Fl

Uup

Lv

Uus

Uuo

Alkalimetalle

Erdalkalimetalle

Lanthanoide

Actinoide

Übergangsmetalle

Metalle

Halbmetalle

Nichtmetalle

Halogene

Edelgase

unbekannt