Металлический церий ЦеМ-1

Церий (Ce) — наиболее распространённый элемент группы лантаноидов, атомный номер 58, атомная масса 140,116 а.е.м. В чистом виде представляет собой мягкий, ковкий и вязкий металл серебристо-серого цвета. Церий металлический применяется в металлургии, электровакуумной технике, химическом катализе и производстве специальных стёкол. Ниже рассмотрены физико-химические свойства церия, марки поставки, области промышленного применения и формы выпуска продукции.

Физические свойства металлического церия

Церий — один из немногих лантаноидов, имеющих четыре кристаллические модификации. Переходы между ними зависят от температуры и давления.

Кристаллические модификации церия

Церий кристаллический существует в четырёх аллотропных формах:

При комнатной температуре стабильна γ-модификация с плотностью 6,770 г/см³. Переход γ→α под давлением сопровождается аномальным увеличением плотности до ~8,16 г/см³ — так называемый «изоструктурный фазовый переход», уникальный для церия среди лантаноидов.

Химические свойства церия

Церий — химически активный редкоземельный элемент, неустойчивый на воздухе. При длительном контакте с влажной атмосферой он постепенно окисляется, превращаясь в рыхлый белый порошок — смесь оксидов и гидратированных карбонатов. Монолитный церий при нагреве на воздухе загорается при 160–180 °C, а мелкодисперсный порошок церия способен воспламеняться самопроизвольно (пирофорность).

При комнатной температуре церий взаимодействует с водой, растворяется в соляной, азотной и серной кислотах. При нагревании активно реагирует с галогенами, азотом, серой и углеродом. Для церия характерны две степени окисления: Ce(III) и Ce(IV), причём четырёхвалентное состояние Ce⁴⁺ — уникальная особенность, отличающая его от большинства других лантаноидов.

Основные соединения церия

В промышленности наибольшее значение имеют следующие соединения:

Сырьевая база и распространённость

Церий — наиболее распространённый из редкоземельных элементов. Его содержание в земной коре составляет около 70 г/т (7·10⁻³ % по массе). Церий присутствует практически во всех редкоземельных минералах, важнейшие из которых — монацит (фосфат цериевых лантаноидов), бастнезит (фторкарбонат), лопарит, церит, паризит и флюоцерит. Основные промышленные месторождения расположены в Китае, Австралии, Бразилии, Индии, США и России.

Способы получения металлического церия

Выделение церия из смеси редкоземельных элементов основано на его способности переходить в четырёхвалентное состояние Ce(IV), в отличие от соседних лантаноидов. Это позволяет отделять церий окислительными методами. Для разделения смесей РЗЭ применяют экстракцию, ионообменную хроматографию и другие методы.

Кальциетермическое восстановление

Металлический церий получают восстановлением трифторида церия CeF₃ металлическим кальцием в инертной атмосфере. Этим методом производят церий кальциетермический марок ЦеМ-1, ЦеМ-2 и ЦеМ-3, отличающихся степенью чистоты. Кальциетермическое восстановление позволяет получить металл с содержанием церия не менее 97–99 % в зависимости от марки.

Электролиз расплавов

Церий электролитический получают электролизом расплава хлорида церия CeCl₃ или фторида церия CeF₃ с использованием фонового электролита — смеси хлоридов калия и натрия. Этим методом производят церий марки ЦеЭ-0 (высокой чистоты). Данный способ обеспечивает более высокую чистоту металла по сравнению с кальциетермическим восстановлением.

Марки металлического церия и нормативная документация

Металлический церий поставляется в нескольких марках в зависимости от способа получения и чистоты:

Церий электролитический марки ЦеЭ-0 выпускается по ТУ 48-4-529-90. Церий кальциетермический — по ТУ 48-4-216-72.

Формы поставки церия

Металлический церий поставляется в различных формах для промышленного применения:

Хранение металлического церия требует герметичной заводской упаковки в закрытом складском помещении вдали от влаги, поскольку на воздухе металл постепенно окисляется.

Применение металлического церия в промышленности

Легирование и модифицирование сплавов

Основная область применения церия в промышленности — металлургия. Церий используют как легирующую и модифицирующую добавку:

Легирование конструкционных сталей церием повышает их прочность и снижает содержание вредных примесей серы и газов. Добавление 1 % церия к магниевым сплавам увеличивает прочность на разрыв и сопротивление ползучести. Сплавы церия с магнием и алюминием применяют в авиастроении благодаря сочетанию повышенной прочности и малой плотности. В металлургии церий наиболее часто вводят в составе лигатуры на основе никеля, магния или алюминия, а не в чистом виде.

В промышленности широко применяются мишметалл МЦ50Ж3, МЦ50Ж6 и ферроцерий — сплавы церия с железом и другими редкоземельными элементами. Их применение экономически целесообразнее, чем использование чистого церия.

Электровакуумная техника (геттеры)

Церий обладает исключительной способностью поглощать газы — кислород, водород, азот, углекислый газ и другие. Это свойство используется при создании высоковакуумных приборов: небольшое количество церия помещают внутрь устройства, где он связывает остаточные газы, увеличивая степень разрежения. Такие газопоглотители называются геттерами.

Катализ в химической и нефтяной промышленности

Диоксид церия CeO₂ (двуокись церия) применяется как катализатор ряда промышленных реакций: взаимодействия водорода с оксидом углерода (синтез-газ), дегидрогенизации спиртов. Сульфат церия(IV) Ce(SO₄)₂ рассматривается как катализатор окисления SO₂ в SO₃ в сернокислотном производстве.

Стекольная и оптическая промышленность

Добавление оксида церия в стекольные шихты придаёт стеклу способность блокировать ультрафиолетовое излучение. Церий-содержащие стёкла применяются в атомной технике для защиты от радиации, а также в медицинском и оптическом приборостроении. Диоксид церия (полирит) широко используется как абразив для финишной полировки оптических линз и зеркал.

Пирофорные сплавы и пьезозажигалки

Сплав церия с железом (ферроцерий) при ударе о стальную поверхность даёт сноп искр с температурой порядка 200 °C. Это свойство используется в кремнях для зажигалок, пирофорных составах и трассирующих средствах.

Твердотельные аккумуляторные батареи

Трифторид церия CeF₃ в сплаве с фторидом стронция применяется для создания твердотельных аккумуляторных батарей, в которых чистый металлический церий выступает в качестве анодного материала.

Особенности работы с церием

При работе с металлическим церием необходимо учитывать его высокую химическую активность. Мелкодисперсный порошок церия является пирофорным материалом — способен самовоспламеняться на воздухе. Монолитный церий загорается при нагреве свыше 160–180 °C. Особую опасность представляет контакт церия с расплавленным цинком — реакция протекает в виде мощного взрыва с яркой вспышкой.

Церий легко поддаётся механической обработке при комнатной температуре: ковке, прокатке, прессованию — но только в инертной атмосфере или под слоем защитного покрытия. При обработке на открытом воздухе поверхность быстро покрывается оксидной плёнкой.