Cerium (Ce) – lantanidi: ominaisuudet, esiintyminen ja käyttökohteet

Tutustu ceriumiin (Ce): lantanidin ominaisuudet, esiintyminen luonnossa ja monipuoliset käyttökohteet elektroniikasta katalyytteihin — käytännön tiedot ja sovellukset.

Cerium on kemiallinen alkuaine, jonka järjestysluku on 58. Tämä tarkoittaa, että ceriumin ytimessä on 58 protonia. Ceriumin atomimassa on 140,12. Ceriumin kemiallinen merkki on Ce, ja se kuuluu lantanidiryhmään.

Ominaisuudet

Cerium on pehmeä, hopeanhohtoinen metalli, joka hapettuu helposti ilmassa muodostaen vaalean oksidikerroksen. Sen elektronikonfiguraatio voidaan merkitä yleisesti [Xe] 4f1 5d1 6s2, mikä antaa ceriumille tyypillisiä 4f-elektronin aiheuttamia kemiallisia ja elektronisia ominaisuuksia.

• Sulamispiste: noin 795 °C (noin 1068 K).
• Kiehumispiste: noin 3443 °C (noin 3716 K).
• Tiheys: noin 6,77 g/cm³.
• Yleisin hapetusluku: +3, mutta +4 esiintyy vakaana erityisesti ceriumdioksidina (CeO2).
• Magnetismi: paramagnetinen puhtaassa metallimuodossa; cerium-yhdisteillä voi olla monimutkaista elektronista käyttäytymistä (esim. väliarvoisuus ja Kondo-ilmiöt joissain yhdisteissä).

Esiintyminen ja kaivostoiminta

Cerium on yleisin lantanidi maankuoren pitoisuudella, joka on noin kymmeniä ppm–lukemia (arviolta ~60–70 ppm), joten sitä esiintyy suhteellisen runsaasti verrattuna muihin harvinaisiin maametalleihin. Ceriumia esiintyy pääasiassa mineraaleissa kuten monatsiitti ja bastnäsiitti, ja sitä louhitaan usein yhdessä muiden harvinaisten maametallien kanssa.

Erityispiirteitä kaivannaisprosessissa ovat lanthanidien kemiallinen samanlaisuus, mikä tekee erottelusta teknisesti haastavaa. Cerium ja muut lanthanoidit erotetaan tyypillisesti liuotin- ja ioninvaihtomenetelmillä.

Käyttökohteet

• Ceriumoksidi (CeO2): laajimmin käytetty cerium-yhdiste. Käytetään lasin ja optisten pintojen kiillotuksessa (glass polishing), katalysaattoreissa hapen varastointimateriaalina (automobiilien kolmeenapainen katalysaattori) ja kemiallisen mekaanisen planarisaation (CMP) prosesseissa puolijohdeteollisuudessa.
• Ferrocerium ja sytytinterät: seosmetalleihin perustuvat tuotteet (mischmetal) sisältävät usein ceriumia ja tuottavat kirkkaan kipinän; niitä käytetään mm. taskusytyttimissä ja ilotulituksessa.
• Katalyysit: cerium-pitoiset materiaalit parantavat katalyyttien toimintaa ja kestävyyttä erityisesti hapen varastointikyvyn ansiosta.
• Phosphorit ja valonlähteet: Ce3+-ionia käytetään fluoresoivissa ja LED-phosphoreissa (esimerkiksi YAG:Ce), jolloin saadaan haluttuja värisävyjä ja tehokasta valonmuunnosta.
• Metallurgia: ceriumia käytetään seosaineena tiettyjen alumiini- ja magnesiumseosten sekä terästen deoksointiin ja mikrorakenteen parantamiseen korkean lämpötilan sovelluksissa.
• Erikoissovellukset: tietyissä sähköisissä ja magneettisissa komponenteissa sekä tutkimuksessa ceriumin 4f-elektronin erikoisominaisuuksia hyödynnetään funktionaalisissa materiaaleissa.

Isotopit

Luonnossa cerium koostuu useista vakaan oloisista isotopista; yleisimmät ovat Ce‑140 (selvä enemmistö) ja Ce‑142. Muita epäsuuremmissa määrin esiintyviä vakaita isotooppeja ovat Ce‑136 ja Ce‑138. Radioaktiivisia cerium-isotooppeja syntyy myös ydinreaktioissa ja niitä käytetään joskus säteilyn tutkimuksessa.

Ympäristö- ja turvallisuusnäkökohdat

• Ceriumin metallinen muoto ja suurin osa cerium-yhdisteistä ovat kemiallisesti kohtalaisen vähätoksisia verrattuna moniin muihin raskasmetalleihin, mutta pölyjen ja nanopartikkelien hengittäminen voi aiheuttaa keuhkoärsytystä ja pitkäaikaista haittaa.
• Monazite-tyyppisten malmien mukana voi tulla radioaktiivisia sivutuotteita (thoriumia, uraania), mikä asettaa ympäristö- ja jätehuoltorajauksia mineraalien käsittelylle.
• Kierrätys ja vastuullinen kaivostoiminta ovat tärkeitä ceriumin kestävän käytön kannalta, sillä harvinaisten maametallien louhinta voi vaikuttaa paikalliseen ympäristöön ja vesistöihin.

Nimi ja historialliset tiedot

Nimi cerium tulee asteroidin (nykyään kääpiöplaneetan) Ceresin mukaan; alkuaine löydettiin 1800-luvun alkuvuosikymmenillä osana lantanidien tutkimusta. Cerium oli yksi ensimmäisistä löydetyistä lantanideista, ja se on nykyään yksi kaupallisesti merkittävimmistä harvinaisista maametalleista.

Yhteenveto

Cerium (Ce) on monikäyttöinen ja suhteellisen runsas lantanidi, joka on tärkeä teollisuuden raaka-aine erityisesti katalyysien, lasin kiillotuksen ja elektroniikan sovelluksissa. Sen kemiallinen joustavuus (+3 ja +4 hapetusluvut) ja erityisesti ceriumoksidin hapen varastointikyky tekevät siitä arvokkaan materiaalin moderneissa teknologiassa käytettävissä prosesseissa. Samalla kaivostoiminnan ja jätehuollon ympäristövaikutukset edellyttävät huolellista käsittelyä ja kierrätyksen kehittämistä.

Hae kirjaimella