Cer

Dieser Artikel behandelt das Element, zu weiteren Bedeutungen siehe CER.

Cer (IPA: [t͡seːɐ̯]^[12][13], anhören^ⓘ/?; seltener 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.

Eigenschaften
[Xe] 4f1 5d1 6s2 58Ce Periodensystem
Allgemein
Name, Symbol, Ordnungszahl	Cer, Ce, 58
Elementkategorie	Lanthanoide
Gruppe, Periode, Block	La, 6, f
Aussehen	silbrig weiß
CAS-Nummer	7440-45-1
EG-Nummer	231-154-9
ECHA-InfoCard	100.028.322
Massenanteil an der Erdhülle	43 ppm (28. Rang)[1]
Atomar[2]
Atommasse	140,116(1)[3] u
Atomradius	185 pm
Kovalenter Radius	204 pm
Elektronenkonfiguration	[Xe] 4f1 5d1 6s2
1. Ionisierungsenergie	5.5386(4) eV[4] ≈ 534.39 kJ/mol[5]
2. Ionisierungsenergie	10.956(20) eV[4] ≈ 1057.09 kJ/mol[5]
3. Ionisierungsenergie	20.1974(25) eV[4] ≈ 1948.75 kJ/mol[5]
4. Ionisierungsenergie	36.906(9) eV[4] ≈ 3560.9 kJ/mol[5]
5. Ionisierungsenergie	65.55(25) eV[4] ≈ 6320 kJ/mol[5]
Physikalisch[6]
Aggregatzustand	fest
Kristallstruktur	kubisch flächenzentriert
Dichte	6,773 g/cm3 (25 °C)[7]
Mohshärte	2,5
Magnetismus	paramagnetisch (χm = 1,4 · 10−3)[8]
Schmelzpunkt	1068 K (795 °C)
Siedepunkt	3743 K[9] (3470 °C)
Molares Volumen	20,69 · 10−6 m3·mol−1
Verdampfungsenthalpie	398 kJ/mol[9]
Schmelzenthalpie	5,5 kJ·mol−1
Schallgeschwindigkeit	2100 m·s−1 bei 293,15 K
Elektrische Leitfähigkeit	1,35 · 106 S·m−1
Wärmeleitfähigkeit	11 W·m−1·K−1
Chemisch[10]
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[11] Gefahr H- und P-Sätze H: 228 P: 231+232​‐​233​‐​280​‐​370+378​‐​402+404​‐​501[11]
Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen.

Cer ist ein silbergraues, relativ weiches, duktiles, paramagnetisches und reaktives Metall. Es ist das am häufigsten vorkommende Lanthanoid, es ist in etwa so häufig wie Kupfer. In reiner Form kommt Cer überhaupt nicht in der Natur vor, anstatt dessen wird das meiste Cer aus Ceriterden gewonnen. Die weltweite, jährliche Produktion von Cer liegt bei nur 24.000 Tonnen. Wie alle Lanthanoide ist Cer leicht giftig. Eine viel größere Gefahr ist allerdings die Entflammbarkeit von Cer; schon bei Temperaturen von nur 65 °C kann sich reines Cer von allein entzünden.

Cer wurde 1803 entdeckt, das reine Metall wurde allerdings erst 1825 hergestellt. Cer wurde nach dem wenige Jahre zuvor (1801) entdeckten Zwergplaneten Ceres benannt. Eine biologische Funktion von Cer ist bislang nur aus einer Bakterienart bekannt. Die Hauptverwendung von Cer ist die Herstellung von Mischmetall.

Geschichte

Metallisches Cer

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.^[14] 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.^[15]

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.^[16]

Eigenschaften

Phasendiagramm von Cer

Physikalische Eigenschaften

Von Cer sind vier Modifikationen bekannt:^[17]

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

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).^[18]

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, Gasentladungslampen 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 Kernspinresonanz
• zur Regeneration von Rußpartikelfiltern im Kraftstoff gelöst beigemischt
• Es wird als Oxidkathode testweise als CerHexaBorid angeboten^[19]
• als Teil von nichtedelmetallhaltigen Aufbrennlegierungen in der Zahntechnik (Keramik)
• als Oxidationsmittel für organische Synthesen mit Ceriumammoniumnitrat, (NH₄)₂Ce(NO₃)₆
• als Katalysator-Komponente zur Spaltung von CO₂. Ein Forscherteam um Dr. Dorna Esrafilzadeh der RMIT-Universität in Melbourne verwendet Cer als eine Komponente in einem Flüssigmetall-Katalysator, um das Treibhausgas CO₂ bei Raumtemperatur in Kohlenstoff und Sauerstoff zu spalten. Die katalytisch eingesetzte Flüssigmetall-Legierung aus Gallium, Indium, Zinn und Cer dient dabei als Stromleiter und Elektrolyt. In dem chemischen Prozess wird das dreiwertige Kation (Cer³⁺) zum metallischen Cer reduziert.^[20][21][22]

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, eines Enzyms im Methan-Stoffwechsel. Das Ion hat dabei die Rolle, die in ähnlichen Enzymen in anderen Bakterien von Calciumionen übernommen wird.^[23]

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 Ce₃O₅, 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
• Cerwolframat Ce₂(WO₄)₃

• 
  Cer(III)-chlorid
• 
  Cer(IV)-sulfat
• 
  Ammoniumcer(IV)-nitrat

Weblinks

Commons: Cer – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Wiktionary: Cer – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

• Eintrag zu Cer. In: Römpp Online. Georg Thieme Verlag