ОКСИД ЦЕРИЯ (IV): СТРУКТУРА, СВОЙСТВА, ПРИМЕНЕНИЕ - ХИМИЯ - 2025

Оксид церия (IV) , оксид или церий представляет собой белый или бледно - желтое твердое вещество неорганического получает путь окисления церия (С) для кислорода к его валентности 4+. Химическая формула оксида церия - CeO _2, и это наиболее стабильный оксид церия.

Церий (Ce) - элемент из ряда лантаноидов, входящих в группу редкоземельных элементов. Естественным источником этого оксида является минерал бастнасит. В промышленном концентрате этого минерала CeO ₂ можно найти в количестве примерно до 30% по весу.

Образец оксида церия (IV). Снимок сделан в августе 2005 года пользователем: Walkerma. {{PD-self}} Источник: Wikipedia Commons

CeO ₂ можно легко получить путем нагревания гидроксида церия (III), Ce (OH) ₃ или любой соли церия (III), такой как оксалат, карбонат или нитрат, на воздухе или в кислороде .

Стехиометрический CeO ₂ может быть получен путем реакции оксида церия (III) с элементарным кислородом при повышенной температуре. Кислород должен быть в избытке, и необходимо дать достаточно времени для завершения превращения различных нестехиометрических фаз, которые образуются.

Эти фазы представляют собой разноцветные продукты формулы CeO _x (где x изменяется от 1,5 до 2,0). Их также называют CeO _2-x , где x может иметь значение до 0,3. CeO ₂ - это наиболее широко используемая форма Ce в промышленности. Он имеет классификацию низкой токсичности, особенно из-за его плохой растворимости в воде.

Образец минерала бастнасит. Роб Лавинский, iRocks.com - CC-BY-SA-3.0 Источник: Wikipedia Commons

Структура

Стехиометрический оксид церия (IV) кристаллизуется во флюоритоподобной кубической решетке (CaF ₂ ) с ионами 8 O ^2- в кубической структуре, координированной с ионами 4 Ce ⁴⁺ .

Кристаллическая структура оксида церия (IV). Benjah-bmm27 Источник: Wikipedia Commons

Номенклатура

- Оксид церия (IV).

- Оксид церия.

- Диоксид церия.

- Церия.

- Стехиометрический оксид церия: материал, полностью состоящий из CeO ₂ .

- Нестехиометрический оксид церия: материал, образованный смешанными оксидами от CeO ₂ до CeO _1,5.

Свойства

Физическое состояние

Бледно-желтое твердое вещество. Цвет чувствителен к стехиометрии и присутствию других лантаноидов. Нестехиометрические оксиды часто имеют синий цвет.

Твердость по Моосу

6-6,1 примерно.

Молекулярный вес

172,12 г / моль.

Температура плавления

2600 ºC приблизительно.

плотность

7,132 г / см ³

Растворимость

Нерастворим в горячей и холодной воде. Растворим в концентрированной серной кислоте и концентрированной азотной кислоте. Нерастворим в разбавленных кислотах.

Показатель преломления

2.2.

Другие свойства

CeO ₂ - инертное вещество, на него не действуют сильные кислоты и щелочи. Однако его можно растворять кислотами в присутствии восстановителей, таких как перекись водорода (H ₂ O ₂ ) или олово (II), среди прочего, с образованием растворов церия (III).

Обладает высокой термостойкостью. Он не претерпевает кристаллографических изменений при обычных интервалах нагрева.

Его гидратированное производное ( CeO ₂ · nH ₂ O) представляет собой желтый студенистый осадок, который получают обработкой растворов церия (IV) основаниями.

CeO ₂ плохо всасывается из желудочно-кишечного тракта, поэтому не оказывает токсического действия.

Приложения

- В металлургической промышленности

CeO ₂ используется в электродах некоторых технологий сварки, таких как дуговая сварка вольфрамовым электродом в инертном газе.

Оксид мелкодисперсен по всей вольфрамовой матрице. При низких напряжениях эти частицы CeO ₂ обеспечивают большую надежность, чем один вольфрам.

- В стекольной промышленности

Полировка стекла

CeO ₂ может обесцветить натронно-известковые стаканы для бутылок, кувшинов и тому подобного. Ce (IV) окисляет примеси Fe (II), которые придают голубовато-зеленый цвет, до Fe (III), который дает желтый цвет в 10 раз слабее.

Радиационно-стойкое стекло

Добавление 1% CeO ₂ в стекло подавляет изменение цвета или потемнение стекла, вызванное бомбардировкой высокоэнергетических электронов в телевизионных очках. То же самое можно сказать и о стекле, используемом в окнах в горячих камерах ядерной промышленности, поскольку оно подавляет изменение цвета, вызванное гамма-излучением.

Считается, что механизм подавления зависит от присутствия в решетке стекла ионов Ce ⁴⁺ и Ce ³⁺ .

Светочувствительные очки

Некоторые составы стекла могут давать скрытые изображения, которые затем могут быть преобразованы в постоянную структуру или цвет.

Этот тип стекла содержит CeO _2, который поглощает УФ-излучение и высвобождает электроны в матрицу стекла.

После обработки в стекле появляются кристаллы других соединений, в результате чего создаются детализированные узоры для электронного или декоративного использования.

- В эмалях

Благодаря высокому показателю преломления CeO ₂ является глушителем в эмалевых композициях, используемых в качестве защитных покрытий на металлах.

Его высокая термостойкость и уникальная кристаллографическая форма во всем диапазоне температур, достигаемых в процессе глазурования, делают его пригодным для использования в глазури для фарфора.

В этом случае CeO ₂ обеспечивает желаемое белое покрытие при выгорании эмали. Это ингредиент, обеспечивающий непрозрачность.

- Из циркониевой керамики

Циркониевая керамика является теплоизолятором и используется при высоких температурах. Требуется добавка, чтобы иметь высокую прочность и ударную вязкость. Добавление CeO ₂ к диоксиду циркония дает материал с исключительной твердостью и хорошей прочностью.

Оксид циркония, легированный CeO _2, используется в покрытиях в качестве теплового барьера на металлических поверхностях.

Например, в частях авиационных двигателей эти покрытия защищают от высоких температур, которым могут подвергаться металлы.

Реактивный двигатель. Джефф Даль, испанский перевод Xavigivax Источник: Wikipedia Commons

- В катализаторах для контроля выбросов транспортных средств

CeO ₂ является активным компонентом удаления загрязняющих веществ из выбросов транспортных средств. Это во многом связано с его способностью накапливать или выделять кислород в зависимости от окружающих условий.

Каталитический нейтрализатор в автомобилях расположен между двигателем и выпускным отверстием для выхлопных газов. В нем есть катализатор, который должен окислять несгоревшие углеводороды, преобразовывать CO в CO ₂ и восстанавливать оксиды азота, NO _x , до N ₂ и O ₂ .

Каталитический нейтрализатор выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания автомобиля. Ahanix1989 в английской Википедии. Источник: Wikipedia Commons.

Помимо платины и других каталитических металлов, основным активным компонентом этих многофункциональных систем является CeO ₂ .

Каждый катализатор содержит 50–100 г мелкодисперсного CeO ₂ , который выполняет несколько функций. Наиболее важные из них:

Действует как стабилизатор глинозема с большой площадью поверхности.

Оксид алюминия с большой площадью поверхности имеет тенденцию к спеканию, теряя свою большую площадь поверхности во время работы при высоких температурах. Это задерживается присутствием CeO ₂ .

Он действует как высвобождающий кислородный буфер

Благодаря своей способности образовывать нестехиометрические оксиды CeO _2-x , оксид церия (IV) обеспечивает элементарный кислород из своей собственной структуры во время цикла обедненного кислородом / обогащенного топливом.

Таким образом, окисление несгоревших углеводородов, поступающих из двигателя, и превращение CO в CO _{2 могут продолжаться} , даже когда газообразного кислорода недостаточно.

Затем, в период цикла, обогащенного кислородом, он поглощает кислород и повторно окисляется, восстанавливая свою стехиометрическую форму CeO ₂ .

другие

Он работает как улучшитель каталитической способности родия в восстановлении оксидов азота NO _x до азота и кислорода.

- В катализе химических реакций

В процессах каталитического крекинга на нефтеперерабатывающих заводах CeO ₂ действует как каталитический окислитель, который помогает в превращении SO ₂ в SO ₃ и способствует образованию сульфатов в определенных ловушках процесса.

CeO ₂ улучшает активность катализатора на основе оксида железа, который используется для получения стирола из этилбензола. Возможно, это связано с положительным взаимодействием между восстановительными парами оксидов Fe (II) - Fe (III) и Ce (III) - Ce (IV).

- В биологических и биомедицинских приложениях

Было обнаружено, что наночастицы CeO ₂ действуют путем улавливания свободных радикалов, таких как супероксид, перекись водорода, гидроксил и радикал оксида азота.

Они могут защитить биологические ткани от радиационно-индуцированного повреждения, лазерного повреждения сетчатки, увеличить продолжительность жизни фоторецепторных клеток, уменьшить травмы позвоночника, уменьшить хроническое воспаление и способствовать ангиогенезу или образованию кровеносных сосудов.

Кроме того, было показано , что некоторые нановолокна, содержащие наночастицы CeO ₂ , токсичны в отношении штаммов бактерий, что является многообещающим кандидатом для бактерицидного применения.

- Другое использование

CeO ₂ является электроизоляционным материалом из-за его превосходной химической стабильности, высокой относительной диэлектрической проницаемости (он имеет высокую тенденцию к поляризации при приложении электрического поля) и кристаллической сетки, подобной кремнию.

Он нашел применение в конденсаторах и демпфирующих слоях сверхпроводящих материалов.

Он также используется в датчиках газа, материалах электродов твердооксидных топливных элементов, кислородных насосах и датчиках кислорода.

Ссылки

1. Коттон, Ф. Альберт и Уилкинсон, Джеффри. (1980). Продвинутая неорганическая химия. Четвертое издание. Джон Вили и сыновья.
2. Танец, JC; Emeléus, HJ; Сэр Рональд Найхолм и Тротман-Дикенсон, AF (1973). Комплексная неорганическая химия. Том 4. Пергамон Пресс.
3. Кирк-Отмер (1994). Энциклопедия химической технологии. Том 5. Издание четвертое. Джон Вили и сыновья.
4. Энциклопедия промышленной химии Ульмана. (1990). Пятое издание. Том A6. VCH Verlagsgesellschaft mbH.
5. Casals, Eudald et al. (2012). Анализ и риск наноматериалов в пробах окружающей среды и пищевых продуктов. В комплексной аналитической химии. Восстановлено с sciencedirect.com.
6. Маладил Т. Себастьян. (2008). Глинозем, титан, церий, силикат, вольфрамат и другие материалы. В диэлектрических материалах для беспроводной связи. Восстановлено с sciencedirect.com.
7. Афиш Раджан Уннитан и др. (2015). Матрицы с антибактериальными свойствами. В приложениях нанотехнологий для тканевой инженерии. Восстановлено с sciencedirect.com.
8. Готтарди В. и др. (1979). Полировка поверхности стекла, исследованного ядерным методом. Бюллетень Испанского общества керамики и стекла, том 18, № 3. Извлечено из boletines.secv.es.