TLENEK CERU (IV): BUDOWA, WŁAŚCIWOŚCI, ZASTOSOWANIA - CHEMIA - 2026

Tlenek ceru (IV) lub tlenek ceru jest białą lub jasnożółtą substancję stałą nieorganiczną wytwarzane przez utlenianie ceru (Ce) na tlen do ich wartościowości 4+. Wzór chemiczny tlenku ceru to CeO ₂ i jest to najbardziej stabilny tlenek ceru.

Cer (Ce) to pierwiastek z szeregu lantanowców zaliczanych do metali ziem rzadkich. Naturalnym źródłem tego tlenku jest mineralny bastnasyt. W handlowym koncentracie tego minerału CeO ₂ można znaleźć w przybliżonej ilości do 30% wagowych.

Próbka tlenku ceru (IV). Zdjęcie zrobione w sierpniu 2005 przez użytkownika: Walkerma. {{PD-self}} Źródło: Wikipedia Commons

CeO ₂ można łatwo otrzymać przez ogrzewanie wodorotlenku ceru (III), Ce (OH) ₃ lub dowolnej soli ceru (III), takiej jak szczawian, węglan lub azotan, w powietrzu lub w tlenie .

Stechiometryczny CeO ₂ można otrzymać w podwyższonej temperaturze reakcji tlenku ceru (III) z tlenem pierwiastkowym. Tlen musi być w nadmiarze i należy pozostawić wystarczający czas na zakończenie konwersji różnych powstających faz niestechiometrycznych.

Fazy ​​te obejmują wielokolorowe produkty o wzorze CeO _x (gdzie x waha się od 1,5 do 2,0). Nazywa się je również CeO _2-x , gdzie x może mieć wartość do 0,3. CeO ₂ jest najpowszechniej stosowaną formą Ce w branży. Ma niską klasyfikację toksyczności, zwłaszcza ze względu na słabą rozpuszczalność w wodzie.

Próbka minerału bastnazytu. Rob Lavinsky, iRocks.com - CC-BY-SA-3.0 Źródło: Wikipedia Commons

Struktura

Stechiometryczny tlenek ceru (IV) krystalizuje w podobnej do fluorytu sześciennej sieci krystalicznej (CaF ₂ ), z 8 jonami O ² w sześciennej strukturze skoordynowanej z 4 jonami Ce ⁴⁺ .

Struktura krystaliczna tlenku ceru (IV). Benjah-bmm27 Źródło: Wikipedia Commons

Nomenklatura

- Tlenek ceru (IV).

- tlenek cerowy.

- Dwutlenek ceru.

- Ceria.

- Stechiometryczny tlenek ceru: materiał w całości utworzony przez CeO ₂ .

- Niestechiometryczny tlenek ceru: materiał utworzony przez mieszane tlenki od CeO ₂ do CeO _1,5

Nieruchomości

Stan fizyczny

Bladożółte ciało stałe. Kolor jest wrażliwy na stechiometrię i obecność innych lantanowców. Tlenki niestechiometryczne są często niebieskie.

Twardość Mohsa

6-6,1 około.

Waga molekularna

172,12 g / mol.

Temperatura topnienia

Około 2600 ºC.

Gęstość

7,132 g / cm ³

Rozpuszczalność

Nierozpuszczalny w gorącej i zimnej wodzie. Rozpuszczalny w stężonym kwasie siarkowym i stężonym kwasie azotowym. Nierozpuszczalny w rozcieńczonych kwasach.

Współczynnik załamania światła

2.2.

Inne właściwości

CeO ₂ jest substancją obojętną, nie jest atakowany przez mocne kwasy ani zasady. Można go jednak rozpuszczać kwasami w obecności czynników redukujących, takich jak nadtlenek wodoru (H ₂ O ₂ ) czy cyna (II), tworząc m.in. roztwory ceru (III).

Posiada wysoką stabilność termiczną. Nie ulega zmianom krystalograficznym podczas zwykłych przerw grzewczych.

Jego uwodniona pochodna ( CeO ₂ · nH ₂ O) jest żółtym i galaretowatym osadem otrzymywanym przez traktowanie roztworów ceru (IV) zasadami.

CeO ₂ jest słabo wchłaniany z przewodu pokarmowego, więc nie ma skutków toksycznych.

Aplikacje

- W przemyśle metalurgicznym

CeO ₂ jest stosowany w elektrodach w niektórych technologiach spawania, takich jak spawanie łukiem wolframowym w osłonie gazów obojętnych.

Tlenek jest drobno rozproszony w całej matrycy wolframu. Przy niskim napięciu te cząsteczki CeO ₂ zapewniają większą niezawodność niż sam wolfram.

- W przemyśle szklarskim

Polerowanie szkła

CeO ₂ może odbarwić szklanki sodowo-wapniowe do butelek, dzbanków i tym podobnych. Ce (IV) utlenia zanieczyszczenia Fe (II), które dają niebieskawo-zielony kolor, do Fe (III), które daje 10-krotnie słabszy żółty kolor.

Szkło odporne na promieniowanie

Dodatek 1% CeO ₂ do szkła ogranicza odbarwienie lub ciemnienie szkła spowodowane bombardowaniem wysokoenergetycznymi elektronami w okularach telewizyjnych. To samo dotyczy szkła używanego w oknach w gorących ogniwach w przemyśle nuklearnym, ponieważ tłumi odbarwienia wywołane promieniowaniem gamma.

Uważa się, że mechanizm supresji zależy od obecności jonów Ce ⁴⁺ i Ce ³⁺ w sieci szklanej.

Okulary światłoczułe

Niektóre preparaty szklane mogą wywoływać utajone obrazy, które można następnie przekształcić w trwałą strukturę lub kolor.

Ten rodzaj szkła zawiera CeO _2, który pochłania promieniowanie UV i uwalnia elektrony do szklanej matrycy.

Po obróbce generowany jest wzrost kryształów innych związków w szkle, tworząc szczegółowe wzory do zastosowań elektronicznych lub dekoracyjnych.

- W emalii

Ze względu na wysoki współczynnik załamania światła CeO ₂ jest środkiem zmętniającym w kompozycjach emalii stosowanych jako powłoki ochronne na metalach.

Wysoka stabilność termiczna oraz wyjątkowy kształt krystalograficzny w całym zakresie temperatur osiąganych podczas procesu glazurowania sprawiają, że nadaje się do stosowania w szkliwach porcelanowych.

W tym zastosowaniu CeO ₂ zapewnia pożądaną białą powłokę podczas wypalania emalii. To składnik zapewniający krycie.

- Z ceramiki cyrkonowej

Ceramika cyrkonowa jest izolatorem termicznym i jest używana w zastosowaniach wysokotemperaturowych. Wymaga dodatku, aby miał wysoką wytrzymałość i twardość. Dodanie CeO ₂ do tlenku cyrkonu daje materiał o wyjątkowej twardości i dobrej wytrzymałości.

Tlenek cyrkonu domieszkowany CeO ₂ jest stosowany w powłokach jako bariera termiczna na powierzchniach metalowych.

Na przykład w częściach silników lotniczych powłoki te chronią przed wysokimi temperaturami, na które narażone byłyby metale.

Silnik odrzutowy. Jeff Dahl, hiszpańskie tłumaczenie Xavigivax Źródło: Wikipedia Commons

- W katalizatorach do kontroli emisji spalin

CeO ₂ jest aktywnym składnikiem usuwania zanieczyszczeń z emisji pojazdów. Wynika to w dużej mierze z jego zdolności do magazynowania lub uwalniania tlenu w zależności od otaczających go warunków.

Katalizator w pojazdach silnikowych znajduje się pomiędzy silnikiem a wylotem spalin. Zawiera katalizator, który musi utleniać niespalone węglowodory, przekształcić CO w CO ₂ i zredukować tlenki azotu, NO _x , do N ₂ i O ₂ .

Katalizator spalin z silnika spalinowego pojazdu mechanicznego. Ahanix1989 w angielskiej Wikipedii Źródło: Wikipedia Commons

Oprócz platyny i innych metali katalitycznych, głównym aktywnym składnikiem tych wielofunkcyjnych systemów jest CeO ₂ .

Każdy katalizator zawiera 50-100 g drobno rozdrobnionego CeO ₂ , który spełnia kilka funkcji. Najważniejsze z nich to:

Działa jako stabilizator dla tlenku glinu o dużej powierzchni

Tlenek glinu o dużej powierzchni ma tendencję do spiekania się, tracąc swoją dużą powierzchnię podczas pracy w wysokiej temperaturze. Jest to opóźnione przez obecność CeO ₂ .

Zachowuje się jak środek uwalniający bufor tlenu

Ze względu na swoją zdolność do tworzenia niestechiometrycznych tlenków CeO _2-x , tlenek ceru (IV) dostarcza pierwiastkowy tlen o własnej strukturze w okresie cyklu ubogiego w tlen / bogatego w paliwo.

W ten sposób utlenianie niespalonych węglowodorów pochodzących z silnika i przemiana CO w CO2 _{może być kontynuowana} , nawet gdy gazowy tlen jest niewystarczający.

Następnie, w okresie cyklu bogatego w tlen, pobiera tlen i ponownie utlenia się, odzyskując swoją stechiometryczną formę CeO ₂ .

Inni

Działa jako polepszacz zdolności katalitycznej rodu w redukcji tlenków azotu NO _x do azotu i tlenu.

- W katalizie reakcji chemicznych

W procesach krakingu katalitycznego w rafineriach CeO ₂ działa jako utleniacz katalityczny, który pomaga w konwersji SO ₂ do SO ₃ i sprzyja tworzeniu się siarczanów w określonych pułapkach procesu.

CeO ₂ poprawia aktywność katalizatora na bazie tlenku żelaza, który jest używany do otrzymywania styrenu wychodząc z etylobenzenu. Jest to prawdopodobnie spowodowane dodatnim oddziaływaniem między parami redukcyjnymi tlenków Fe (II) - Fe (III) i Ce (III) - Ce (IV).

- W zastosowaniach biologicznych i biomedycznych

Stwierdzono, że nanocząsteczki CeO ₂ działają poprzez zmiatanie wolnych rodników, takich jak ponadtlenek, nadtlenek wodoru, hydroksyl i rodnik tlenku azotu.

Mogą chronić tkanki biologiczne przed uszkodzeniami wywołanymi promieniowaniem, uszkodzeniami siatkówki wywołanymi laserem, wydłużać żywotność komórek fotoreceptorów, zmniejszać urazy kręgosłupa, zmniejszać przewlekłe stany zapalne i promować angiogenezę lub tworzenie naczyń krwionośnych.

Ponadto wykazano , że niektóre nanowłókna zawierające nanocząsteczki CeO ₂ są toksyczne dla szczepów bakterii, co jest obiecującymi kandydatami do zastosowań bakteriobójczych.

- Inne zastosowania

CeO ₂ jest materiałem elektroizolacyjnym ze względu na doskonałą stabilność chemiczną, wysoką względną przenikalność elektryczną (ma dużą tendencję do polaryzacji pod wpływem pola elektrycznego) oraz siatkę krystaliczną podobną do krzemu.

Znalazł zastosowanie w kondensatorach i warstwach tłumiących materiałów nadprzewodzących.

Jest również stosowany w czujnikach gazu, materiałach elektrod do ogniw paliwowych ze stałym tlenkiem, pompach tlenu i monitorach tlenu.

Bibliografia

1. Cotton, F. Albert i Wilkinson, Geoffrey. (1980). Zaawansowana chemia nieorganiczna. Czwarta edycja. John Wiley & Sons.
2. Dance, JC; Emeléus, HJ; Sir Ronald Nyholm i Trotman-Dickenson, AF (1973). Kompleksowa chemia nieorganiczna. Tom 4. Pergamon Press.
3. Kirk-Othmer (1994). Encyklopedia technologii chemicznej. Tom 5. Wydanie czwarte. John Wiley & Sons.
4. Encyklopedia chemii przemysłowej Ullmanna. (1990). Piąta edycja. Tom A6. VCH Verlagsgesellschaft mbH.
5. Casals, Eudald i in. (2012). Analiza i ryzyko nanomateriałów w próbkach środowiskowych i żywności. W kompleksowej chemii analitycznej. Odzyskany z sciencedirect.com.
6. Mailadil T. Sebastian. (2008). Tlenek glinu, tytan, ceria, krzemian, wolframian i inne materiały. W materiałach dielektrycznych do komunikacji bezprzewodowej. Odzyskany z sciencedirect.com.
7. Afeesh Rajan Unnithan, i in. (2015). Rusztowania o właściwościach antybakteryjnych. W zastosowaniach nanotechnologii w inżynierii tkankowej. Odzyskany z sciencedirect.com.
8. Gottardi V. i in. (1979). Polerowanie powierzchni szkła badanego techniką nuklearną. Biuletyn Hiszpańskiego Towarzystwa Ceramiki i Szkła, tom 18, nr 3. Odzyskany z boletines.secv.es.