58, Cer (Ce)

Cerium, Planetoid Ceres

Das Element Cer:

         
   
  La Ce Pr  
  Ac Th Pa  
         
 
   
   
   
   
   
   
   
Natürliche Entstehung von Cer (Nukleosynthese): Cer ensteht natürlich mit einem stabilen bzw. drei sehr langlebigen Isotopen während der Nukleosynthese. Die zwei leichteren Isotope Ce-136 und Ce-138 entstehen dabei infolge von γ-Prozessen (Gamma-Quanten-Einfang mit anschließendem β--Zerfall). Ce-140 und Ce-142 entstehen infolge von s-Prozessen in Roten Riesen und infolge von r-Prozessen nach Supernova-Explosionen. Dabei sind erwartungsgemäß die beiden letztgenannten Isotope die mit Abstand häufigsten, da alle Nuklide, die nur mittels p-Prozessen oder γ-Prozessen entstehen können, sehr selten im natürlichen Isotopengemisch sind. Von 10.000 Atomen Cer haben 8.845 eine Masse von 140, 1.111 eine von 142, aber nur 25 bestehen aus Ce-138 und 19 aus Ce-136.

Die Cer-Synthese:
136Ce-Synthese:
(γ-Prozess)

136Ba + 2,42 MeV → 136Ce + 2β-

138Ce-Synthese:
(γ-Prozess)

138Ba + 693 keV → 138Ce + 2β-

140Ce-Synthese:
(s- oder r-Prozess)

139La + n → 140Ce + β- + 8,92 MeV

56Fe + 84n → 140Ce + 32β- + 705 MeV

142Ce-Synthese:
(s- oder r-Prozess)

140Ce + 2n → 142Ce + 12,60 MeV

56Fe + 86n → 142Ce + 32β- + 718 MeV



Radioaktivität. Drei der vier Cer-Isotope sind radioaktiv. Einzig Ce-140 ist stabil. Daher hat Cer eine Aktivität von ca. 5,5 Bq/kg. Diese Aktivität ist strahlenschutzrechtlich nicht relevant, aber deutlich messbar. Natürlich zusammengesetztes Kalium strahlt etwa 5700 mal stärker. Ce-136 und Ce-138 zerfallen unter doppeltem Elektroneneinfang mit Halbwertszeiten von 7•1013 Jahren und 9•1013 Jahren; Ce-142 unter doppeltem Betazerfall (zu Nd-142) mit einer Halbwertszeit von 5•1016 Jahren.
Vorkommen von Cer: Cer ist im Universum durchschnittlich zu 10 μg/kg am Aufbau der Materie beteiligt (Rang 36). Auf der Erde ist das Metall überdies stark angereichert worden, so dass es an deren Aufbau zu rund 1 mg/kg beteiligt ist (Rang 38), die Erdkruste enthält das Metall zu 65,5 mg/kg (Rang 25), womit Cer zu den häufigeren Metallen zählt: Cer ist etwa so häufig wie Kupfer und Zink, und damit auch das häufigste der Lanthanoide.

Mineralisches Vorkommen von Cer. Wie alle Lanthanoide kommt auch Cer im Bastnäsit, Cer-Gadolinit und im Monazit vor - meist als Hauptbestandteil des Lanthanoid-Anteils der genannten Mineralien. Cer ist Hauptbestandteil des Cerits. Aus Cerit lässt sich mittels Abtrennung der Nicht-Lanthanoid-Oxide (MgO, SiO2, Fe2O3) die Cerit-Erde gewinnen. Sie stellt ein Gemisch aus den Oxiden von Cer, Praseodym, Neodym, Samarium, Europium und Gadolinum dar, wobei Ceroxid den Hauptbestandteil ausmacht.

Wichtige cerhaltige Mineralien

Bastnäsit, (La|Ce)CO3F[1]

Monazitsand, (Y|Ln)PO4,[2]

Cer-Gadolinit, Ln2FeBe2(SiO5)2[3]

Cerit (Ce)[4]


Cer-Gewinnung:
Gleich den anderen leichten Lanthanoiden (Lanthan, Praseodym, Neodym, Samarium, Europium, Gadolinium) wird Cer aus Monazitsand, Cerit bzw. Cer-Bastnäsit gewonnen. Hierzu werden diese Erze zerkleinert, durch Flotation angereichert und in Schwefelsäure gelöst. Die filtrierte und eisgekühlte Lösung wird anschließend mit Oxalsäure versetzt, wodurch alle Lanthanoide als Ln(III)oxalate ausfallen. Durch Komplexieren (z.B. mit Citronensäure oder anderen organischen Säuren bei definierten Bedingungen) und separates Absorbieren an Ionentauscher mit anschließender Rücklösung unter spezifischen Parametern können die einzelnen Lanthanoide dann fraktioniert werden. Die auf diese Weise erhältlichen organischen Lanthanoid-Salze können durch Glühen in die Oxide überführt werden. Diese wiederum werden mit Flusssäure oder Salzsäure umgesetzt, so dass entsprechend Fluoride bzw. Chloride erhalten werden.

Das so erhaltene Cer(III)fluorid bzw. Cer(III)chlorid unterzieht man dann nach Zusatz von Kaliumchlorid einer Schmelzelektrolyse. Von dem sich ebenfalls abscheidenen Kalium kann das Cer dann mittels Vakuum-Destillation gereinigt werden.

Schema: Darstellung der Lanthanoide[6]
Chemie von Cer: Cer hat die Elektronenkonfiguration [Xe] 6s2 4f2. Daher ist die bevorzugte Oxidationsstufe von Cer in seinen Verbindungen zwar +3, diese lassen sich jedoch chemisch zu Verbindungen der Oxidationsstufe +4 oxidieren. Cer(IV)verbindungen haben ähnlich stark oxidierende Eigenschaften, wie etwa Chromate(VI).

Verhalten an der Luft. Cer ist gleich allen Lanthanoiden ein sehr unedeles Metall. An der Luft überzieht es sich sofort mit einer gelben Oxidschicht aus Cer(III)oxid, welches mit Feuchtigkeit sofort zu Cer(III)hydroxid weiterreagiert. Angeritztes Cer-Metall kann sich spontan entzünden, gleichsam beim Erwärmen auf 150°C. Es verbrennt dabei in stark exothermer Reaktion zu Cer(IV)oxid.

Ce + O2 → CeO2 + 1089 kJ


Reaktion mit Wasser. Cer ist nach Europium das reaktivste Lanthanoid. Es reagiert lebhaft mit Wasser unter Bildung von Wasserstoff und Cer(III)hydroxid. Dieses ist - ähnlich dem Lanthanhydroxid - in seinen Eigenschaften dem Calciumhydroxid vergleichbar: Obgleich schwerlöslich in Wasser (In einem Liter Wasser lösen sich knapp 1 mg Cer(III)hydroxid), reagiert es deutlich alkalisch. So hat die gesättigte Lösung bereits einen pH-Wert von 8,7. In wässriger Lösung reagiert Ce(III)hydroxid ausschließlich basisch, die resultierenden Salze reagieren, soweit das Anion keine protolytische Aktivitäten zeigt, schwach sauer. Es ist also nicht amphoter. Lediglich beim Zusammenschmelzen mit Alkalioxiden sind "Cerite(III)" darstellbar, welche jedoch in Wasser augenblicklich und vollstädig zu Cer(III)hydroxid und Alkalihydroxid hydrolysieren (Analoges Verhalten wie etwa auch das Eisen(III)hydroxid zeigt; wodurch es beispielsweise möglich ist, dieses vom Aluminiumhydroxid infolge alkalischem Aufschluss zu trennen).

Hydrolyse von Cer(III)hydroxid und Cer(III)-Ionen

a) Alkalische Reaktion von Cer(III)hydroxid:
{Ce(OH)3} [Ce(OH)2]+ + OH-; pKb = 4,40

b) Saure Reaktion von Cer(III)-Ionen:
[Ce(H2O)9]3+ + H2O [Ce(H2O)8(OH)]2+ + [H3O]+; pKs = 8,35



Reaktionen mit Säuren, Cer-Salze. Cer, Cer(III)(hydr)oxid und Cer(IV)(hydr)oxid reagieren unter starker Wärmeentwicklung selbst mit schwachen Säuren zu ionisch aufgebauten Salzen. Cer(III)salze haben - soweit das Anion nicht farbig ist - keine Farbe, Cer(IV)salze erscheinen zitronen- bis orangegelb. Sie sind entsprechend des Standardnormalpotenzials kräftige Oxidationsmittel.

Cerimetrie Von der leichten Reduzierbarkeit der Cer(IV)salze macht man in der Cerimetrie Gebrauch, einem maßanalytischen Verfahren, bei welchem die Menge der vorliegenden (oxidierbaren) Substanz durch den Verbrauch einer Ammoniumcer(IV)sulfat-Lösung bestimmt werden kann. Als Indikator zum Anzeigen des Endpunktes ist Ferroin geeignet; die Farbe schlägt am Titrationsendpunkt von braun nach blassblau um.

Cerimetrie:

[Ce(SO4)3]2- + e- Ce3+ + 3 SO42-; ε0 = +1,44 V



Reaktionen mit Nichtmetallen verlaufen im Falle der Halogene Fluor, Chlor und Brom schon bei Raumtemperatur unter Feuererscheinung unter Bildung von Cer(IV)fluorid, Cer(III)chlorid bzw. Cer(III)bromid ab. Mit Iod, Schwefel und Phosphor reagiert das unedle Metall beim mäßen Erwärmen, aber dann ebenfalls unter Feuererscheinungen zu entsprechenden, ionisch aufgebauten Cer(III)salzen.

Einige Cer-Verbindungen

Cer(IV)sulfat[5]
Ce(SO4)2

Cer(IV)oxid[6]
CeO2

Ammoniumhexanitratocerat(IV)[7]
(NH4)2(NO3)6

Cer(III)oxalat[8]
Ce2(C2O4)3

Cer(III)nitrat[9]
Ce(NO3)3•9H2O

Cersulfat-Lösung[6]
UV-Licht (li), Tageslicht (re)


Physikalische Besonderheiten von Cer bzw. von seinen Verbindungen: Cersalze zeigen bei energetischer Anregung (Verdampfen oder Verbrennen) eine violett-gelbstichige Flammenfärbung. Sind die Cersalze durch größere Mengen an schweren Lanthanoiden verunreinigt, so kann die Flamme einen gelblich-grünen Farbton annehmen. Dieses Bild wurde mit einer Cersalz-Probe der Reinheit 99,99 % gemacht: Das Salz wurde per Zerstäubung in eine Luft-Acetylen-Flamme eingebracht und dann fotografiert.


Flammenfärbung eines[6]
Cer-Salzes

Verwendung von Cer und seinen Verbindungen : Cer hat einige wichtige Verwendungsmöglichkeiten in Industrie und Technik:
  • Cermischmetall ist das durch Reduktion gewonnene Seltenerd-Metallgemisch aus der Ceriterde. Es enthält daher hauptsächlich Cer, aber auch alle anderen Lanthanoide. Es ist jedoch - im Gegensatz zu reinen Lanthanoiden - recht preisgünstig herzustellen. Es wird als Legierungszusatz in der Stahlherstellung verwendet, wo es entschwefelnd und desoxidierend auf Eisenoxid-Reste in der Stahlschmelze wirkt. Zudem verbessert es die Guss- und Fließeigenschaften des Stahls.

  • Auermetall (oder auch Cereisen) ist eine pyrophore Legierung aus Cer und Eisen. Sie entzündet sich bereits nach Reibung, weswegen sie als Zündstein in Feuerzeugen Verwendung findet.
Cerverbindungen werden ebenfalls weit verbreitet in Industrie und Technik eingesetzt:
  • Autoabgaskatalysatoren enthalten eine Kermaik aus Aluminiumoxid und Ceroxid, auf welcher der Katalysator aufgetragen wird.

  • Beschichtungen aus Cerdioxid werden aufgrund ihrer Hitzebeständigkeit und guter thermischer Eigenschaften für selbstreinigende Backöfen verwendet.

  • Glühstrümpfe enthalten ein Gemisch aus 99% Thoriumdioxid und 1% Cerdioxid.
Verwendung von Cer und seinen Verbindungen

Glühstrumpf[10]

Zündsteine[11]

Cermischmetall als Zuschlagstoff
für die Stahlherstellung[12]


Biologische Bedeutung von Cer: Cerverbindungen haben keine oder nur geringe Toxizität; sie sind aber auch nicht essentiell für den Menschen.
Quellen: [1] Bildquelle: Wikimedia Commons. Urheber: Rob Lavinsky. Das Bild ist unter den Bedingungen der Creative Commons Lizenz freigegeben.

[2] Bildquelle: Bild einer US-Behörde, welches in Ausübung des Dienstes angefertig wurde. Solche Bilder sind gemeinfrei, wenn es nicht ausdrücklich anders angegeben ist.

[3] Bildquelle: Wikimedia Commons. Urheber: Western Devil. Das Bild ist unter den Bedingungen der Creative Commons Lizenz freigegeben.

[4] Bildquelle: Wikimedia Commons. Urheber: Didier Descouens. Das Bild ist von seinem Urheber als Public Domain veröffentlicht worden. Dies gilt weltweit.

[5] Bildquelle: Wikimedia Commons. Urheber: BXXXD. Das Bild ist unter den Bedingungen der Creative Commons Lizenz freigegeben.

[6] Eigenes Bild. Dieses Bild darf unter den Bedingungen der Creative Commons Lizenz frei verwendet werden. Bei Verwendung bitte einen Link auf mein Web-Angebot setzen.

[7] Bildquelle: Wikimedia Commons. Urheber: Walkerma. Das Bild ist von seinem Urheber als Public Domain veröffentlicht worden. Dies gilt weltweit.

[8] Bildquelle: Wikimedia Commons. Urheber: W. Oelen. Das Bild ist unter den Bedingungen der Creative Commons Lizenz freigegeben.

[9] Bildquelle: Wikimedia Commons. Urheber: Brücke Osteuropa. Das Bild ist unter den Bedingungen der Creative Commons Lizenz freigegeben.

[10] Bildquelle: Wikimedia Commons. Urheber: Fourpointsix. Das Bild ist unter den Bedingungen der Creative Commons Lizenz freigegeben.

[11] Bildquelle: Wikimedia Commons. Urheber: STALLKERL. Das Bild ist unter den Bedingungen der Creative Commons Lizenz freigegeben.

[12] Bildquelle: Wikimedia Commons. Urheber: Spypredator. Das Bild ist unter den Bedingungen der Creative Commons Lizenz freigegeben.