세륨

Cerium
세슘(세슘이라고도 함)이나 큐륨과 혼동하지 마십시오.
세륨, 세
세륨
발음/ˈ ɪə리 əm/ (SEER-ee-əm)
외모은백의
표준 원자량 Ar°(Ce)
  • 140.116±0.001
  • 140.12±0.01 (abridged)[1]
주기율표에서 세륨
수소 헬륨
리튬 베릴륨 붕소 탄소 질소 산소 플루오린 네온
나트륨 마그네슘 알루미늄 실리콘 인 유황 염소 아르곤
칼륨 칼슘 스칸듐 티타늄 바나듐 크롬 망간 철 코발트 니켈 구리 아연 갈륨 게르마늄 비소 셀레늄 브로민 크립톤
루비듐 스트론튬 이트리움 지르코늄 니오븀 몰리브덴 테크네튬 루테늄 로듐 팔라듐 실버 카드뮴 인듐 주석 안티몬 텔루륨 요오드 제논
세슘 바륨 란타넘 세륨 프라세오디뮴 네오디뮴 프로메튬 사마륨 유로퓸 가돌리늄 테르븀 디스프로슘 홀뮴 에르븀 툴륨 이터븀 루테튬 하프늄 탄탈룸 텅스텐 레늄 오스뮴 이리듐 플래티넘 골드 수은(원소) 탈륨 이끌다 비스무트 폴로늄 아스타틴 라돈
프랑슘 라듐 악티늄 토륨 프로탁티늄 우라늄 넵투늄 플루토늄 아메리슘 큐륨 베르켈륨 칼리포르늄 아인슈타이늄 페르뮴 멘델레븀 노벨륨 로렌시움 러더포디움 두브늄 시보르기움 보륨 하시움 미트네륨 다름슈타디움 뢴트게늄 코페르니슘 니혼륨 플레로븀 모스코비움 리보모륨 테넨신 오가네손
–
↑
쎄
↓
그
란탄 ← 세륨 → 프라세오디뮴
원자번호 (Z)58
그룹.f-블록 그룹(숫자 없음)
기간6교시
블록 f-블록의
전자구성[Xe] 4f1 5d1 6s2[2]
포탄당 전자2, 8, 18, 19, 9, 2
물성
단계 STP에서단단한
융점1068 K (795 °C, 1463 °F)
끓는점3716 K (3443 °C, 6229 °F)
밀도 (근처)6.770g/cm3
액체일 때에6.55g/cm3
융해열5.46kJ/mol
기화열398kJ/mol
몰열용량26.94 J/(mol·K)
증기압
P (Pa) 1 10 100 1k 10k 100k
(K)에 1992 2194 2442 2754 3159 3705
원자적 성질
산화상태+1, +2, +3, +4 (약간 염기성 산화물)
전기음성도폴링 눈금: 1.12
이온화 에너지
  • 1st: 534.4 kJ/mol
  • 2nd: 1050 kJ/mol
  • 3rd: 1949 kJ/mol
  • (더)
원자반지름경험적: 오후 181.8
공유반지름오후 204±9
Color lines in a spectral range
세륨 스펙트럼선
기타속성
자연발생원시의
결정구조 이중육각밀착포장(dhcp)
Double hexagonal close packed crystal structure for cerium

β-Ce
결정구조 면심입방(fcc)
Face-centered cubic crystal structure for cerium

γ-체
음속 가느다란 막대2100 m/s (at 20 °C)
열팽창γ, poly: 6.3 µm/(m⋅K) (at r.t.)
열전도율11.3W/(m⋅K)
전기 비저항β, 폴리: 828 N ω ⋅m ( at )
자기순서상자성의[3]
몰 자기 감수성(β) +2450.0×10−6 cm3/mol (293 K)[4]
영률γ form: 33.6 GPa
전단 탄성률γ form: 13.5 GPa
부피 탄성률γ form: 21.5 GPa
포아송비γ 양식 : 0.24
모스 경도2.5
비커스 경도210–470 MPa
브리넬 경도186–412 MPa
CAS 번호7440-45-1
역사
네이밍로마의 농업신 세레스의 이름을 따서 명명된 왜행성 세레스의 이름을 따왔습니다.
디스커버리마르틴 하인리히 클라프로트, 욘스 야코프 베르셀리우스, 빌헬름 히징거 (1803)
1차 격리칼 구스타프 모산데르 (1838)
세륨 동위 원소
주동위원소[5] 썩음
흥겨운 ­춤 반감기 (t1/2) 모드 ­ 제품
134쎄 신스 3.16 d ε 134라
136쎄 0.186% 안정적인.
138쎄 0.251% 안정적인.
139쎄 신스 137.640d ε 139라
140쎄 88.4% 안정적인.
141쎄 신스 32.501 d β− 141프르
142쎄 11.1% 안정적인.
143쎄 신스 33.039 h β− 143프르
144쎄 신스 284.893 d β− 144프르
카테고리: 세륨
참고 문헌

세륨은 화학 원소로 기호는 Ce이고 원자 번호는 58입니다. 세륨은 부드럽고 연성이며 은백색의 금속으로 공기에 노출되면 변색됩니다. 세륨은 란탄 계열의 두 번째 원소로, 계열의 산화 상태가 +3인 경우가 많지만 물을 산화시키지 않는 안정한 +4 상태도 가지고 있습니다. 그것은 또한 희토류 원소 중 하나로 여겨집니다. 세륨은 인간에게 알려진 생물학적 역할은 없지만 격렬하거나 지속적으로 노출되는 것을 제외하고는 특별히 독성이 없습니다.

세륨은 모나자이트와 바스트네사이트 그룹과 같은 광물의 다른 희토류 원소들과 항상 함께 발생하지만, 수용액에서 +4 상태로 산화되는 독특한 능력에 의해 란타넘족들 사이에서 구별될 수 있기 때문에 광석으로부터 추출하기 쉽습니다. 란타넘족 중 가장 흔하며 네오디뮴, 란타넘, 프라세오디뮴 순입니다. 그것은 지구 지각의 66ppm을 구성하며 염소의 절반, 납의 5배에 달하는 25번째로 풍부한 원소입니다.

세륨은 스웨덴 바스트네스에서 발견된 최초의 란타넘족이었습니다. 1803년 욘 야코프 베르셀리우스와 빌헬름 히싱어가 발견했고, 같은 해 독일의 마르틴 하인리히 클라프로트가 독자적으로 발견했습니다. 1839년 칼 구스타프 모산더는 금속을 분리한 최초의 사람이 되었습니다. 오늘날 세륨과 그 화합물은 다양한 용도로 사용됩니다. 예를 들어 세륨(cerium)IV) 산화물은 유리를 연마하는 데 사용되며 촉매 변환기의 중요한 부분입니다. 세륨 금속은 발열성 특성으로 페로세륨 라이터에 사용됩니다. 세륨이 도핑된 YAG 형광체는 대부분의 상용 백색 LED 광원에서 백색광을 생성하기 위해 청색 발광 다이오드와 함께 사용됩니다.

특성.

물리적.

세륨은 란탄 계열의 두 번째 원소입니다. 주기율표에서 왼쪽의 란타넘과 오른쪽의 프라세오디뮴 사이, 그리고 악티니드 토륨 위에 나타납니다. 은과 비슷한 경도를 가진 연성 금속입니다.[6] 58개의 전자는 [Xe]4f5d6s의112 구성으로 배열되어 있으며, 그 중 4개의 외부 전자는 원자가 전자입니다.[7] 4f, 5d, 6s 에너지 준위는 서로 매우 가까우며, 하나의 전자가 5d 쉘로 전달되는 것은 컴팩트한 4f 쉘의 강한 전자간 반발력 때문입니다. 이 효과는 원자가 양으로 이온화될 때 압도됩니다. 따라서 일부 고체2+ 용액에서는 [Xe]4f5d일11 수 있지만 Ce 자체가 [Xe]4f의2 규칙적인 구성을 갖습니다.[8] 대부분의 란타넘족은 3개의 전자만 원자가 전자로 사용할 수 있으며, 그 후 나머지 4f 전자는 너무 강하게 결합되어 있습니다. 세륨은 Ce의4+ 빈 f-쉘의 안정성과 란타넘족 계열의 매우 이른 시기에 온다는 사실 때문에 예외입니다. 네 번째 원자가 전자를 화학적 방법으로 제거할 수 있을 정도로 네오디뮴이 될 때까지 핵 전하가 여전히 낮은 경우.[9]

세륨은 가변적인 전자 구조를 가지고 있습니다. 4f 전자의 에너지는 금속 상태에서 비국재화된 외부 5d 전자와 6s 전자의 에너지와 거의 동일하며, 이러한 전자 수준의 상대적 점유율을 변화시키기 위해서는 소량의 에너지만 필요합니다. 이로 인해 이중 원자가 상태가 발생합니다. 예를 들어, 세륨이 높은 압력이나 낮은 온도에 노출될 때 약 10%의 부피 변화가 발생합니다. 원자가는 냉각되거나 압축될 때 약 3에서 4까지 변화하는 것으로 나타납니다.[10]

원소의 화학적 성질

다른 란타넘족과 마찬가지로 세륨 금속은 Ce/Ce 커플의 표준 환원 전위가 E = -2.34 V인 좋은 환원제입니다. 공기 중에 변색되어 철녹과 같은 패시베이션 산화물층을 형성합니다. 센티미터 크기의 세륨 금속 샘플은 약 1년 만에 완전히 부식됩니다. 더 극적으로, 금속 세륨은 높은 발열성을 가질 수 있습니다.[12]

Ce + O2 → CeO2

세륨은 전기적으로 매우 양성이기 때문에 물과 반응합니다. 차가운 물에서는 반응이 느리지만 온도가 증가함에 따라 속도가 빨라져 세륨(III) 수산화물과 수소 가스가 생성됩니다.[13]

2 Ce + 6 H2O → 2 Ce(OH)3 + 3 H2

동소체

Cerium phase diagram
세륨의 위상도

4가지 등방성 형태의 세륨이 표준 압력에서 존재하는 것으로 알려져 있으며 α에서 δ까지의 일반적인 라벨이 부여됩니다.

  • 고온 형태인 δ-세륨은 bcc(체심입방정계) 결정 구조를 가지며 726°C 이상에 존재합니다.
  • 726 °C 이하에서 대략 실온까지 안정적인 형태는 fcc(얼굴 중심 입방체) 결정 구조를 가진 γ-세륨입니다.
  • β-세륨 형태의 DHCP(이중 육각형 밀접 포장)는 실온에서 -150 °C까지의 평형 구조입니다.
  • fcc 형태의 α-세륨은 약 -150 °C 이하에서 안정적이며 밀도는 8.16 g/cm입니다3.
  • 고압에서만 발생하는 다른 고체 상은 위상 다이어그램에 표시됩니다.
  • γ 및 β 형태 모두 상온에서 상당히 안정적이지만 평형 변환 온도는 75°C로 추정됩니다.

낮은 온도에서 세륨의 거동은 변형 속도가 느리기 때문에 복잡합니다. 변환 온도는 상당한 히스테리시스의 영향을 받으며 여기에 인용된 값은 대략적입니다. -15 °C 이하로 냉각되면 γ-세륨이 β-세륨으로 변하기 시작하지만 변환은 부피 증가를 수반하고 β가 더 많이 형성되면 내부 응력이 축적되어 더 이상의 변환을 억제합니다. 약 -160 °C 이하로 냉각하면 α-세륨이 형성되기 시작하지만 이것은 오직 남아있는 γ-세륨에서만 발생합니다. β-세륨은 스트레스나 변형이 있는 경우를 제외하고는 α-세륨으로 크게 변형되지 않습니다.[14] 대기압에서 액체 세륨은 녹는점에서 고체 형태보다 밀도가 높습니다.[6][15][16]

동위 원소

주 기사: 세륨 동위 원소

자연적으로 존재하는 세륨은 Ce(0.19%), Ce(0.25%), Ce(88.4%), Ce(11.1%)의 네 가지 동위원소로 이루어져 있습니다. 이론적으로는 빛 동위원소 Ce와 Ce가 바륨 동위원소로 이중 전자 포획을 하고, 가장 무거운 동위원소 Ce는 Nd로 이중 베타 붕괴를 하거나 Ba로 알파 붕괴를 할 것으로 예상되지만, 네 가지 모두 관측상 안정적입니다. 또한 Ce는 자발적인 핵분열 시 에너지를 방출합니다. Ce, Ce, Ce의 이중 베타 붕괴는 실험적으로 연구되었지만 이러한 붕괴 모드는 아직 관찰되지 않았습니다. 반감기에 대한 현재의 실험 한계는 다음과 같습니다.[17]

136Ce: >3.8x1016 y
138Ce: >5.7x1016 y
142Ce: >5.0x1016 y

다른 모든 세륨 동위원소는 합성이고 방사성입니다. 그 중 가장 안정한 것은 반감기가 284.9일인 Ce, 반감기가 137.6일인 Ce, 반감기가 32.5일인 Ce입니다. 다른 방사성 세륨 동위 원소들은 모두 반감기가 4일 미만이고, 대부분은 10분 미만의 반감기를 가지고 있습니다.[17] 포함된 Ce와 Ce 사이의 동위원소는 우라늄의 핵분열 생성물로 발생합니다.[17] Ce보다 가벼운 동위 원소의 주요 붕괴 모드는 역 베타 붕괴 또는 란타넘 동위 원소로의 전자 포획인 반면, 더 무거운 동위 원소의 붕괴는 프라세오디뮴 동위 원소로의 베타 붕괴입니다.[17] 네오디뮴의 일부 동위원소는 알파 붕괴할 수 있거나 세륨 동위원소로 붕괴할 것으로 예측됩니다.[18]

양성자가 풍부한 Ce와 Ce의 희귀성은 철을 넘어 원소에 대한 항성 핵합성의 가장 일반적인 과정인 s-과정(느린 중성자 포획)과 r-과정(빠른 중성자 포획)에서 만들어질 수 없다는 사실로 설명됩니다. 이는 s-프로세스의 반응 흐름에 의해 우회되고 r-프로세스 핵종이 중성자가 풍부한 안정 핵종에 의해 붕괴되는 것이 차단되기 때문입니다. 그러한 핵들은 p-핵이라고 불리고, 그 기원은 아직 잘 알려져 있지 않습니다: 그들의 형성을 위한 몇몇 추측된 메커니즘은 양성자 포획과 광분해를 포함합니다.[19] 140Ce는 s-과정과 r-과정 모두에서 생성될 수 있는 반면, Ce는 r-과정에서만 생성될 수 있기 때문에 세륨의 가장 흔한 동위원소입니다. Ce가 풍부한 또 다른 이유는 폐쇄된 중성자 껍질(중성자 82개)을 가진 마법의 핵이기 때문에 추가 중성자 포획을 위한 단면이 매우 낮기 때문입니다. 양성자 번호 58은 마법이 아니지만, 마법 번호 50을 지난 8개의 양성자가 추가로 들어와7/2 1g 양성자 궤도를 완성하기 때문에 추가적인 안정성이 부여됩니다.[19] Ce와 Ce는 각각 장수하는 원시 방사성 핵종 La와 Nd의 딸이기 때문에 세륨 동위 원소의 존재비는 천연원에서 매우 약간 다를 수 있습니다.[17]

컴파운드

세륨은 Ce(III)와 Ce(IV)의 두 가지 주요 산화 상태로 존재합니다. 이 한 쌍의 인접한 산화 상태가 이 원소의 화학적 특징을 지배합니다. 세륨()IV) 수용액은 세륨(III) 용액과 강한 산화제인 퍼옥소디설페이트 또는 비스무테이트를 반응시켜 제조될 수 있습니다. E⦵(Ce4+/Ce3+)의 값은 +1.72 V가 대표적이지만 다양한 음이온과의 착화 및 가수분해가 상대적으로 용이하기 때문에 조건에 따라 매우 다양합니다. 세륨은 +4 산화 상태에서 중요한 수성 및 배위 화학을 갖는 유일한 란탄입니다.[11]

할리데스

세륨은 일반적으로 산화물과 할로겐화수소의 반응에 의해 4개의 트리할라이드 CeX(X = F, Cl, Br, I)를 모두 형성합니다. 무수 할로겐화물은 옅은 색, 상자성, 흡습성 고체입니다. 수화 시, 트리할라이드는 수성 복합체[Ce(HO2)]8-93+를 포함하는 복합체로 전환됩니다. 대부분의 란탄과 달리 Ce는 흰색 고체인 4불화물을 형성합니다. 또한 금속성을 가진 청동색의 요오드화물을 형성합니다.[20] 2원 할로겐화물 상 이외에도 다수의 음이온성 할로겐화물 복합체가 알려져 있습니다. 불소는 Ce(IV) 유도체를 생성합니다. CeF4−8 and CeF2−6. 염화물은 오렌지색의 CeCl2-6을 제공합니다.[11]

산화물과 칼코게나이드

세륨()IV) 산화물("ceria")은 프라세오디뮴과 테르븀의 이산화물과 유사한 플루오라이트 구조를 가지고 있습니다. 세리아는 비화학량론적 화합물로, 실제 공식은 CeO이고2−x, 여기서 x는 약 0.2입니다. 따라서 재료가 Ce(IV)로 완벽하게 설명되지는 않습니다. 세리아는 수소 가스와 함께 세륨(III) 산화물로 환원됩니다.[21] 또한 3가 CeZ(Z = S, Se, Te)와 함께 많은 비화학량론적 칼코게나이드가 알려져 있습니다. 단칼코게나이드 CeZ는 전기를 전도하므로 CeZe로3+2−− 공식화하는 것이 좋습니다. CeZ는2 알려져 있지만, 이들은 세륨(cerium)을 갖는 폴리칼코게나이드(polychalcogenide)입니다.III): 세륨(IV) S, Se 및 Te의 유도체는 알려져 있지 않습니다.[21]

세륨()IV) 단지들

Ceric ammonium nitrate
질산세르산암모늄

세륨계 화합물인 질산세륨("CAN")(NH4)[2Ce(NO3)]6은 실험실에서 가장 흔히 접할 수 있는 세륨계 화합물입니다. 6개의 질산염 리간드는 2중 리간드로 결합합니다. 복소 [Ce(NO3)]62−는 12좌표로, 높은 배위수로 Ce4+ 이온의 큰 크기를 강조합니다. CAN은 화학량론적 시약[22] 및 촉매로서 유기 합성에서 일반적으로 사용되는 산화제입니다.[23] 저렴하고 쉽게 다룰 수 있습니다. 1전자 산화 환원 방식으로 작동합니다. 질산염 세륨은 또한 18-크라운-6(질산염과 크라운 에테르 사이의 비율)과 4:3 및 1:1 복합체를 형성합니다. 고전적인 CAN은 정량 분석을 위한 기본 표준입니다.[6][24] 세륨()IV) 염, 특히 세륨(cerium)IV) 황산염, 종종 세리메트릭 적정에서 체적 분석을 위한 표준 시약으로 사용됩니다.[25]

A white LED in operation
작동 중인 흰색 LED: 다이오드에서 단색 청색광이 나오지만 Ce:YAG 형광체는 그것의 일부를 노란색 빛으로 바꾸고, 그 조합은 인간의 눈에 흰색으로 인식됩니다.

리간드-금속 전하 이동으로 인해 수성 세륨()IV) 이온은 주황색-노란색입니다.[26] 수성 세륨()IV)는[27] 물에서 준안정성을 가지며, 염소 가스를 주기 위해 염산을 산화시키는 강한 산화제입니다.[11] 벨루소프-자보틴스키 반응에서 세륨은 +4와 +3 산화 상태 사이에서 진동하여 반응을 촉매합니다.[28]

오르가노세륨 화합물

오르가노세륨 화학은 종종 사이클로펜타디엔일과 사이클로옥타테트라에닐 리간드의 복합체를 포함하는 다른 란타넘족과 유사합니다. 세로세(Ce(CH88))2는 우라노세 분자 구조를 채택합니다.[29] 세로세의 4f 전자인 Ce(CH
8
8)
2는 국부화와 비국재화 사이에 모호하게 배치되어 있으며 이 화합물은 중간가로 간주됩니다.[30] 알킬, 알키닐 및 알케닐 오가노세륨 유도체는 각각의 유기리소 또는 그리나르 시약의 트랜스메탈화로부터 제조되며, 이들의 전구체보다 친핵성이 높지만 염기성이 떨어지는 것을 특징으로 하는 유기리소 조성물.[31][32]

역사

The dwarf planet Ceres.
왜소행성과 소행성 세레스, 그 이름을 따서 세륨이 지어졌습니다.
Jöns Jakob Berzelius
세륨의 발견자 중 한 명인 욘 야콥 베르셀리우스

세륨은 1803년 스웨덴의 바스트네스에서 야콥 베르셀리우스와 빌헬름 히징거에 의해 발견되었고, 마르틴 하인리히 클라프로트에 의해 독일에서 독립적으로 발견되었습니다.[33] 세륨은 2년 전에 발견된 소행성 세레스의 이름을 따서 베르셀리우스에 의해 이름 지어졌습니다.[33][34] 그 소행성은 그 자체로 농업, 곡물 작물, 비옥함, 모성 관계의 여신인 로마 여신 세레스의 이름을 따서 지어졌습니다.[33]

세륨은 원래 산화물의 형태로 분리되었으며, 이 산화물은 세리아(ceria)라는 이름이 붙었는데, 이 용어는 여전히 사용되고 있습니다. 일반적으로 희토류 금속의 특징인 당시의 제련 기술로는 분리하기에는 금속 자체가 너무 전기 양성이었습니다. 5년 후 험프리 데이비에 의해 전기화학이 개발된 후, 지구는 곧 그들이 함유하고 있는 금속을 산출했습니다. 세리아는 1803년에 분리되었으며, 스웨덴 바스트네스의 세라이트 광석에 존재하는 모든 란타니드를 함유하고 있어 현재 순수 세리아로 알려진 것의 약 45%만을 함유하고 있습니다. 1830년대 후반 칼 구스타프 모산더르가 란타나와 디디미아를 제거하는 데 성공하고 나서야 세리아가 순수하게 얻어졌습니다. 빌헬름 히징거는 부유한 광산 소유자이자 아마추어 과학자였으며 베르셀리우스의 후원자였습니다. 그는 바스트네에 있는 광산을 소유하고 관리했으며, 그의 광산에 있는 풍부한 중강암("Bastnäs의 텅스텐"이라는 이름에도 불구하고 텅스텐이 포함되어 있지 않음)의 구성을 알아내기 위해 수년 동안 노력했습니다.[34] 모산데르와 그의 가족들은 베르셀리우스와 같은 집에서 여러 해 동안 살았고, 모산데르는 의심할 여지 없이 베르셀리우스에게 세리아를 더 조사하라고 설득당했습니다.[35][36][37][38]

이 원소는 버클리 부지에서 우라늄과 플루토늄 주조용 도가니의 재료로 세륨 화합물이 조사된 맨해튼 프로젝트에서 역할을 했습니다.[39] 이 때문에 세륨의 제조와 주조를 위한 새로운 방법들이 에임스 딸 프로젝트(현재 에임스 연구소)의 범위 내에서 개발되었습니다.[40] 아메스에서 극히 순수한 세륨의 생산은 1944년 중반에 시작되어 1945년 8월까지 계속되었습니다.[40]

발생 및 생산

세륨은 지구 표면의 66ppm을 차지하는 모든 란타넘족 중에서 가장 풍부합니다; 이 값은 구리(68ppm)보다 바로 뒤지고, 세륨은 납(13ppm)과 주석(2.1ppm)과 같은 일반적인 금속보다 훨씬 더 풍부합니다. 따라서 세륨은 이른바 희토류 금속 중 하나임에도 불구하고 실제로는 전혀 희귀하지 않습니다.[41] 토양의 세륨 함량은 2에서 150ppm 사이로 다양하며 평균 50ppm입니다. 바닷물은 1조분의 1.5ppm의 세륨을 함유하고 있습니다.[34] 세륨은 다양한 광물에서 발생하지만 가장 중요한 상업적 원천은 모나자이트와 바스트네사이트 그룹의 광물로 란타넘 함량의 약 절반을 차지합니다. 모나자이트-(Ce)는 모나자이트의 가장 일반적인 대표이며, "-Ce"는 특정 REE 요소 대표의 우세를 알리는 레빈슨 접미사입니다.[42][43][44] 또한 세륨이 지배적인 바스트네사이트-(Ce)는 바스트네사이트 중 가장 중요합니다.[45][42] 세륨은 수용액에서 안정적인 +4 산화 상태에 도달할 수 있는 유일한 물질이기 때문에 광물에서 추출하기 가장 쉬운 란탄입니다.[46] 세륨이 +44+ 산화 상태에서 용해도가 감소하기 때문에 세륨은 다른 희토류 원소에 비해 암석에서 고갈되기도 하며, Ce와4+ Zr은 동일한 전하와 유사한 이온 반경을 가지고 있기 때문에 지르콘에 포함됩니다.[47] 극단적인 경우, 세륨(cerium)IV)는 세리아나이트-(Ce),[48][44][42] (Ce,Th)O와
2 같은 다른 희토류 원소와 분리된 자체 광물을 형성할 수 있습니다.[49][50][51]

Crystal structure of basntäsite-(Ce).
바스트네사이트의 결정 구조-(Ce). 색상 코드: 탄소, C, 블루 그레이, 불소, F, 그린, 세륨, Ce, 화이트, 산소, O, 레드.

LnCOF인III3 Bastnäsite는 일반적으로 사마륨과 유로퓸을 넘어 토륨과 무거운 란타넘족이 부족하기 때문에 세륨을 추출하는 것은 매우 직접적입니다. 먼저 탄산칼슘 불순물을 제거하기 위해 묽은 염산을 사용하여 바스트네사이트를 정제합니다. 광석은 공기 중에서 구워져 란탄 산화물로 산화됩니다. 란탄의 대부분은 세퀴옥사이드인 LnO로23 산화되지만 세륨은 이산화물인2 CeO로 산화됩니다. 이것은 물에 불용성이며 0.5M 염산으로 침출될 수 있으며 다른 란타니드는 그대로 남깁니다.[46]

모나자이트의 절차, (Ln,Th)토륨뿐만 아니라 보통 희토류가 모두 포함된 PO가
4 더 관여합니다. 모나자이트는 자성 특성 때문에 반복적인 전자기 분리로 분리가 가능합니다. 분리 후 뜨거운 농축 황산으로 처리하여 희토류의 수용성 황산염을 생성합니다. 산성여과물은 부분적으로 수산화나트륨으로 pH 3~4까지 중화됩니다. 토륨은 용액에서 수산화물로 침전되어 제거됩니다. 그 후 용액을 옥살산암모늄으로 처리하여 희토류를 불용성 옥살산으로 전환시킵니다. 옥살산염은 가열냉각에 의해 산화물로 전환됩니다. 산화물은 질산에 녹지만, 산화세륨은 HNO에3 불용성이므로 침전됩니다.[16] 일부 잔류물에는 강력한 감마 방출기인 Th의 딸인 Ra가 포함되어 있으므로 취급 시 주의해야 합니다.[46]

적용들

Carl Auer von Welsbach
세륨의 많은 응용을 발견한 Carl Auer von Welsbach

세륨에는 두 가지 주요 응용 프로그램이 있으며 둘 다 CeO를2 사용합니다. 세리아의 산업적 응용은 연마, 특히 화학 기계적 평탄화(CMP)를 위한 것입니다. 다른 주요 응용 분야에서는 CeO를2 사용하여 유리를 탈색합니다. 녹색으로 착색된 제1철 불순물을 무색에 가까운 제2철 산화물로 전환하여 기능합니다.[52] Ceria는 또한 예를 들어 가스 텅스텐 아크 용접에 사용되는 전극의 제조에서 방사성 컨게르니아의 대체물로 사용되어 왔으며, 여기서 합금 원소로서의 Ceria는 아크 안정성과 시동의 용이성을 향상시키고 연소를 감소시킵니다.[53]

가스 맨틀 및 파이로포릭 합금

세륨의 최초 사용은 오스트리아의 화학자 칼 아우어 폰 벨스바흐에 의해 발명된 가스 맨틀에 있었습니다. 1885년, 그는 이전에 마그네슘, 란타넘, 이트륨 산화물의 혼합물로 실험을 했지만, 이것들은 녹색 빛을 내어 성공하지 못했습니다.[54] 6년 후, 그는 순수한 산화토륨이 푸른 빛을 띠기는 하지만 훨씬 더 나은 빛을 만들어 내고, 이를 이산화세륨과 섞으면 밝은 흰색 빛을 낸다는 사실을 발견했습니다.[55] 이산화세륨은 산화토륨 연소의 촉매 역할도 합니다.[citation needed]

이것은 폰 벨스바흐와 그의 발명품에 상업적인 성공을 가져왔고 토륨에 대한 큰 수요를 만들었습니다. 그것의 생산은 부산물로 대량의 란탄이 동시에 추출되는 결과를 가져왔습니다.[56] 특히 50%의 세륨, 25%의 란타넘, 그리고 나머지는 가벼운 부싯돌에 널리 사용되는 다른 란타넘으로 구성된 "미쉬메탈"로 알려진 파이로포릭 합금에서 그 용도가 곧 발견되었습니다.[56] 일반적으로 철은 폰 벨스바흐에 의해 발명된 합금 페로세륨을 형성하기 위해 첨가됩니다.[57] 란타넘족의 화학적 유사성으로 인해 기계적 특성을 개선하기 위한 포함 개질제로서 강철에 미쉬금속을 첨가하거나 석유의 크래킹을 위한 촉매와 같이 일반적으로 화학적 분리가 필요하지 않습니다.[46] 이 세륨의 성질은 작가 프리모 레비가 아우슈비츠 강제 수용소에서 페로세륨 합금 공급원을 발견하고 식량으로 물물교환을 했을 때 그의 목숨을 구했습니다.[58]

색소와 인

세륨을 첨가하면 색소의 광안정성을 높일 수 있는데, 이는 색소에 빛의 신속성을 제공하고 투명한 고분자가 햇빛에 어두워지는 것을 방지하기 때문입니다.[59] 무기 안료로 자체적으로 사용되는 세륨 화합물의 예로는 매우 높은 온도까지 화학적 불활성 상태를 유지하는 선명한 적색 세륨(III) 황화세륨(황화세륨 레드)이 있습니다. 이 색소는 빛은 빠르지만 독성이 있는 카드뮴 셀레나이드 기반 색소에 대한 더 안전한 대안입니다.[34] 구형 브라운관 TV 유리판에 산화세륨을 첨가한 것은 작동 중 지속적인 전자 충격으로 인한 F-중심 결함 생성으로 인한 흑화 효과를 억제하기 때문에 유익했습니다. 세륨은 또한 CRT TV 화면, 형광등 및 이후 백색 발광 다이오드에 사용되는 형광체의 도펀트로서 필수적인 구성요소입니다.[60][61] 가장 일반적으로 사용되는 예는 세륨(III)이 도핑된 이트륨 알루미늄 가넷(Ce:YAG)는 녹색에서 황색-녹색 빛(550-530 nm)을 방출하고 섬광기 역할도 합니다.[62]

기타 용도

황화물 CeS와23 CeS와34 같은 세륨염은 맨해튼 프로젝트 동안 플루토늄 금속 주조 시 고온과 강한 환원 조건을 견딜 수 있는 도가니 건설을 위한 고급 내화 재료로 간주되었습니다.[39][40] 바람직한 특성에도 불구하고, 이러한 황화물은 합성에 대한 현실적인 문제로 인해 널리 채택되지 않았습니다.[39] 세륨은 알루미늄의 합금 원소로 사용되어 6~16 wt.% Ce의 주조 가능한 공융 알루미늄 합금을 만들고 여기에 Mg 및/또는 Si를 추가로 첨가할 수 있습니다. 이러한 Al-Ce 합금은 우수한 고온 강도를 가지며 실린더 헤드와 같은 자동차 용도에 적합합니다.[63] 세륨의 다른 합금으로는 핵연료로 사용된 Pu-Ce와 Pu-Ce-Co 플루토늄 합금이 있습니다.[64]

저급 세스퀴옥사이드에 대한 다른 자동차 용도는 자동차 배기가스의 CO 및 NOx 배출을 산화시키기 위한 촉매 변환기입니다.[65][66]

생물학적 역할 및 주의사항

세륨
유해성
GHS 라벨링:[67]
GHS02: Flammable
위험
H228
P210
NFPA704(파이어다이아몬드)
NFPA 704 four-colored diamondHealth 2: Intense or continued but not chronic exposure could cause temporary incapacitation or possible residual injury. E.g. chloroformFlammability 0: Will not burn. E.g. waterInstability 0: Normally stable, even under fire exposure conditions, and is not reactive with water. E.g. liquid nitrogenSpecial hazards (white): no code
2
0
0

초기 란타넘은 화산 진흙탕에 사는 일부 메탄영양세균에 필수적인 것으로 밝혀졌습니다. 예를 들어, Methylacidiphilum fumariolicum: 란타넘, 세륨, 프라세오디뮴 및 네오디뮴은 거의 동등하게 효과적입니다.[68][69] 세륨은 다른 생물체에서 생물학적 역할을 하는 것으로 알려져 있지는 않지만, 독성도 그리 강하지는 않습니다; 그것은 먹이 사슬에 눈에 띄는 정도로 축적되지 않습니다.[70][71][72] 세륨은 인산염 광물에서 칼슘과 함께 발생하는 경우가 많고, 뼈는 주로 인산칼슘이기 때문에 위험하다고 생각되지 않는 소량으로 뼈에 축적될 수 있습니다.[73]

질산세륨은 3도 화상에 효과적인 국소 항균 치료제이지만,[34][74] 다량 복용 시 세륨 중독과 메트헤모글로빈혈증을 유발할 수 있습니다.[75] 초기 란탄은 메탄영양세균인 메틸산디필룸 푸마리올리쿰 SolV의 메탄올 탈수소효소에 필수적인 보조인자로 작용하며, 이에 대해 란탄, 세륨, 프라세오디뮴 및 네오디뮴 단독이 거의 동등하게 효과적입니다.[76]

모든 희토류 금속과 마찬가지로 세륨도 독성이 낮거나 중간 정도입니다. 강력한 환원제로 65~80°C의 공기 중에서 자발적으로 점화됩니다. 세륨 화재의 연기는 독성이 있습니다. 세륨은 물과 반응하여 수소 가스를 생성하기 때문에 세륨 화재를 막기 위해 물을 사용해서는 안 됩니다. 세륨에 노출된 작업자는 가려움증, 열에 대한 민감성, 피부 병변을 경험했습니다. 세륨은 먹을 때 독성이 없지만 심혈관계 붕괴로 인해 세륨을 대량으로 주사한 동물들이 폐사했습니다.[34] 세륨은 세포막을 손상시키기 때문에 수생 생물에게 더 위험합니다; 이것은 물에 잘 녹지 않기 때문에 환경을 오염시키는 중요한 위험입니다.[34]

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서지학