CERIUM (IV) OXID: STRUKTUR, EGENSKABER, ANVENDELSER - KEMI - 2025

Den ceriumoxid (IV) oxid eller cerisk er et hvidt eller bleggult fast uorganisk produceret ved oxidation af cerium (Ce) for oxygen til dens valens 4+. Den kemiske formel for ceriumoxid er CeO _2, og det er det mest stabile ceriumoxid.

Cerium (Ce) er et element i serien af ​​lanthanider, der er inkluderet i gruppen af ​​sjældne jordarter. Den naturlige kilde til dette oxid er mineralbastnasiten. I den kommercielle koncentrat af dette mineral, CeO ₂ kan findes i en omtrentlig mængde på op til 30 vægt%.

En prøve af cerium (IV) oxid. Billede taget august 2005 af Bruger: Walkerma. {{PD-self}} Kilde: Wikipedia Commons

CeO ₂ kan let opnås ved opvarmning cerium (III) hydroxid, Ce (OH) ₃, eller ethvert salt af cerium (III), såsom oxalat, carbonat eller nitrat, i luft eller oxygen.

Støkiometrisk CeO ₂ kan opnås ved den forhøjede temperatur omsætningen af cerium (III) oxid med elementært oxygen. Oxygen skal være i overskud, og der skal være tilstrækkelig tid til at afslutte omdannelsen af ​​de forskellige ikke-støkiometriske faser, der dannes.

Disse faser omfatter flerfarvede produkter med formlen CeO _x (hvor x varierer mellem 1,5 og 2,0). De kaldes også CeO _2-x, hvor x kan have en værdi på op til 0,3. CeO ₂ er den mest anvendte form for Ce i branchen. Det har en lav toksicitetsklassificering, især på grund af dets dårlige opløselighed i vand.

Bastnasit mineralprøve. Rob Lavinsky, iRocks.com - CC-BY-SA-3.0 Kilde: Wikipedia Commons

Struktur

Den støkiometriske cerium (IV) oxid krystalliserer i fluorit-lignende kubisk gitter (CaF ₂), med 8 O ^2- ioner i en kubisk struktur koordineret med 4 Ce ⁴⁺ ioner.

Cerium (IV) oxid krystallinsk struktur. Benjah-bmm27 Kilde: Wikipedia Commons

nomenklatur

- Cerium (IV) oxid.

- Keramisk oxid.

- Ceriumdioxid.

- Ceria.

- Støkiometrisk ceriumoxid: materiale dannet fuldstændigt af CeO ₂.

- Ikke-støkiometrisk ceriumoxid: materiale dannet af blandede oxider fra CeO ₂ til CeO _1.5

Ejendomme

Fysisk tilstand

Blekegult fast stof. Farve er følsom overfor støkiometri og tilstedeværelsen af ​​andre lanthanider. Ikke-støkiometriske oxider er ofte blå.

Mohs hårdhed

6-6.1 ca.

Molekylær vægt

172,12 g / mol.

Smeltepunkt

2600 ºC ca.

Massefylde

7,132 g / cm ³

Opløselighed

Uopløselig i varmt og koldt vand. Opløselig i koncentreret svovlsyre og koncentreret salpetersyre. Uopløselig i fortyndede syrer.

Brydningsindeks

2.2.

Andre egenskaber

CeO ₂ er et inert stof, det angribes ikke af stærke syrer eller alkalier. Det kan imidlertid opløses ved syrer i nærvær af reduktionsmidler, såsom hydrogenperoxid (H ₂ O ₂) eller tin (II), blandt andre, genererer cerium (III) opløsninger.

Det har høj termisk stabilitet. Det gennemgår ikke krystallografiske ændringer under sædvanlige opvarmningsintervaller.

Dens hydratiserede derivat (CeOz ₂.nH ₂ O) er en gul og gelatinøst bundfald, som opnås ved behandling af opløsninger af cerium (IV) med baser.

CeO ₂ absorberes dårligt fra mave-tarmkanalen, så det har ingen toksiske virkninger.

Applikationer

- I den metallurgiske industri

CeO ₂ bruges i elektroderne i visse svejseteknologier, f.eks. Inertgas-wolframbuesvejsning.

Oxidet dispergeres fint i wolframmatrixen. Ved lave spændinger giver disse CeO _2- partikler større pålidelighed end wolfram alene.

- I glasindustrien

Glaspolering

CeO ₂ kan farve soda-kalkglas til flasker, kanner og lignende. Ce (IV) oxiderer Fe (II) urenheder, der giver en blågrøn farve, til Fe (III), der giver en 10 gange svagere gul farve.

Strålingsbestandigt glas

Tilsætningen af ​​1% CeO ₂ til glasset undertrykker misfarvningen eller mørkningen af ​​glasset forårsaget af bombardement af højenergi-elektroner i tv-briller. Det samme er tilfældet med glas, der bruges i vinduer i varme celler i nuklearindustrien, da det undertrykker gammastråleinduceret misfarvning.

Det antages, at undertrykkelsesmekanismen afhænger af tilstedeværelsen af ​​Ce ⁴⁺ og Ce ³⁺ -ioner i glasgitteret.

Lysfølsomme briller

Nogle glasformuleringer kan udvikle latente billeder, der derefter kan konverteres til en permanent struktur eller farve.

Denne type glas indeholder CeO _2, der absorberer UV-stråling og frigiver elektroner i glasmatrixen.

Efter behandling genereres væksten af ​​krystaller af andre forbindelser i glasset, hvilket skaber detaljerede mønstre til elektronisk eller dekorativ anvendelse.

- I emaljer

På grund af det høje brydningsindeks er CeO ₂ et uigennemsigtigt middel i emaljesammensætninger, der bruges som beskyttende overtræk på metaller.

Dens høje termiske stabilitet og sin unikke krystallografiske form gennem hele temperaturområdet, der nås under glasprocessen, gør det velegnet til brug i porcelænsglasurer.

I denne ansøgning tilvejebringer CeO ₂ den ønskede hvide belægning under emalje-udbrænding. Det er ingrediensen, der giver opacitet.

- I zirkoniumkeramik

Zirconia keramik er en termisk isolator og bruges til høje temperaturer. Det kræver et additiv for at have høj styrke og sejhed. Tilføjelse af CeO ₂ til zirkoniumdioxid producerer et materiale med enestående sejhed og god styrke.

CeO _2- doteret zirkoniumoxid anvendes i overtræk til at fungere som en termisk barriere på metaloverflader.

For eksempel beskytter disse belægninger i flymotordele mod de høje temperaturer, som metaller ville blive udsat for.

Flymotor. Jeff Dahl, spansk oversættelse af Xavigivax Kilde: Wikipedia Commons

- I katalysatorer til kontrol af emissioner fra køretøjer

CeO ₂ er en aktiv komponent i fjernelse af forurenende stoffer fra emissioner fra køretøjer. Dette skyldes stort set dets evne til at opbevare eller frigive ilt afhængigt af forholdene omkring det.

Katalysatoren i motorkøretøjer er placeret mellem motoren og udstødningsgasudløbet. Det har en katalysator, der skal oxidere uforbrændte kulbrinter, konvertere CO CO ₂, og reducere nitrogenoxider, NO _x, til N ₂ og O ₂.

Katalysator til udstødningsgasser fra forbrændingsmotoren i et motorkøretøj. Ahanix1989 på engelsk Wikipedia Kilde: Wikipedia Commons

Udover platin og andre katalytiske metaller er den vigtigste aktive komponent i disse multifunktionelle systemer CeO ₂.

Hver katalysator indeholder 50-100 g fint opdelt CeO ₂, der tjener flere funktioner. De vigtigste er:

Virker som en stabilisator for aluminiumoxid med højt overfladeareal

Aluminiumoxid med højt overfladeareal har en tendens til at sintere og mister sit høje overfladeareal under drift med høj temperatur. Dette er forsinket af tilstedeværelsen af ​​CeO ₂.

Det opfører sig som en iltbuffer-frigiver

På grund af dets evne til at danne ikke-støkiometriske oxider CeO _2-x, tilvejebringer cerium (IV) oxid elementært ilt af sin egen struktur i den iltmager / brændstofrige cyklusperiode.

Således kan oxidationen af ​​uforbrændte kulbrinter fra motoren og omdannelsen af ​​CO til CO _{2 fortsætte}, selv når gasformigt ilt er utilstrækkeligt.

Derefter, i den oxygenrige cyklusperiode, optager den ilt og genoxideres og genvinder sin støkiometriske form CeO ₂.

Andre

Det fungerer som en forbedring af den katalytiske kapacitet af rodium ved reduktion af nitrogenoxider NO _x til nitrogen og ilt.

- Ved katalyse af kemiske reaktioner

I de katalytiske krakningsprocesser af raffinaderier, CEO ₂ virker som en katalytisk oxidant, der hjælper ved omdannelsen af SO ₂ til SO ₃ og fremmer dannelsen af sulfater i bestemte fælder af processen.

CeO ₂ forbedrer aktiviteten af ​​den jernoxidbaserede katalysator, der bruges til at opnå styren med udgangspunkt i ethylbenzen. Dette skyldes muligvis den positive interaktion mellem parene Fe (II) - Fe (III) og Ce (III) - Ce (IV).

- I biologiske og biomedicinske anvendelser

CeO ₂ nanopartikler har vist sig at virke ved fjernelse af frie radikaler, såsom superoxid, hydrogenperoxid, hydroxyl og nitrogenoxid-radikal.

De kan beskytte biologisk væv mod strålingsinduceret skade, laserinduceret nethindeskade, øge levetiden for fotoreceptorceller, reducere rygmarvsskader, reducere kronisk betændelse og fremme angiogenese eller dannelse af blodkar.

Derudover visse nanofibre indeholdende CeO ₂ nanopartikler er blevet vist at være toksisk mod bakteriestammer, er lovende kandidater til baktericide anvendelser.

- Andre anvendelser

CeO ₂ er et elektrisk isolerende materiale på grund af dets fremragende kemiske stabilitet, høje relative permittivitet (det har en høj tendens til polarisering, når et elektrisk felt påføres) og et krystallinsk gitter, der ligner silicium.

Det har fundet anvendelse i kondensatorer og dæmpende lag af superledende materialer.

Det bruges også i gassensorer, fastoxid-brændselscelleelektrodematerialer, iltpumper og iltmonitorer.

Referencer

1. Cotton, F. Albert og Wilkinson, Geoffrey. (1980). Avanceret uorganisk kemi. Fjerde udgave. John Wiley & sønner.
2. Dance, JC; Emeléus, HJ; Sir Ronald Nyholm og Trotman-Dickenson, AF (1973). Omfattende uorganisk kemi. Bind 4. Pergamon Press.
3. Kirk-Othmer (1994). Encyclopedia of Chemical Technology. Bind 5. Fjerde udgave. John Wiley & sønner.
4. Ullmanns encyklopædi for industriel kemi. (1990). Femte udgave. Volumen A6. VCH Verlagsgesellschaft mbH.
5. Casals, Eudald et al. (2012). Analyse og risiko for nanomaterialer i miljø- og fødevareprøver. I omfattende analytisk kemi. Gendannes fra sciencedirect.com.
6. Mailadil T. Sebastian. (2008). Alumina, Titania, Ceria, silikat, tungestat og andre materialer. I dielektriske materialer til trådløs kommunikation. Gendannes fra sciencedirect.com.
7. Afeesh Rajan Unnithan, et al. (2015). Stilladser med antibakterielle egenskaber. I nanoteknologiske applikationer til vævsteknik. Gendannes fra sciencedirect.com.
8. Gottardi V., et al. (1979). Polering af overfladen på et glas undersøgt med en nuklear teknik. Bulletin fra det spanske selskab for keramik og glas, bind 18, nr. 3. Genvundet fra boletines.secv.es.