铈

化学元素

铈（cerium），元素周期表第六周期第3族，镧系元素，元素符号Ce，原子序数58，相对原子质量140.11。灰色金属，有立方和六方两种晶系，是镧系元素中丰度最高的元素。相对密度为6.773g/cm3，熔点795℃，沸点3440℃。电阻率73x10-8Ω·m（20℃）。化学性质活泼，在空气中失去光泽，加热能燃烧。在氢气中加热生成氢化物。和水反应放出氢气，易溶于酸。氧化态为+3和+4，重要化合物有氧化铈、氢氧化铈、二氧化铈、高铈盐等。主要矿物是独居石，由镁粉还原氯化铈或电解熔融的氯化铈制得。

研究简史

1752年，瑞典化学家克龙斯泰德在瑞典小城瓦斯特拉斯发现了一种新的矿石，经西班牙矿物学家德埃尔乌耶分析后认定该矿石是钙和铁的硅酸盐。

1803年，德国化学家马丁·海因里希·克拉普罗特分析了该矿石，确定有一种新的金属氧化物存在，因为该矿石被灼烧时呈现赭色，所以称为赭色土，矿石称为赭色矿。同时瑞典化学家贝采利乌斯和矿物学家息辛格分析该矿石时，发现了一种与钇土性质十分相似但又完全不同的新元素的氧化物，并称其为“铈土”，把该矿石称为铈硅石，同时把该元素命名为铈，以纪念当时发现的一颗小行星一谷神星。其实，当初的“铈”也只是一种“铈组稀土”的氧化物。

1875年，人们制备出纯态金属铈。

理化性质

物理性质

灰色活泼的金属，密度：6.9g/cm3（正方晶体），6.7g/cm3（六方晶体），熔点：795℃，沸点：3443℃，有展性。是镧系金属中自然丰度最高的一种。弯折铈条时常迸溅出火星。

化学性质

镧系稀土元素的主要价态为+3价，形成其他价态较困难。但铈，镨和铽明确存在四价，铈是其中最稳定的，因为失去四个外围电子后可以形成稀有气体的电子排布。铈的价电子为4f15d16s2，其气态离子的电子排布为：Ce+ 4f15d16s1；Ce2+ 4f2；Ce3+ 4f1；Ce4+ 4f0。所有镧系元素中只有铈形成的Ce4+可稳定地存在于水溶液中，并已广泛地用作氧化还原滴定的氧化剂。Ce(Ⅲ,Ⅳ)的克式电位与酸的性质和浓度有很大关系。随着酸浓度及酸根阴离子的不同，电位值有明显的差别，这主要是由于Ce4+（aq）离子的水解及与不同酸根阴离子的络合作用不同，从而使决定电极电位的Ce4+离子浓度发生了变化。在高氯酸溶液中，阴离子的络合作用可以忽略，溶液中水解和聚合产生的离子为[Ce（OH）]3+和[CeOCe]6+，它们使真正有效的四价离子的浓度降低了。增大酸度不利于水解，电位值增高。在硫酸和硝酸介质中由于酸根阴离子明显的络合作用，形成了Ce（SO4）n4-2n及[Ce（NO3）6]2-等络离子，降低了Ce4+离子的浓度，从而降低了电位值。

金属铈在空气中会慢慢失去光泽。铈可以在空气中迅速燃烧，生成氧化铈（Ⅳ）（CeO2）。

银白色的金属铈的电负性相当低，能与冷水发生反应，并与热水迅速反应，生成氢氧化铈和氢气。

金属铈可以与所有的卤素单质发生反应生成三卤化物。金属铈可与氟气（F2）、氯气（Cl2）、溴单质（Br2）、碘单质（I2）反应，生成氟化铈（Ⅲ）（CeF3）、氯化铈（Ⅲ）（CeCl3）、溴化铈（Ⅲ）（CeBr3）和碘化铈（Ⅲ）（CeI3）。

金属铈可以迅速溶于硫酸中，生成含有水合Ce(Ⅲ)离子的无色溶液和氢气（H2）。

制备方法

铈是地壳中最丰的稀土金属。用钙还原三氧化二铈或电解氯化铈可制得金属铈。70g的CeCl3、18.5g的Ca在惰性气氛下彻底混合摇匀装入钽坩埚或用机动压力机压成圆柱体放在钽坩埚中，坩埚配有打孔的钽盖子以便通气，置于密闭MgO坩埚（d=0.0508m，h=0.1778m）中。然后放在石英管（d=0.11615m）中，管的一端熔封，另一端打磨后嵌入55/50锥形接头中。用石蜡将石英管密封在真空体系中（0.133Pa）。充入Ar（先通过热的金属铀纯化）到P=101.325kPa，用6kW感应炉加热到550—600℃，使反应发生（钽坩埚温度突然上升为据）。5min后达到1000℃，维持13min使产生的稀土金属完全结块。冷却到室温，用水浸泡钽坩埚以除掉CaCl2、Ca，稀土金属融块保留在底部（含1%—3%Ca）。

应用领域

工业用途

铈的应用领域广泛，几乎所有的稀土应用领域中都涉及铈，如抛光粉、储氢材料、热电材料、电极材料、陶瓷电容器、燃料电池原料、汽油催化剂、永磁材料、各种合金等。铈作为玻璃添加剂，能吸收紫外线、红外线，被大量应用于汽车玻璃。将铈应用到汽车尾气净化催化剂中，可有效防止大量汽车废气排放到空气中，美国在这方面的消费量占稀土总消费量的三分之一以上。硫化铈可以取代铅、镉等对环境和人类有害的金属应用到颜料中，可对塑料着色，也可用于涂料、油墨和纸张等行业。铈可作为钢铁铝镁铜钛钨贵金属等功能材料的改性剂。铈的无机盐可作为农业植物生长调节剂、灯用绿色荧光粉；有机化合物可作为塑料改良剂、饲料添加剂。

铈可以形成三价或者四价的铈离子，这种变价特性使铈具有很好的氧化还原性能。二氧化铈（CeO2）是稀土氧化物中活性最高的一种，在汽车尾气催化剂和石油裂化催化剂中有着广泛的应用。

铈活泼的化学性质使得它在冶金领域中也能大展身手。例如，添加1%左右的铈就能改善镁合金强度低、韧性差的情况。铈元素的加入能够细化合金组织，使金属微粒的分布更加均匀，起到“点石成金”的效果。

医疗用途

英国药典指出，硝酸铈可用于治疗消化不良、胃热和呕吐（特别是孕吐），其剂量是0.05g—0.3g（1—5米粒）。药典还指出，铈盐的药理学特性类似铋盐；草酸铈也可用于治疗慢性呕吐（特别是孕吐），其剂量是每天3次，每次0.6g。如果有必要，需连服数日。

分布情况

在自然界中不存在铈的单质。独居石和氟碳铈矿中含有铈，这些矿物中含有少量的各种稀土元素，此外还有褐帘石和铌钇矿。把铈同其他稀土元素分离开，比较困难。

铈主要存在于磷铈镧矿和氟碳铈矿中，也存在于铀、钍、钚的裂变产物中。世界铈资源主要集中在中国和北欧。中国资源在世界具有独占性优势；挪威、瑞典也是稀土元素矿物比较丰富的国家；另外，美国、俄罗斯、印度等国家也保有一定资源储量。以氟碳铈为主的铈矿主产地有美国芒廷帕斯矿山、中国四川冕宁、山东微山等；以磷铈镧为主的铈矿主要产地有澳大利亚维尔德山、东西海岸海滨砂矿等；以磷灰石为主的矿主要产于印度西南海岸海滨沙、中国广东南山海海滨沙等；以铈铌钙钛矿为主的铈矿有俄罗斯托姆托尔碳酸岩风化壳稀土矿床等。

安全措施

环境危害

金属铈的粉末有引起火灾和爆炸的危险。

健康危害

虽然早先的证据表明铈的毒性似乎有限，但是铈的所有化合物都有剧毒。

储存运输

储存于阴凉、通风的库房。远离火种、热源。库温不宜超过30℃。包装要求密封，不可与空气接触。应与氧化剂、酸类、卤素、食用化学品分开存放，切忌混储。采用防爆型照明、通风设施。禁止使用易产生火花的机械设备和工具。储区应备有泄漏应急处理设备。

保护措施

2024年6月，公布《稀土管理条例》，自2024年10月1日起施行。

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