CERIUM (IV) OXID: STRUKTUR, EGENSKAPER, ANVÄNDNINGSOMRÅDEN - KEMI - 2025

Den ceriumoxid (IV) oxid eller cerium är ett vitt eller blekgult fast oorganiskt produceras genom oxidation av cerium (Ce) för syre till dess valens 4+. Den kemiska formeln för ceriumoxid är CeO ₂ och den är den mest stabila ceriumoxiden.

Cerium (Ce) är en del av serien av lanthanider, som ingår i gruppen av sällsynta jordar. Den naturliga källan till denna oxid är mineralbastnasiten. I den kommersiella koncentrat av detta mineral, CeO ₂ kan återfinnas i en ungefärlig andel av upp till 30 vikt-%.

Ett prov av ceriumoxid (IV). Bild tagen augusti 2005 av Användare: Walkerma. {{PD-self}} Källa: Wikipedia Commons

CeO ₂ kan lätt erhållas genom upphettning cerium (III) hydroxid, Ce (OH) ₃ , eller något cerium (III) salt, såsom oxalat, karbonat eller nitrat, i luft eller syre .

Støkiometrisk CeO ₂ kan erhållas genom reaktionen med förhöjd temperatur av ceriumoxid (III) med elementärt syre. Syre måste vara i överskott och tillräcklig tid måste tillåtas för att slutföra omvandlingen av de olika icke-stökiometriska faserna som bildas.

Dessa faser innefattar mångfärgade produkter med formeln CeO _x (där x varierar mellan 1,5 och 2,0). De kallas också CeO _2-x , där x kan ha ett värde på upp till 0,3. CeO ₂ är den mest använda formen av Ce i branschen. Det har en låg klassificering av toxicitet, särskilt på grund av dess dåliga löslighet i vatten.

Bastnasit mineralprov. Rob Lavinsky, iRocks.com - CC-BY-SA-3.0 Källa: Wikipedia Commons

Strukturera

Den stökiometriska cerium (IV) oxid kristalliserar i fluorit-typ kubiskt gitter (CaF ₂ ), med 8 O ^2- joner i en kubisk struktur samordnas med 4 Ce ⁴⁺ joner .

Cerium (IV) oxid kristallin struktur. Benjah-bmm27 Källa: Wikipedia Commons

Nomenklatur

- Cerium (IV) oxid.

- Cericoxid.

- Ceriumdioxid.

- Ceria.

- Stökiometrisk ceriumoxid: material som helt bildats av CeO ₂ .

- Icke-stökiometrisk ceriumoxid: material bildat av blandade oxider från CeO ₂ till CeO _1.5

Egenskaper

Fysiskt tillstånd

Blekgult fast ämne. Färgen är känslig för stökiometri och närvaron av andra lantanider. Icke-stökiometriska oxider är ofta blå.

Mohs hårdhet

6-6.1 ungefär.

Molekylvikt

172,12 g / mol.

Smältpunkt

2600 ºC ungefär.

Densitet

7,132 g / cm ³

löslighet

Olöslig i varmt och kallt vatten. Löslig i koncentrerad svavelsyra och koncentrerad salpetersyra. Olöslig i utspädda syror.

Brytningsindex

2,2.

Andra egenskaper

CeO ₂ är ett inert ämne, det attackeras inte av starka syror eller alkalier. Emellertid kan den upplösas genom syror i närvaro av reduktionsmedel, såsom väteperoxid (H ₂ O ₂ ) eller tenn (II), bland andra, att generera cerium (III) lösningar.

Den har hög termisk stabilitet. Det genomgår inte kristallografiska förändringar under vanliga uppvärmningsintervall.

Dess hydratiserade derivat ( CeO ₂ .nH ₂ O) är en gul och gelatinartad fällning som erhålls genom att behandla lösningar av cerium (IV) med baser.

CeO ₂ absorberas dåligt från mag-tarmkanalen så det har inga toxiska effekter.

tillämpningar

- I metallurgisk industri

CeO ₂ används i elektroderna för vissa svetsningstekniker, såsom volymbågsvetsning av inert gas.

Oxiden dispergeras fint i volframmatrisen. Vid låga spänningar ger dessa CeO _2- partiklar större tillförlitlighet än volfram ensam.

- I glasindustrin

Polering av glas

CeO ₂ kan missfärga läskglasglas för flaskor, kannor och liknande. Ce (IV) oxiderar Fe (II) -föroreningar, som ger en blågrön färg, till Fe (III) som ger en 10 gånger svagare gul färg.

Strålningsbeständigt glas

Tillsatsen av 1% CeO ₂ till glaset undertrycker missfärgningen eller mörkningen av glaset orsakat av bombardemang av högenergi-elektroner i TV-glas. Detsamma gäller för glas som används i fönster i heta celler i kärnkraftsindustrin, eftersom det undertrycker gammastrålningsinducerad missfärgning.

Undertryckningsmekanismen antas bero på närvaron av Ce ⁴⁺ och Ce 3 ⁺ -joner i glasgitteret.

Ljuskänsliga glasögon

Vissa glasformuleringar kan utveckla latenta bilder som sedan kan konverteras till en permanent struktur eller färg.

Denna typ av glas innehåller CeO ₂ som absorberar UV-strålning och frigör elektroner i glasmatrisen.

Efter behandling genereras tillväxten av kristaller av andra föreningar i glaset, vilket skapar detaljerade mönster för elektroniska eller dekorativa användningar.

- I emaljer

På grund av sitt höga brytningsindex är CeO ₂ ett opacifierande medel i emaljkompositioner som används som skyddande beläggningar på metaller.

Dess höga termiska stabilitet och dess unika kristallografiska form genom hela temperaturintervallet som uppnåtts under glasprocessen, gör det lämpligt för användning i porslinamaljer.

I denna ansökan tillhandahåller CeO ₂ den önskade vita beläggningen under utbränd emalj. Det är ingrediensen som ger opacitet.

- I zirkoniumkeramik

Zirconia keramik är en värmeisolator och används i högtemperaturapplikationer. Det kräver ett tillsatsmedel för att ha hög hållfasthet och seghet. Att lägga till CeO ₂ till zirkoniumoxid ger ett material med exceptionell seghet och god styrka.

CeO _2- dopad zirkoniumoxid används i beläggningar för att fungera som en termisk barriär på metallytor.

Till exempel skyddar dessa beläggningar i motordelar från flygplan mot de höga temperaturerna som metaller skulle utsättas för.

Jetmotor. Jeff Dahl, spansk översättning av Xavigivax Källa: Wikipedia Commons

- I katalysatorer för kontroll av fordonsutsläpp

CeO ₂ är en aktiv komponent för att ta bort föroreningar från fordonsutsläpp. Detta beror till stor del på dess förmåga att lagra eller släppa syre beroende på förhållandena runt det.

Katalysatorn i motorfordon är belägen mellan motorn och avgasutloppet. Den har en katalysator som måste oxidera oförbrända kolväten, konvertera CO till CO ₂ , och reducera kväveoxider, NO _x , till N ₂ och O ₂ .

Katalysator för avgaser från förbränningsmotorn i ett motorfordon. Ahanix1989 på engelska Wikipedia Källa: Wikipedia Commons

Förutom platina och andra katalytiska metaller är den huvudsakliga aktiva komponenten i dessa multifunktionella system CeO ₂ .

Varje katalytisk omvandlare innehåller 50-100 g finfördelad CeO ₂ , som tjänar flera funktioner. De viktigaste är:

Fungerar som en stabilisator för aluminiumoxid med hög yta

Aluminiumoxid med hög ytyta tenderar att sinta och förlorar sin höga ytarea under drift med hög temperatur. Detta försenas av närvaron av CeO ₂ .

Det fungerar som en syrebuffert-frigörare

På grund av dess förmåga att bilda icke-stökiometriska oxider CeO _2-x tillhandahåller cerium (IV) oxid elementärt syre i sin egen struktur under den syrehalla / bränslerika cykelperioden.

Således kan oxidationen av oförbrända kolväten som kommer från motorn och omvandlingen av CO till CO _{2 fortsätta} , även när syregas är otillräcklig.

Sedan tar den syrerik cykelperiod upp syre och oxiderar den igen och återvinner dess stökiometriska form CeO ₂ .

Övriga

Det fungerar som en förbättrare av den katalytiska kapaciteten av rodium vid reduktion av kväveoxider NO _x till kväve och syre.

- Vid katalysering av kemiska reaktioner

I de katalytiska krackningsprocesser av raffinaderier, VD ₂ verkar som en katalytisk oxidant som hjälper till i omvandlingen av SO ₂ till SO ₃ och främjar bildningen av sulfater i specifika fällor av processen.

CeO ₂ förbättrar aktiviteten hos den järnoxidbaserade katalysatorn som används för att erhålla styren med utgångspunkt från etylbensen. Detta beror möjligen på den positiva interaktionen mellan paren Fe (II) - Fe (III) och Ce (III) - Ce (IV).

- I biologiska och biomedicinska tillämpningar

CeO ₂ nanopartiklar har befunnits verka genom sophantering fria radikaler, såsom superoxid, väteperoxid, hydroxyl och kväveoxidradikal.

De kan skydda biologiska vävnader från strålningsinducerad skada, laserinducerad retinal skada, öka livslängden för fotoreceptorceller, minska ryggmärgsskador, minska kronisk inflammation och främja angiogenes eller bildning av blodkärl.

Dessutom vissa nanofibrer innehållande CeO ₂ nanopartiklar har visat sig vara toxiska mot bakteriestammar, som är lovande kandidater för baktericida tillämpningar.

- Annan användning

CeO ₂ är ett elektriskt isolerande material på grund av dess utmärkta kemiska stabilitet, höga relativa permittivitet (det har en hög tendens att polarisera när ett elektriskt fält appliceras) och ett kristallint galler som liknar kisel.

Den har hittat tillämpning i kondensatorer och dämpande skikt av superledande material.

Det används också i gassensorer, fastoxidbränslecellelektrodmaterial, syrepumpar och syreövervakare.

referenser

1. Cotton, F. Albert och Wilkinson, Geoffrey. (1980). Avancerad oorganisk kemi. Fjärde upplagan. John Wiley & Sons.
2. Dance, JC; Emeléus, HJ; Sir Ronald Nyholm och Trotman-Dickenson, AF (1973). Omfattande oorganisk kemi. Volym 4. Pergamon Press.
3. Kirk-Othmer (1994). Encyclopedia of Chemical Technology. Volym 5. Fjärde upplagan. John Wiley & Sons.
4. Ullmanns encyklopedi för industriell kemi. (1990). Femte upplagan. Volym A6. VCH Verlagsgesellschaft mbH.
5. Casals, Eudald et al. (2012). Analys och risk för nanomaterial i miljö- och livsmedelsprover. I omfattande analytisk kemi. Återställs från sciencedirect.com.
6. Mailadil T. Sebastian. (2008). Aluminiumoxid, Titania, Ceria, silikat, tungsten och andra material. I dielektriska material för trådlös kommunikation. Återställs från sciencedirect.com.
7. Afeesh Rajan Unnithan, et al. (2015). Byggnadsställningar med antibakteriella egenskaper. In Nanotechnology Applications for Tissue Engineering. Återställs från sciencedirect.com.
8. Gottardi V., et al. (1979). Polering av ytan på ett glas som undersökts med en nukleär teknik. Bulletin of the Spanish Society of Ceramics and Glass, vol. 18, nr 3. Återställd från boletines.secv.es.