Исторические сведения

Свое название элемент церий приобрел в честь планеты Цереры. Открыли его почти одновременно немецкий химик М. Г. Клапрот и двое шведских коллег В. Хизингер и Й. Я. Берцелиус в девятнадцатом столетии. Минерал получил название церит, а химический элемент назвали церием. Строение атома показано на фото.

Химик К. Г. Мозандер выделил в чистом виде цериевую землю в 1839 году, а церий в виде металла с помощью электролиза получил американский химик У. Ф. Гиллебранд. Церий – это металл атомной энергетики. Его применяют как материал горячей зоны.

История открытия редкоземельных металлов

Данный материал впервые получил свою огласку ещё в 1803 году, благодарю одному немецкому учёному по имени М. Г. Клапрот. Своё открытие он совершил фактически в одно время с двумя не менее великими шведскими химиками – Й. Я. Бирцелиусом и В. Хизенгером. История возникновения названия Церий достаточно забавно, поскольку оно одновременно связано с самой большой из всех малых планет в галактике – Церерой, и богиней плодородия греческой мифологии.

На сегодняшний день Церий достаточно популярен, поскольку обладает весьма полезными характеристическими свойствами. Его официальная цена за 1 кг чистого материала колеблется в районе 100 долларов, что достаточно немного. Материал весьма специфичный и обладает широким спектром применения.

В природе все редкоземельные металлы существуют только в виде оксидов. Ранее оксиды носили название «терра», что значит «земля». Поэтому, когда из оксидов сразу не удалось получить чистые металлы, их стали называть «редкая земля», то есть редкоземельные. Этим учёные старались подчеркнуть их малочисленность в природе. Они тогда не знали, что большинство редкоземельных металлов чрезвычайно распространено в земной коре.

Само открытие этих металлов до сих пор покрыто завесами тайны. Считается, что приоритет в этой области принадлежит финну Юхану Гадолину, который в 1794 году в месторождении под шведским селом Иттербю, впервые нашел минерал, в состав которого входил описанный им иттрий. Параллельно с Гадолином ещё два шведских химика также занимались изучением редкоземельных металлов – Берцелиус и Хизингер.

Наш, Д.И. Менделеев, создавая свой труд «Основы химии», признавал наличие только 6 редкоземельных металла: иттрия, лантана, церия, эрбия, тербия и дидима, как тогда называли элементы празеодим и неодим. Причём, даже существование тербия было им поставлено под вопросом. Уже к концу XIX века ситуация с редкоземельными элементами прояснилась и им было отведено место в Периодической системе элементов между барием и танталом.

Долгое время основу для создания магнитных материалов составляли углеродистое железо и железокобальтовые сплавы. Когда были разработаны технологии промышленного выделения редкоземельных материалов, то цена многих из них резко снизилась, и стало возможным их применение в производстве магнитных сплавов.

Долгое время редкоземельные металлы считались скучными и химически малоинтересными. Ситуация изменилась в корне, когда в 60- годы XX века появились технологии выделения чистых металлов этой группы на основе использования технологий разделения изотопов урана. Учёные сразу отметили магнитные свойства этих элементов.

Кроме того, с развитием науки стало возможным искусственное выращивание монокристаллов некоторых металлов этой группы. Были открыты свойства некоторых редкоземельных металлов – они обладают огромной магнитной энергией и на их основе можно создавать мощные постоянные магниты. Сами эти металлы при намагничивании могут менять свои размеры.

Без редкоземельных металлов невозможно производство энергосберегающих ламп, гибридных автомобилей, систем наведения и ночного виденья, беспилотных летательных аппаратов. Также эти металлы используются в технологиях stealth.

В Сибири, в массиве Томтор, который располагается на границе между Якутией и Красноярским краем, новосибирскими учёными было открыто одно из самых больших в мире месторождений редкоземельных металлов, которое было подвергнуто исследованию и разработке. Многие ученые считают, что без промышленной разработки этого месторождения России придётся забыть о пути совершенствования и развития инновационных технологий.

Именно на Томторе, на сравнительно небольшом участке можно найти редкоземельных металлов на сумму более четверти триллиона долларов. Даже если заниматься разработкой и выделением только одного из металлов, то месторождение все равно будет рентабельным. Килограмм руды из этого месторождения стоит выше, чем килограмм сливочного масла.

https://www.youtube.com/watch?v=ytadvertiseru

Это потому, что редкоземельные металлы, которые находятся в ней, обладают такими волшебными свойствами, которые очень ценятся в высокотехнологичных производствах. Без высокотехнологичного производства невозможен прогресс ни одной страны, поэтому российские учёные считают разработку месторождения Томтор приоритетной для страны. Разработанным месторождением редкоземельных металлов в России является Левозерский рудник в Мурманской области.

Кроме России значительными запасами редкоземельных металлов обладают Китай, США и Казахстан. Разработка месторождений редкоземельных металлов дело довольно хлопотное. Очень часто эти месторождения загрязнены радиоактивными торием и ураном. Они удаляются техническими кислотами. Правда, иногда утечка радиоактивных веществ является столь значительной, что месторождения приходится закрывать. Так произошло в США, в штате Монтана.

Большинство редкоземельных металлов, несмотря на название, широко распространены в глинозёмных и гранитных породах. Они широко применяются в промышленности и технике. Но существует небольшая группа этих металлов, имеющая высокую стоимость из-за малого наличия их в минералах земной коры и дорогими технологиями их выделения.

  • Тербий;
  • Неодим;
  • Европий;
  • Лютеций.
Предлагаем ознакомиться  Почему золото ценится: свойства и особенности драгоценного металла

Самым дорогим из представленных металлов является лютеций.

Тербий

Впервые оксид тербия был выделен шведским химиком Мосандером в 1840 году. Чистый тербий был получен лишь в начале прошлого века французским учёным Урбеном. Тербий – элемент редкий и дорогой и в настоящее время в основном используется для изучения собственных свойств и возможностей применения.

Тербий выделяют из смеси редкоземельных элементом методом ионной хроматографии или путем экстракции. Он представляет собой серебристо-белый металл, устойчивый к условиям комнатной температуры. Тербий – уникальный элемент, обладающий рядом удивительных физических свойств. В настоящее время применение тербия оправдано в создании магнитных сплавов, имеющих свойство менять размеры, в производстве термоэлектрических материалов, в лазерных технологиях, в электронике в качестве люминофора, в конструировании магнитных холодильников.

Редкоземельный металл церий

Неодим

Этот металл был открыт в 1885 году австрийским химиком Вельсбахом. Ранее считалось, что существует единый элемент дидим. Но Вельсбаху удалось разделить дидим на празеодим и неодим.

В природе неодим добывается карьерным способом, но в очень малых количествах. Чистый неодим получают путем электролиза расплава хлорида или фторида неодима. Неодим – красивый серебристо-белый металл с легким золотистым оттенком. При нагревании на воздухе он быстро окисляется, вступает в соединения с азотом, водородом и другими неметаллами, а также с минеральными кислотами.

Неодим – дорогой металл, цена на него зависит от страны-производителя и технологий, которые применялись для его выделения. Неодим на сегодняшний день нашел широкое применение в производстве цветного стекла и лазерных материалов, в производстве мощных постоянных магнитов, в технологиях получения стекловолокна.

Европий

История открытия европия насчитывает довольно длительный период. Многие учёные в конце XIX и в начале XX века изучали свойства европия и описывали его свойства. В 1937 году впервые удалось выделить чистый металлический европий.

https://www.youtube.com/watch?v=ytdevru

Европий – мягкий металл серебристо-белого цвета, который легко окисляется в обычных условиях. Вот поэтому чистый европий хранят в запаянных ампулах под слоем расплавленного парафина, а его обработкой занимаются в инертных условиях. Европий хорошо поддаётся обработке и по своим свойствам напоминает свинец.

В природе в свободном виде европий не встречается, а выделяется из таких минералов, как лопарит и моноцит. Европий практически самый редкий из редкоземельных металлов и один из самых редких элементов Периодической таблицы. Вот поэтому его цена и является столь высокой на международном рынке. Неодим дороже серебра в несколько раз. Он широко используется в ядерной энергетике, в производстве лазерных материалов, в электронике, медицине и производстве люминофор.

Лютеций

В виде оксида лютеций был открыт в 1907 году сразу 3-мя учёными Вельсбахом, Урбеном и Джеймсом. Название элементу дал француз Жорж Урбен, который произвёл его от латинского названия Парижа. Впервые чистый лютеций был выделен в 60-х годах прошлого века. Получают лютеций из минералов путем ионного обмена, экстракции и восстановления с помощью кальция из фторида лютеция. Цена на этот редкоземельный металл составляет 3-3,5 тысячи долларов за 1 килограмм чистого вещества.

Лютеций – метал серебристого цвета, самый тяжёлый в своей группе. Он легко поддаётся обработке. На воздухе этот металл покрывается плотной пленкой из оксида лютеция. Взаимодействует со многими неметаллами и неорганическими кислотами.

Лютеций применяется в производстве лазерных материалов, магнитных сплавов для космической техники, для создания жаропрочной проводящей керамики, в ядерной энергетике. С добавлением лютеция производят сплавы с высокотемпературной сверхпроводимостью, а также составы для легирования жаростойких материалов.

Химические свойства Церия

Химический элемент церий является легким редкоземельным элементом, принадлежит третьей группе в периодической системе Менделеева. Он имеет светло-серый цвет с атомной массой 140,12 и температурой плавления около 1000 градусов по Цельсию. Металл обладает высокой активностью и в соединениях показывает две валентности 3 и 4 .

Металл способен растворяться в разведенных кислотах с выделением водорода. Одним из особых свойств церия является его бурная реакция с цинком, которая протекает мгновенно и заканчивается взрывом. На воздухе у металла образуется покрытие из очень тонкой пленки оксида. Воспламеняется элемент при температуре более 300 градусов по Цельсию, превращаясь в диоксид.

Редкоземельный металл церий

Это порошковое вещество желтого цвета. При прокаливании его в водороде получается окись трехвалентного церия, которая при взаимодействии со щелочью становится четырехвалентной. Церий – это ковкий и вязкий металл. Он легко прокатывается и при нагреве вытягивается в проволоку. Находится в зависимости от давления.

В отличии от других редкоземельных материалов, Церий является весьма реакционноспособным. Он осуществляет различные реакции со многими щелочными металлами, кислотами и гидратами.

Как и другие редкоземельные металлы, Церий подвергается окислению при взаимодействии с кислородом. Однако существует одно весомое отличие, окисление данного материала происходит не за несколько секунд, а за несколько дней. В процессе окисления данный материал превращается в кристаллизованный рассыпчатый порошок, который состоит исключительно из карбонатов, прошедших процесс гидратации.

Предлагаем ознакомиться  Котировки металлов ОМС в Сбербанке Владимир на сегодня

В виде цельного металлического блока, температура воспламенения при солнечном свете не превышает 160-180 градусов Цельсия. Однако в виде порошкового карбоната, церий воспламеняется при соприкосновении его с кислородом, что достаточно огнеопасно во многих случаях. Церий весьма устойчив к щелочам, данная особенность позволяет ей разлагать воду при кипячении на определённой температуре.

Помимо этого, данный металл достаточно хорошо и быстро растворяется в минеральных кислотах. Особо бурно церий взаимодействует с азотом, углеродом и целой группой галогенов. Представленные химические свойства Церия, позволило учёным химикам открыть совершенно новые, ранее не изученные типы реакций с различными веществами.

Церий представляет собой металл серебристо-белого цвета. По сравнению с другими редкоземельными металлами он обладает весьма низкой температурой плавления, но при этом не самой маленькой. Его температура плавления при нормальных условиях составляет порядка 790-780 градусов Цельсия. При этом, Церий может похвастаться достаточно высокой температурой внутреннего кипения, которая составляет порядка 3467 градусов Цельсия.

Церий обладает особенностью изменения плотности своей структуры в зависимости от того, какую кристаллическую модификацию он включает в себя. В большинстве случаев, плотность Церия варьируется в диапазоне от 6,66 до 8,23 г/см3. В условиях комнатной температуры, данный материал достаточно ковкий и эластичный.

https://www.youtube.com/watch?v=ytcreatorsru

Церий обладает достаточно широкой областью применения. Поскольку данный материал обладает благоприятствующими свойствами и является достаточно гибким и поддающимся обработке, он используется в металлургии, при производстве катализаторов, производстве стекла и не только. Например, в Металлургии Церий используется в качестве усилителя прочности уже готовых сплавов.

Месторождения руд, содержащих церий

Чисто цериевых минералов в природе не существуют. Больше всего его содержат:

  • бастнезит. Руда состоит из кристаллов желтого, красного или бурого цвета. Месторождения, находящиеся в США и Китае, содержат большую часть мировых запасов церия. Известные месторождения бастнезитовых руд есть также во Вьетнаме и Афганистане;
  • монацит. Это блестящий минерал желто-бурого оттенка. Его месторождения сконцентрированы в Бразилии, Австрии, Малайзии, Таиланде, США и ЮАР. Россыпи монацитового песка имеются по берегам морей, озер и рек многих стран;
  • лопаритовые руды. Они являются главным источником металлического церия в России. Главное месторождение находится на Кольском полуострове.

Порошки для полировки

Основой для них является диоксид церия. Их в России выпускают двух марок:

  1. «Оптипол» – полууниверсальный порошок. Состав отлично проявляет свои свойства при работе с кристаллами, керамикой, плоскими деталями кроновых стекол-зеркал, витринных, автомобильных, борлантановых и химнестойких стекол.
  2. «Фторопол» – универсальный порошок. Он состоит из тонко измельченных кристаллических частиц, имеющих коричневый оттенок.
    Порошок Фторопол

    Им полируют оптические стекла (линзы дальномеров, перископов, биноклей), различные зеркала, линзы для очков, фотошаблоны, пластины для полупроводников, камни для ювелирных изделий и украшений. Основой порошка является смесь оксифторидов и оксидов редкоземельных металлов.

Использование и добыча

Данный материал, как и многие другие редкоземельные металлы, частично содержится в других металлах и землях. Церий расположен небольшими долями в апатитах, монацитах и в некоторых других многоструктурных материалах. Чаще всего данный материал получается при химическом расщеплении содержащих его металлов или земель. Данный процесс достаточно долгий и трудозатратный.

Одним из основных поставщиков Церия по всему миру, как и многие другие редкоземельные металлы, является Китай и Индия. При этом Китай забирает порядка 95% всего рынка. Индия забирается себе 5% рынка, что является самым крупным производством редкоземельных металлов на всей территории Индии, обычно её доля не превышает 2% всего рынка.

Использование редкоземельных металлов является узкоспециализированным, но разнообразным. Эти элементы использованы в мобильных телефонах, суперсильных магнитах и, следовательно, моторах и генераторах, некоторых катализаторах нефтеперерабатывающего предприятия, лазерах и в люминесцентной лампе или плоских экранах, некоторых батареях и в сверхпроводниках и других технологиях важных в современной жизни. Некоторые редкоземельные металлы особенно полезны в энергетических приложениях.

Ученые предупреждают, что нехватка редкоземельных металлов или почти монополия Китая на них, может подавить переход на возобновляемые источники энергии и другие чистые технологии.

В середине 1990-х годов Китай укрепил свой контроль над большей частью мирового рынка и добычу редкоземельных металлов в мире, а последний американский рудник и мельница, когда-то доминирующие в мире закрылись в 2002 году, потому что это было невыгодно. Китай начал вводить экспортные квоты в 2006 году и ограничил экспорт в Японию (основной потребитель для высокотехнологичных миниатюрных двигателей) поэтому мировые цены взлетели. Правительственные ведомства США опубликовали срочные сообщения о редкоземельном кризисе и его угрозе национальной безопасности.

Может ли контроль Китая над этими важнейшими элементами (примерно 97 процентов) блокировать способность Вашингтона производить ракеты Томагавк, самолеты F-35 и очки ночного видения, как предупреждали некоторые ученые, не говоря уже об электрических транспортных средствах и ветровых турбинах?

Неодим

Используется для создания мощных магнитов, используемых в громкоговорителях и жестких дисках компьютеров, чтобы они были меньше и эффективнее. Магниты, содержащие неодим, также используются в экологически чистых технологиях, таких как производство ветровых турбин и гибридных автомобилей.

Лантан

https://www.youtube.com/watch?v=userGregoryevOleg

Этот элемент используется в камерах и объективах телескопа. Соединения, содержащие лантан, широко используются в приложениях для освещения углерода, таких как студийное освещение и проекция кино.

 Церий

Используется в каталитических нейтрализаторах в автомобилях, что позволяет им работать при высоких температурах и играет решающую роль в химических реакциях в конвертере. Лунтан и церий также используются в процессе переработки сырой нефти.

 Иттрий

Что такое редкоземельные металлы

Иттрий используется в процессе создания цветных дисплеев на таких устройствах, как телевизионные экраны.

 Празеодим

Используется для создания крепких металлов для использования в авиационных двигателях. Празеодим также является компонентом особого сорта стекла, используемого для изготовления козырьков для защиты сварщиков и стеклоизготовителей.

 Гадолиний

Используется в рентгеновских и МРТ-системах сканирования, а также в телевизионных экранах. Исследования также проводятся в его возможное использование при разработке более эффективных холодильных систем.

Применяется в экранах телевизоров, компьютеров и в других устройствах, которые имеют визуальные дисплеи, поскольку используются для изготовления материалов, которые выделяют разные цвета. Европий также используется для изготовления контрольных стержней в ядерных реакторах.

Мировые цены на церий

Важные цериевые продукты, находящиеся на рынке продаж, состоят из сплавов, оксидов, карбонатов, ацетатов и некоторых других соединений. Цена на церий металлический определяется видом продукта и его чистотой. Стоимость диоксида церия, чистота которого 99,99 %, за один килограмм равна 29,5 американских долларов.

Порошки, применяемые для полирования, бренда «Фторопол» стоят около 8, а «Оптипол» примерно 6 долларов за килограмм. Цена цериевого мишметалла от 14 до 18 долларов за килограмм. На российском рынке оксид церия стоит около 17 000, а церия электролитического 90 долларов за килограмм.

Искусственный синтез Церия

Как и большинство редкоземельных металлов, Церий никогда не встречается в чистом виде при природном происхождении. Данный материал является составной частью большинства монацитов и частично апатитов. Именно поэтому процесс его синтеза был налажен в первую очередь. На сегодняшний день процесс искусственного производства церия достаточно трудозатратный и занимает продолжительный период времени.

В монаците Церий располагается в виде кристаллизованной Цериевой соли, которая отделяется при температуре свыше 180 градусов Цельсия. Этот процесс сопровождается выделением большого числа побочных продуктов, который также содержит монацит. Каждый год в мире производится порядка 320-350 тысяч тонн данного материала, этим и обусловлена его невысокая цена за 1 килограмм материала. Львиную долю производства забирает на себя Китай, производя 95% всего Церия в мире.

Применение церия в отечественной промышленности

Впервые в 1884 году был получен патент на использование церия. Металл стали применять в газокалильных лампах для увеличения яркости пламени светильников. В настоящее время он находит широкое применение:

  • при небольших добавках к сплавам, которые растрескиваются, улучшается ковка, прокатка, легко получаются листы, трубы и прутки. Металл способствует модифицированию сплавов из железа, магния, алюминия, конструкционных сталей, увеличивая их прочность и коррозийную устойчивость;
  • в качестве добавки к чугуну. Тем самым повышают жидкотекучесть, улучшают обрабатываемость отливок и физико-механические свойства;
  • в нефтяной и химической промышленности применяют в роли катализатора, ускоряющего время прохождения реакции;
  • в магнитных термометрах;
  • в атомной технике используют стекла, содержащие церий. Под воздействием радиации они не тускнеют и защищают персонал;
  • входит в состав самого эффективного порошка «Полирита» для полировки зеркального и оптического стекла;
  • сплав церия с железом применяют как искусственный кремень для зажигалок;
  • используют для варки цветных стекол, имеющих оттенок от желтого до оранжевого;
  • одна из важных мировых сфер применение церия проявляется в проверке за отработанными газами автомашин. Этот элемент содействует удалению из них диоксида серы. Введенный в состав катализаторов церий существенно совершенствует и стабилизирует работу при изменении структуры выхлопных смесей;
  • добавляют для изготовления очень закаленных огнеупорных материалов;
  • применяют для производства твердотельных мощных аккумуляторных батарей, которые предназначены для электромобилей, компьютеров, сотовых телефонов, кино- и фотоаппаратов;
  • в медицине лечат и предотвращают симптомы морской болезни. В стоматологии используют цериевую сталь и керамику.

Технология получения церия

При переработке концентратов, содержащих редкоземельные металлы, на первоначальном этапе отделяют легкие элементы от тяжелых и только потом выделяют необходимый металл. Получают церий из руд, чаще, из монацита по следующей технологии:

  • осаждают из нитратного раствора гидроксид церия;
  • фильтруют пульпу;
  • сушат осадок;
  • прокаливают полученный оксид.

При этой технологии извлекают порошковый диоксид церия. В чистом виде металл добывают с помощью электролиза расплава. Затем его переплавляют и формируют в слитки.

Вместо заключения

На смену минеральным линзам приходят пластиковые. Они значительно легче и более стойкие, а при изготовлении малозатратные. На мировых рынках изменился спрос на минеральное стекло. Российский производитель не остался в стороне. Это поспособствовало понижению спроса на продукцию, изготовляемую из металлического церия. Отечественным заводам-производителям приходится ориентироваться на другой рынок сбыта.

https://www.youtube.com/watch?v=https:accounts.google.comServiceLogin

Они перешли на выпуск порошков для полировки жидкокристаллических телевизионных экранов и мониторов. Главным потребителем стала Юго-Восточная Азия. Кроме того, российская продукция поступает и на внутренний рынок, удовлетворяя спрос на цериевые порошки. Они используются для навигационной техники авиации, флота и обороны. Помимо этого, металлический церий идет на изготовление оптических покрытий, а также его используют при производстве люминесцентных ламп и керамики.