Cerium Metall

Cerium oder Cer – Ce – Ordnungszahl 58

Cerium wurde 1803 von Jons Jacob Berzelius entdeckt und nach dem damals neu entdeckten Zwergplaneten Ceres benannt. Wie die meisten seiner seltenen Erdelemente – von denen es das häufigste ist – wurde auch dieses zunächst in Form seines Oxids, des so genannten Ceriums, identifiziert und erst Jahrzehnte nach seiner ersten Entdeckung als reines Metall gewonnen.

Dennoch wurden sowohl Salze als auch metallische Cer enthaltende Metallgemische schnell in der Industrie eingesetzt. Cer-Salze hatten eine antiemetische Wirkung und fanden bald ihren Weg in Hustentinkturen und antibakterielle Therapien.

Etwa zur gleichen Zeit entwickelte Carl Auer von Welsbach, ein österreichischer Wissenschaftler mit Gespür für die Kommerzialisierung seiner Entdeckungen, mit großem Erfolg zwei Produkte, die den Einsatz von Cer erfordern: Gashülsen und leichtgewichtige Feuersteine. Auer’s Gashüllen waren einfache Geräte – ein in Salzmischungen getränktes Baumwollgewebe – von denen die beim Erwärmen austretende Glut ein helles, weisses Licht in den Gaslampen ermöglichte.

Cerium fand in den Anfängen der künstlichen Beleuchtung in Kohle-Bogen-Lampen einen dritten Einsatz, die in Filmstudios wegen ihrer extremen Helligkeit besonders geschätzt wurden, so dass sie den Look des natürlichen Sonnenlichts nachahmen konnten.

Mit Ausnahme von Ceriumnitrat, das noch als antiseptische und entzündungshemmende topische Behandlung von Verbrennungen zur Verfügung steht, finden Cer-Verbindungen in der modernen Medizin wenig Anwendung, doch der Einsatz von Cer in der Beleuchtung hat sich fortgesetzt und ausgeweitet: Cerhaltige Laternenhülsen und Feuerstein aus einer Cerlegierung sind immer noch in Produktion, aber heute sind auch CER-haltige Fluoreszenzmittel für die Herstellung von Monitoren und Leuchtstofflampen unverzichtbar.

Die optischen Eigenschaften von Cerium sind ein bedeutender Baustein in der Entwicklung ungiftiger Alternativen zu cadmiumbasierten Pigmenten und ein wichtiger Bestandteil in der Glasherstellung, wo es zur Goldfärbung eingesetzt wird und eine selektive Blockade von UV-Licht ermöglicht. Cer verleiht auch bei der Zugabe in kleinen Mengen in verschiedenen Legierungen wertvolle Eigenschaften: Es macht Aluminium korrosionsbeständiger, Magnesium hitzebeständiger und hilft, den Schwefel- und Sauerstoffgehalt im Stahl zu reduzieren. Der größte mengenmäßige Einsatz von Cer ist der Einsatz als Poliermittel Cer(IV)oxid, das auf optischen Präzisionskomponenten und zum Polieren von Siliziumwafern in Mikrochips verwendet wird.

Ceroxide sind auch als Katalysatoren geeignet und werden zu diesem Zweck in Kraftfahrzeugkatalysatoren, in der Erdölraffination und in Festoxidbrennstoffzellen eingesetzt.

Wie andere Elemente der seltenen Erde ist Cer in der Natur nie in seiner reinen Form zu finden. Es kann nur aus seltenen Erden gewonnen werden, die Mineralien wie Xenotime, Monazit und Bastnasit enthalten, oder aus Ionenadsorptionstonen.

Cer Vorkommen

In der Natur kommen vier Isotope vor: stabiles Cer-140 (88,48 Prozent) und radioaktives Cer-142 (11,08 Prozent), Cer-138 (0,25 Prozent) und Cer-136 (0,19 Prozent). Ohne die Kernisomeren wurden insgesamt 38 radioaktive Isotope von Cer charakterisiert. Sie liegen in der Masse zwischen 119 und 157 mit Halbwertszeiten von nur 1,02 Sekunden für Cer-151 und 5 × 1016 Jahren für Cer-142.

Cer wird hauptsächlich aus cerhaltigem Monazit und Bastnasit gewonnen. Es kommt auch in Allanit, Zerit, Samarskit und dem Titanmineral Perowskit vor. Es wird in den USA, China, Russland, Australien und Indien abgebaut.

Cerium oder Cer oxid

Gewinnung von Cer

Das Metall wird durch Elektrolyse und metallothermische Reduktion der Halogenide mit Alkali- oder Erdalkalimetallen hergestellt. Es existiert in vier allotropen (strukturellen) Formen. Die α-Phase ist flächenzentriert kubisch mit a = 4,85 Å bei 77 K (-196 °C, oder -321 °F). Die β-Phase bildet sich knapp unter Raumtemperatur und ist doppelt dicht gepackt hexagonal mit a = 3.6810 Å und c = 11.857 Å. Die γ-Phase ist die Raumtemperaturform und ist kubisch flächenzentriert mit a = 5.1610 Å bei 24 °C (75 °F). Die δ-Phase ist kubisch-körperzentriert mit a = 4,12 Å bei 757 °C (1.395 °F).

Nach einer aufwendigen Abtrennung der Cer-Begleiter wird das Oxid mit Fluorwasserstoff zum Cerfluorid umgesetzt. Anschließend wird es mit Calcium unter Bildung von Calciumfluorid zum Cer reduziert. Die Abtrennung verbleibender Calciumreste und Verunreinigungen erfolgt in einer zusätzlichen Umschmelzung im Vakuum.

Besonderheiten

Das silbrigweiß glänzende Metall ist hinter Europium das zweitreaktivste Element der Lanthanoide. Oberflächliche Verletzungen der schützenden gelben Oxidschicht entzünden das Metall. Oberhalb von 150 °C verbrennt es unter heftigem Glühen zum Cerdioxid. Mit Wasser reagiert es zum Cerhydroxid.

Cer kommt in Verbindungen als dreiwertiges farbloses oder vierwertiges gelbes bis orangefarbiges Kation vor.

Unter Wärmeeinfluss wird es durch Ethanol und Wasser sehr stark angegriffen. Auch in Laugen wird es unter Bildung von Cer-Hydroxiden stark angegriffen. In Säuren wird es zu Salzen gelöst.
Da sich die chemischen Eigenschaften der Seltenen Erden ähneln, wird metallisches Cer selten in Reinform eingesetzt, sondern in der Mischung, in der es bei der Herstellung aus den Seltenerd-Mineralien anfällt, dem sogenannten Mischmetall.

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Cer ist, wie alle Lanthanoide, leicht giftig. Metallisches Cer kann sich schon ab 65 °C entzünden. Als fein verteiltes Metall kann es sich an der Luft ohne Energiezufuhr erhitzen und schließlich entzünden. Die Zündbereitschaft hängt u. a. sehr stark von der Korngröße und dem Verteilungsgrad ab. Cerbrände dürfen nicht mit Wasser gelöscht werden, da sich gasförmiger Wasserstoff entwickelt.

Cer Verwendung

Cerverbindungen haben eine Reihe von praktischen Anwendungen. Das Dioxid wird in der Optikindustrie zum Feinpolieren von Glas, als Entfärber in der Glasherstellung, in Erdölkrackkatalysatoren und als Dreiwege-Autoemissionskatalysator eingesetzt, der seine doppelten Valenzeigenschaften (3+/4+) nutzt. Cer ist zusammen mit den anderen Seltenerdmetallen Bestandteil zahlreicher Eisenlegierungen, um Schwefel und Sauerstoff abzufangen und Gusseisen zu vernetzen. Es wird auch in Nichteisenlegierungen verwendet, vor allem zur Verbesserung der Hochtemperatur-Oxidationsbeständigkeit von Superlegierungen. Mischmetall (typischerweise 50 Prozent Cer, 25 Prozent Lanthan, 18 Prozent Neodym, 5 Prozent Praseodym und 2 Prozent andere seltene Erden) wird hauptsächlich für leichtere Feuersteine und Legierungszusätze verwendet.

In der Metallurgie dient Cerium als Zusatz für Aluminiumlegierungen und hochtemperaturbeständige Eisenbasislegierungen. Es unterstützt im Schmelzprozess die Abtrennung von Schwefel und Sauerstoff. Die Eisen-Mischmetall-Legierung Cereisen dient als Ausgangsstoff für Zündsteine für die Verwendung in Feuerzeugen und zur Erzeugung von Funkenregen auf Achterbahnen und in Filmszenen (Unfallszenen). Cereisen in der Zusammensetzung 70% Cer und 30% Eisen, auch als Auermetall bekann, wurde von Karl Auer von Welsbach 1903 zum Patent angemeldet. Eine Abwandlung fand weltweite Verbreitung als Zündstein für Feuerzeuge.

Geringe Beimengungen von (mehr oder weniger reinen) Cer-Verbindungen verleihen anderen Materialien bestimmte Eigenschaften:

1. Cerdioxid (CeO²) wird zur Stabilisierung des keramischen Katalysatorträgers aus Aluminiumoxid für Autoabgaskatalysatoren verwendet.
2. Bestandteil einiger Spezialgläser, zum Beispiel UV-Filter und Windschutzscheiben, und Enttrübungsmittel in der Glasherstellung
3. Zur Färbung von Emaille
4. Cerdioxid findet Verwendung als Poliermittel in der Glasbearbeitung
5. Cer-dotierte Fluoreszenz-Farbstoffe (Leuchtstoffe) in Bildröhren und weißen Leuchtdioden
6. als Dotierung in Glühstrümpfen
7. Selbstreinigende Backöfen enthalten eine cerhaltige Beschichtung
8. Cer(IV)-sulfat als Oxidationsmittel in der Quantitativen Analyse (Cerimetrie)
9. als Kontrastmittel bei Kernresonanz
10. als Leuchtstoff in Gasentladungsröhren
11. zur Regeneration von Rußpartikelfiltern im Kraftstoff gelöst beigemischt
12. als Teil von nichtedelmetallhaltigen Aufbrennlegierungen in der Zahntechnik (Keramik)
13. als Oxidationsmittel für organische Synthesen mit CAN (Cerium ammonium nitrat), (NH4)²Ce(NO³)6

Cer Besonderheiten

Cer unterscheidet sich neben Praseodym und Terbium von den anderen Seltenen Erden dadurch, dass es Verbindungen bildet, in denen seine Oxidationsstufe +4 ist; es ist die einzige Seltene Erde, die in Lösung eine +4 Oxidationsstufe aufweist. Salze des Ce4+-Ions (Kernsalze), die leistungsfähige, aber stabile Oxidationsmittel sind, werden in der analytischen Chemie verwendet, um oxidierbare Substanzen wie Eisen (Eisen in der Oxidationszone +2) zu bestimmen. Cer in seiner Oxidationszustand von +3 verhält sich wie eine typische Seltene Erde.