Cer

Cer (IPA: [[[:Vorlage:IPA]]]<ref>Vorlage:Literatur</ref><ref>angepasst von: Vorlage:Literatur</ref>, Vorlage:Audio; seltener auch Zer bzw. Cerium genannt) ist ein chemisches Element mit dem Elementsymbol Ce und der Ordnungszahl 58. Im Periodensystem steht es in der Gruppe der Lanthanoide und zählt damit auch zu den Metallen der Seltenen Erden.

Cer ist ein silbergraues, relativ weiches, duktiles, paramagnetisches und reaktives Metall. Es ist das am häufigsten vorkommende Lanthanoid, es ist in etwa so häufig wie Kupfer. In reiner Form kommt Cer überhaupt nicht in der Natur vor, anstatt dessen wird das meiste Cer aus Ceriterden gewonnen. Die weltweite, jährliche Produktion von Cer liegt bei nur 24.000 Tonnen. Wie alle Lanthanoide ist Cer leicht giftig. Eine viel größere Gefahr ist allerdings die Entflammbarkeit von Cer; schon bei Temperaturen von nur 65 °C kann sich reines Cer von allein entzünden.

Cer wurde 1803 entdeckt, das reine Metall wurde allerdings erst 1825 hergestellt. Cer wurde nach dem wenige Jahre zuvor (1801) entdeckten Zwergplaneten Ceres benannt. Eine biologische Funktion von Cer ist bislang nur aus einer Bakterienart bekannt. Die Hauptverwendung von Cer ist die Herstellung von Mischmetall.

Geschichte

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Jöns Jakob Berzelius

1851 beschrieb Axel Frederic Cronstedt zwei Minerale aus Bispberg bei Säter und Bastnäs, die er beide tungsten („schwerer Stein“) nannte. Im Mineral aus Bispberg konnte 1781 Carl Wilhelm Scheele das Wolfram finden, es wurde Scheelit genannt. Das andere Mineral untersuchte er nur unvollständig, er fand kein Wolfram, stattdessen nur Silicium, Aluminium und Eisen.<ref name="Trofast">Jan Trofast: The Discovery of Cerium - A Fascinating Story. In: C.H. Evans (Hrsg.): Episodes from the History of the Rare Earth Elements. Band 15, Kluwer Academic Publishers 1996, ISBN 978-94-009-0287-9, S. 13–36.</ref>

Ab 1803 untersuchten Wilhelm Hisinger und Jöns Jakob Berzelius den tungsten aus Bastnäs, ob er das mittlerweile von Johan Gadolin entdeckte Yttrium enthalten könnte. Dabei fanden sie ein zwar dem Yttrium ähnliches, aber deutlich unterscheidbares Element, das sie vorläufig Bastium (nach Bastnäs), bald aber Cerium und das Mineral Cerit, nach dem 1801 entdeckten Zwergplaneten Ceres, nannten. Um ihre Entdeckung abzusichern, stellten Hiesinger und Berzelius Salze des unbekannten Elementes mit verschiedenen Säuren her.<ref name="Trofast"/><ref>Wilhelm von Hiesinger, Jöns Jakob Berzelius: Cerium Ein neues Metall aus einer Schwedischen Steinart, Bastnäs Tungsten genannt. In: Neues allgemeines Journal der Chemie. Band 2, Heft 4, 1803, S. 397–418 (online).</ref>

Gleichzeitig mit Hisinger und Berzelius untersuchte auch Martin Heinrich Klaproth das Mineral aus Bastnäs und fand darin eine unbekannte, typisch hellbraun gefärbte Erde, die er nach Vorlage:GrcS „blassgelb“ Ochroït-Erde und das Mineral Ochroït nannte.<ref>Martin Heinrich Klaproth: Chemische Untersuchung des Ochroïts. In: Neues allgemeines Journal der Chemie. Band 2, Heft 3, 1803, S. 303–316 (online).</ref> Da beide gleichzeitig die Entdeckung des neuen Elementes verkündeten, beanspruchten sowohl Hisinger und Berzelius als auch Klaproth die Priorität für die Entdeckung und damit das Recht, den Namen des Elementes zu bestimmen. Dies wurde schließlich von Adolph Ferdinand Gehlen, dem Herausgeber der Zeitschrift Neues allgemeines Journal der Chemie entschieden, in der beide Artikel zur Entdeckung erschienen waren. Dieser entschied für Berzelius und Hisinger, da in deren Arbeit stärker die metallische Natur der entdeckten Substanz betont wurde, während Klaproth eher unbestimmt von einer Erde sprach. Klaproth akzeptierte Cerium als Name des neuen Elementes.<ref name="Trofast"/>

1826 gelang es Carl Gustav Mosander, durch Reaktion von Kaliumdampf mit Cerchlorid ein stark verunreinigtes metallisches Cer in Form eines braunen Pulvers zu erhalten.<ref name="Trofast"/><ref>Paweł Miśkowiec: Name game: the naming history of the chemical elements: part 2—turbulent nineteenth century. In: Foundations of Chemistry. 2022, Band 25, Nummer 2, S. 215–234 Vorlage:DOI.</ref> Er entdeckte auch, dass Cerit neben Cer auch weitere Elemente enthält. 1839 isolierte er das Lanthan<ref>C.G. Mosander: Lantan, ein neues Metall. In: Poggendorffs Annalen. 46, 1839, S. 648–649 (Vorlage:Gallica).</ref>, 1842 das Didym<ref>C.G. Mosander: Ein neues Metall, Didym, betreffend. In: Poggendorffs Annalen. 56, 1842, S. 503–505 (Vorlage:Gallica).</ref>. Dieses stellte sich seinerseits als Mischung von Praseodym und Neodym heraus.<ref>Marco Fontani, Mariagrazia Costa, Mary Virginia Orna: The Lost Elements. Oxford University Press, 2015, ISBN 978-0-19-938334-4, S. 171–173.</ref> 1875 konnten William Hillebrand und Thomas Herbert Norton durch Elektrolyse von Cerchlorid reines Cer gewinnen.<ref>R. Bunsen: Elektrolytische Abscheidung des Cers, Lanthans und Didyms. In: Poggendorffs Annalen. 155, 1875, S. 633–639 (Vorlage:Gallica).</ref>

Erstmals verwendet wurde Cer 1890 von Carl Auer von Welsbach. Er hatte bei der Trennung von Thoriumerzen bemerkt, dass Lösungen, die Thorium und geringe Mengen Cer enthalten, durch eine Flamme stark leuchten können. Daraus entwickelte er einen Glühstrumpf für die Gasbeleuchtung, der etwa 99 % Thorium- und 1 % Cer(IV)-oxid enthielt.<ref>Roland Adunka, Mary Virginia Orna: Carl Auer von Welsbach: Chemist, Inventor, Entrepreneur. Springer, 2018, ISBN 978-3-319-77904-1, S. 71–74.</ref>

Vorkommen

In der Natur kommt Cer vergesellschaftet mit anderen Lanthanoiden in sogenannten Ceriterden vor, wie zum Beispiel im Allanit (Ca, Ce, La, Y)₂(Al, Fe)₃(SiO₄)₃(OH), im Monazit (Ce, La, Th, Nd, Y)PO₄ sowie im Bastnäsit (Ce, La, Y)CO₃F. Cer ist das häufigste Element der Lanthanoide und steht in der Elementhäufigkeit auf Platz 28. In der Erdkruste, bis in eine Tiefe von 16 km gerechnet, ist es mit 68 g/t vertreten und kommt damit häufiger als Zinn oder Blei vor. Wichtige Lagerstätten befinden sich in Skandinavien, USA, Kongo, Südafrika und Indien. Die weltweit bekannten Cer-Reserven werden auf 40 Mio. Tonnen geschätzt. Cer gehört zu den sogenannten leichten Seltenen Erden, die 2014 von der BGR als unkritisch bezüglich der Versorgungslage eingeschätzt wurden.<ref>Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe: Aktuelle BGR-Recherche: Anteil Chinas an weltweiter Seltene Erden-Produktion sinkt nur langsam. 12. März 2014.</ref> Elementares („gediegenes“) Cer kommt auf der Erde wegen seiner hohen Reaktivität nicht vor. Es wurde jedoch in mikroskopischen Partikeln in Mondgestein gefunden. Wahrscheinlich entsteht es auf dem Mond durch Impaktereignisse.<ref>Vorlage:Literatur</ref>

Gewinnung und Herstellung

Nach einer aufwendigen Abtrennung der Cer-Begleiter wird das Oxid mit Fluorwasserstoff zum Cer(III)-fluorid 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. Die jährliche Weltproduktion lag 2022 bei ca. 23.000 t.<ref>Vorlage:Internetquelle</ref>

Eigenschaften

Datei:Cerium phase diagram.jpg

Phasendiagramm von Cer

Physikalische Eigenschaften

Datei:Cer 2.tif

Metallisches Cer

Von Cer sind vier Modifikationen bekannt:<ref name="Binder">Harry H. Binder: Lexikon der chemischen Elemente, S. Hirzel Verlag, Stuttgart 1999, ISBN 3-7776-0736-3, S. 145.</ref>

<math>\mathrm{(\alpha)Cer\ _{\overrightarrow { -196\,^{\circ}\mathrm{C}}}\ (\beta)Cer\ _{\overrightarrow { -24\,^{\circ}\mathrm{C}}}\ (\gamma)Cer\ _{\overrightarrow { 726\,^{\circ}\mathrm{C}}}\ (\delta)Cer}</math>

Das silbrigweiß glänzende Metall ist hinter Europium das zweitreaktivste Element der Lanthanoide. Oberhalb von 150 °C verbrennt es unter heftigem Glühen zum Cerdioxid. Mit Wasser reagiert es zum Cer(III)-hydroxid.

Chemische Eigenschaften

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.

Verwendung

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.

• In der Metallurgie dient Mischmetall 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).<ref>Zündsteine aus Auermetall, abgerufen am 5. Dezember 2022</ref>

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

• Cerdioxid (CeO₂) wird zur Stabilisierung des keramischen Katalysatorträgers aus Aluminiumoxid für Autoabgaskatalysatoren verwendet
• Bestandteil einiger Spezialgläser, zum Beispiel UV-Filter und Windschutzscheiben, und Enttrübungsmittel in der Glasherstellung
• zur Färbung von Emaille
• Cerdioxid findet Verwendung als Poliermittel in der Glasbearbeitung
• Cer-dotierte Fluoreszenz-Farbstoffe (Leuchtstoffe) in Bildröhren, Gasentladungslampen und weißen Leuchtdioden
• als Dotierung in Glühstrümpfen
• Selbstreinigende Backöfen enthalten eine cerhaltige Beschichtung.
• Cer(IV)-sulfat als Oxidationsmittel in der Quantitativen Analyse (Cerimetrie)
• als Kontrastmittel bei Kernspinresonanz
• zur Regeneration von Rußpartikelfiltern im Kraftstoff gelöst beigemischt
• als Oxidkathode in Form von Cerhexaborid (CeB₆)<ref>Vorlage:Internetquelle</ref>
• als Teil von nichtedelmetallhaltigen Aufbrennlegierungen in der Zahntechnik (Keramik)
• als Oxidationsmittel für organische Synthesen mit Ceriumammoniumnitrat, (NH₄)₂Ce(NO₃)₆
• als Katalysator-Komponente zur Spaltung von CO₂. Ein Forscherteam um Dr. Dorna Esrafilzadeh der RMIT-Universität in Melbourne verwendet Cer als eine Komponente in einem Flüssigmetall-Katalysator, um das Treibhausgas CO₂ bei Raumtemperatur in Kohlenstoff und Sauerstoff zu spalten. Die katalytisch eingesetzte Flüssigmetall-Legierung aus Gallium, Indium, Zinn und Cer dient dabei als Stromleiter und Elektrolyt. In dem chemischen Prozess wird das dreiwertige Kation (Cer³⁺) zum metallischen Cer reduziert.<ref>Arne Grävemeyer: CO₂ wird zu Kohle bei Raumtemperatur; heise online, 8. März 2019.</ref><ref>Robert F.Service: New way to turn carbon dioxide into coal could ‘rewind the emissions clock’. In: Science, 27. Februar 2019 Vorlage:DOI</ref><ref>Esrafilzadeh et al.: Room temperature CO2 reduction to solid carbon species on liquid metals featuring atomically thin ceria interfaces. In: Nature Communications 10, 865 (2019)</ref>

Biologische Bedeutung

2013 wurde erstmals ein Enzym in Bakterien entdeckt, das Cer-Ionen für seine Funktion benötigt. Die Bakterien der Art Methylacidiphilum fumariolicum wurden aus vulkanischen Schlammtümpeln in Italien isoliert. Sie benötigen Cer zum Aufbau der Methanol-Dehydrogenase, eines Enzyms im Methan-Stoffwechsel. Das Ion hat dabei die Rolle, die in ähnlichen Enzymen in anderen Bakterien von Calciumionen übernommen wird.<ref name="DOI10.1111/1462-2920.12249">Arjan Pol, Thomas R.M. Barends u. a.: Rare earth metals are essential for methanotrophic life in volcanic mudpots. In: Environmental Microbiology. 2013, S. n/a–n/a, doi:10.1111/1462-2920.12249.</ref>

Sicherheitshinweise

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.

Verbindungen

Oxide

• Cer(III)-oxid Ce₂O₃, goldglänzender keramischer Feststoff
• Cer(IV)-oxid CeO₂
• Cer(III,IV)-oxid Ce₃O₅, blauer keramischer Feststoff

Halogenide

• Cer(III)-fluorid CeF₃
• Cer(IV)-fluorid CeF₄
• Cer(III)-chlorid CeCl₃ · 7 H₂O, weiße stark hygroskopische Substanz
• Cer(III)-bromid CeBr₃
• Cer(III)-iodid CeI₃

Sonstige Verbindungen

• Cer(III)-sulfat Ce₂(SO₄)₃ · 8 H₂O, farblose Substanz
• Cer(IV)-sulfat Ce(SO₄)₂, gelbe Substanz
• Cer(III)-nitrat Ce(NO₃)₃ · 6 H₂O
• Cer(III)-oxalat Ce₂(C₂O₄)₃ · 10 H₂O
• Ammoniumcer(IV)-nitrat (CAN) (NH₄)₂Ce(NO₃)₆, orangerot
• Ammoniumcer(IV)-sulfat (NH₄)₄Ce(SO₄)₄· H₂O
• Cer(IV)-perchlorat Ce(ClO₄)₄
• Cerwolframat Ce₂(WO₄)₃

• Cer(III)-chlorid
  Cer(III)-chlorid
• Cer(IV)-sulfat
  Cer(IV)-sulfat
• Ammoniumcer(IV)-nitrat
  Ammoniumcer(IV)-nitrat

Weblinks

• Vorlage:RömppOnline

Einzelnachweise

<references />