תחמוצת CERIUM (IV): מבנה, תכונות, שימושים - כִּימִיָה - 2025

תחמוצת cerium (IV) תחמוצת או צריק הוא לבן או צהוב חיוור מוצק אורגניים המיוצרים על ידי חמצון של cerium (CE) עבור חמצן הערכיות שלה 4+. הנוסחה הכימית של תחמוצת החרס היא CeO ₂ והיא התחמוצת ביותר של cerium.

Cerium (Ce) הוא מרכיב מסדרת הלנטנידים, הכלולים בקבוצת האדמות הנדירות. המקור הטבעי לתחמוצת זה הוא הבסטנסייט המינרלי. בריכוז המסחרי של מינרל זה ניתן למצוא CeO ₂ בשיעור משוער של עד 30% לפי משקל.

דגימה של תחמוצת cerium (IV). תמונה שצולמה באוגוסט 2005 על ידי משתמש: Walkerma. {{PD-self}} מקור: Wikipedia Commons

ניתן להשיג בקלות את ה- CeO _{2 על} ידי חימום של הידרוקסיד (III), Ce (OH) ₃ , או כל מלח של cerium (III), כמו אוקסלט, קרבונט או חנקה, באוויר או חמצן .

CeO ₂ Stoichiometric ניתן להשיג על ידי תגובת הטמפרטורה הגבוהה של תחמוצת cerium (III) עם חמצן אלמנטלי. על החמצן להיות עודף ויש לאפשר זמן מספיק להשלים את ההמרה של השלבים הלא סטואיציומטריים השונים שנוצרים.

שלבים אלה כוללים מוצרים צבעוניים עם הנוסחה CeO _x (כאשר x משתנה בין 1.5 ל 2.0). הם נקראים גם CeO _2-x , כאשר ל- x יכול להיות ערך של עד 0.3. CeO ₂ היא הצורה הנפוצה ביותר של Ce בענף. יש לו סיווג רעילות נמוך, במיוחד בגלל המסיסות הגרועה במים.

דגימת מינרלים בבסטנסייט רוב לביאינסקי, iRocks.com - CC-BY-SA-3.0 מקור: Wikipedia Commons

מִבְנֶה

תחמוצת הסריום הסטויו-מטרי (IV) מתגבשת בסריג מעוקב דמוי פלואוריט (CaF ₂ ), עם 8 O ^2- יוני במבנה מעוקב המתואם עם יוני 4 Ce ⁴⁺ .

מבנה גבישי של תחמוצת Cerium (IV). Benjah-bmm27 מקור: Wikipedia Commons

מִנוּחַ

- תחמוצת Cerium (IV).

- תחמוצת חרס.

- דו תחמוצת Cerium.

- סריה.

- תחמוצת cerium stoichiometric: חומר שנוצר כולו על ידי CeO ₂ .

- תחמוצת סריום לא-stoichiometric: חומר שנוצר על ידי תחמוצות מעורבות מ- CeO ₂ ל- CeO _1.5

נכסים

מצב פיזי

מוצק צהוב בהיר. צבע רגיש לסטואיציומטריה ונוכחותם של לנטנידים אחרים. תחמוצות שאינן stoichiometric הן לרוב כחולות.

קשיות של מוהס

6-6.1 בערך.

משקל מולקולרי

172.12 גרם / מול.

נקודת המסה

2600 ºC בערך.

צְפִיפוּת

7.132 גרם / ס"מ ³

מְסִיסוּת

מסיסים במים חמים וקרים. מסיסים בחומצה גופרתית מרוכזת ובחומצה חנקנית. לא מסיסים בחומצות מדוללות.

מדד שבירה

2.2.

נכסים אחרים

CeO ₂ הוא חומר אינרטי, הוא לא מותקף על ידי חומצות או אלקליות חזקות. עם זאת, ניתן להמיס אותו על ידי חומצות בנוכחות חומרי הפחתה, כגון מי חמצן (H ₂ O ₂ ) או פח (II), בין היתר, ליצירת תמיסות של cerium (III).

יש לו יציבות תרמית גבוהה. זה לא עובר שינויים קריסטלוגרפיים במהלך מרווחי חימום רגילים.

הנגזרת המייבשת שלו ( CeO ₂ .nH ₂ O) היא משקעים צהובים וג'לטיניים המתקבלים על ידי טיפול בתמיסות של cerium (IV) עם בסיסים.

CeO ₂ נספג בצורה לא טובה ממערכת העיכול ולכן אין לו השפעות רעילות.

יישומים

- בתעשייה המטלורגית

CeO ₂ משמש באלקטרודות של טכנולוגיות ריתוך מסוימות, כגון ריתוך בקשת טונגסטן בגז האינרטי.

התחמוצת מפוזרת דק בכל מטריצת הטונגסטן. במתחים נמוכים חלקיקי CeO ₂ אלה מעניקים אמינות גבוהה יותר מאשר טונגסטן בלבד.

- בתעשיית הזכוכית

ליטוש זכוכית

CeO ₂ יכול לצבוע כוסות סודה ליים לבקבוקים, פכים וכדומה. Ce (IV) מחמצן זיהומים של Fe (II), המספקים צבע ירוק-כחלחל, ל- Fe (III) המעניק צבע צהוב חלש פי עשרה.

זכוכית עמידה בפני קרינה

תוספת של 1% CeO ₂ לזכוכית מדכאת את שינוי צבע או הכהיית הזכוכית הנגרמת כתוצאה מהפצצת אלקטרונים בעלי אנרגיה גבוהה בכוסות טלוויזיה. הדבר נכון גם לזכוכית המשמשת בחלונות בתאים חמים בתעשייה הגרעינית, מכיוון שהיא מדכאת שינוי צבע שמקורו בגמא.

ככל הנראה, מנגנון הדיכוי תלוי בנוכחותם של יוני Ce ⁴⁺ ו- Ce ³⁺ בסריג הזכוכית.

משקפיים רגישות לאור

כמה ניסוחים מזכוכית יכולים לפתח תמונות סמויות שאפשר להמיר אותן למבנה או צבע קבוע.

סוג זכוכית זה מכיל CeO ₂ הסופג קרינת UV ומשחרר אלקטרונים למטריצת הזכוכית.

לאחר הטיפול נוצר גידול של גבישים של תרכובות אחרות בכוס, ויוצר דפוסים מפורטות לשימושים אלקטרוניים או דקורטיביים.

- באמייל

בשל מדד השבירה הגבוה שלו, CeO ₂ הוא חומר אטום בתרכובות אמייל המשמשות כציפוי מגן על מתכות.

יציבותו התרמית הגבוהה וצורתה הקריסטלוגרפית הייחודית לאורך כל טווח הטמפרטורות שהושג בתהליך הזיגוג, הופכות אותו לשימוש לשימוש בזיגוגי חרסינה.

ביישום זה CeO ₂ מספקת את הציפוי הלבן הרצוי במהלך שחיקת אמייל. זהו המרכיב המספק אטימות.

- בקרמיקה זירקוניום

קרמיקה זירקוניה היא מבודד תרמי ומשמשת ליישומים בטמפרטורה גבוהה. זה דורש תוסף כדי לקבל חוזק וקשיחות גבוהים. הוספת CeO ₂ לזירקוניה מייצרת חומר בעל קשיחות ועוצמה טובה במיוחד.

CeO תחמוצת זירקוניום ₂ מסומנת משמשת בציפויים כדי לשמש כמחסום תרמי על משטחי מתכת.

לדוגמה, בחלקי מנוע מטוסים ציפויים אלה מגנים מפני הטמפרטורות הגבוהות אליהם נחשפו מתכות.

מנוע סילון. ג'ף דאהל, תרגום לספרדית מאת צ'אביגאווקס מקור: ויקיפדיה Commons

- בזרזים לבקרת פליטת רכב

CeO ₂ הוא מרכיב פעיל בהוצאת מזהמים מפליטת כלי רכב. זה נובע בעיקר מיכולתו לאגור או לשחרר חמצן בהתאם לתנאים סביבו.

הממיר הקטליטי ברכב מנועי ממוקם בין המנוע לשקע הגז הפליטה. יש לו זרז שחייב להתחמצן של פחמימנים בלתי שרופים, להמיר CO ל- CO ₂ ולהפחית תחמוצות חנקן, NO _x , ל- N ₂ ו- O ₂ .

ממיר קטליטי לגזי פליטה ממנוע בעירה פנימית של רכב מנועי. Ahanix1989 בוויקיפדיה האנגלית מקור: Wikipedia Commons

מלבד פלטינה ומתכות קטליטיות אחרות, המרכיב הפעיל העיקרי במערכות רב-פונקציונליות אלה הוא CeO ₂ .

כל ממיר קטליטי מכיל 50-100 גרם CeO ₂ מחולק דק, המשרת מספר פונקציות. החשובים שבהם הם:

משמש כמייצב לאלומינה בשטח פנים גבוה

אלומינה בשטח פנים גבוה נוטה לסנן ומאבדת את שטח הפנים הגבוה שלה במהלך פעולה בטמפרטורה גבוהה. זה מתעכב בגלל הנוכחות של CeO ₂ .

זה מתנהג כמוצץ מאגר חמצן

בשל יכולתו ליצור תחמוצות לא סטואיציומטריות CeO _2-x , תחמוצת cerium (IV) מספקת חמצן אלמנטלי ממבנה משלו במהלך תקופת המחזור העשירה ברזה / דלק.

לפיכך, חמצון הפחמימנים הבלתי-נגרמים המגיעים מהמנוע וההמרה של CO ל- CO _{2 יכולים להמשיך} , גם כאשר גז חמצן אינו מספיק.

ואז, בתקופת המחזור העשירה בחמצן, הוא תופס חמצן ומחמצן מחדש, ומשחזר את צורתו הסטואיומטרית CeO ₂ .

אחרים

זה עובד כמשפר את היכולת הקטליטית של רודיום בהפחתת תחמוצות החנקן NO _x לחנקן ולחמצן.

- בקטליזה של תגובות כימיות

בתהליכי הפיצוח הקטליטי של בתי הזיקוק CeO ₂ משמש כחומר חמצון קטליטי המסייע בהמרה של SO ₂ ל- SO ₃ ומקדם היווצרות סולפטים במלכודות ספציפיות של התהליך.

CeO ₂ משפר את פעילותו של הזרז מבוסס תחמוצת הברזל המשמש להשגת סטירן החל מאתילבנזן. זה אולי בגלל האינטראקציה החיובית בין זוגות הפחתת תחמוצת Fe (II) - Fe (III) ו- Ce (III) - Ce (IV).

- ביישומים ביולוגיים וביו-רפואיים

חלקיקים ננו של CeO ₂ נמצאו כפועלים על ידי ניקוד רדיקלים חופשיים, כגון סופרוקסיד, מי חמצן, הידרוקסיל, וחנקן תחמוצת החנקן.

הם יכולים להגן על רקמות ביולוגיות מפני נזק שנגרם כתוצאה מקרינה, מפגיעה ברשתית הנגרמת על ידי לייזר, להגדיל את אורך החיים של תאי פוטו-קולטנים, להפחית פגיעות בעמוד השדרה, להפחית דלקת כרונית ולקדם אנגיוגנזה או היווצרות כלי דם.

בנוסף, ננו-סיבים מסוימים המכילים חלקיקים של CeO ₂ הוכחו כרעילים כנגד זני חיידקים, מהווים מועמדים מבטיחים ליישומי חיידקים.

- שימושים אחרים

CeO ₂ הוא חומר בידוד חשמלי בגלל יציבותו הכימית המצוינת, ההיתר היחסי הגבוה (יש לו נטייה גבוהה לקוטב כשמפעילים שדה חשמלי) וסריג גבישי הדומה לסיליקון.

הוא מצא יישום בקבלים ושכבות דעיכה של חומרים מוליכים-על.

הוא משמש גם בחיישני גז, חומרים אלקטרודה של תא דלק תחמוצת מוצק, משאבות חמצן, ומסכי חמצן.

הפניות

1. כותנה, פ. אלברט ווילקינסון, ג'פרי. (1980). כימיה אורגנית מתקדמת. גרסה רביעית. ג'ון וויילי ובניו.
2. דאנס, ג'יי.סי; אמליוס, HJ; סר רונלד Nyholm ו Trotman-Dickenson, AF (1973). כימיה אורגנית מקיפה. כרך 4. עיתונות פרגמון.
3. קירק-אחר (1994). אנציקלופדיה לטכנולוגיה כימית. כרך 5. המהדורה הרביעית. ג'ון וויילי ובניו.
4. אנציקלופדיה של כימיה תעשייתית של אולמן. (1990). מהדורה חמישית. נפח A6. VCH Verlagsgesellschaft mbH.
5. Casals, Eudald et al. (2012). ניתוח והסיכון של חומרי ננו במדגמים סביבתיים ומזון. בכימיה אנליטית מקיפה. התאושש מ- sciencedirect.com.
6. מיילדיל ט. סבסטיאן. (2008). אלומינה, טיטניה, קרריה, סיליקט, קרם הלח וחומרים אחרים. בחומרים דיאלקטריים לתקשורת אלחוטית. התאושש מ- sciencedirect.com.
7. Afesh Rajan Unnithan, et al. (2015). פיגומים עם תכונות אנטיבקטריאליות. ביישומי ננו-טכנולוגיה להנדסת רקמות. התאושש מ- sciencedirect.com.
8. גוטארדי ו 'ואח'. (1979). ליטוש משטח הכוס שנחקר בטכניקה גרעינית. עלון האגודה הספרדית לקרמיקה וזכוכית, כרך 18, מס '3. התאושש מ boletines.secv.es.