Самый большой спрос металлический церий получил в виде диоксида. Основная часть его используется для производства полирующих порошков. Они идут на обесцвечивание и полировку зеркал, минеральных линз, химнестойких стекол; обладают хорошими суспензионными качествами, высокой эффективностью и чистотой обработки.
Поверхности после окончания работы не содержат царапин и повреждений. Сырьем в России для выработки порошков является лопаритовый концентрат, который поставляют с Кольского полуострова.
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.
Свойства металла-лантаноида
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+. Он активно вступает в реакцию с азотом, водородом и кислородом. Взаимодействие с водородом начинается при комнатной температуре и сопровождается выделением тепла. Реакция идет тем активнее, чем выше температура.
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. 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. При сжатии происходит значительное уменьшение объема и падает электросопротивление. Это исключительное явление объясняется появлением в электронном облаке четырехвалентных ионов.
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:
- «Оптипол» - полууниверсальный порошок. Состав отлично проявляет свои свойства при работе с кристаллами, керамикой, плоскими деталями кроновых стекол-зеркал, витринных, автомобильных, борлантановых и химнестойких стекол.
- «Фторопол» - универсальный порошок. Он состоит из тонко измельченных кристаллических частиц, имеющих коричневый оттенок. 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.
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.
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.
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.
