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Cer

Informationen und Quellen zum chemischen Element Cer.




Cer

Cer ist die Bezeichnung für das chemische Element mit der Ordnungszahl 58 und dem Elementsymbol Ce. Der Name des 1803 von Jöns Jacob Berzelius und Wilhelm von Hisinger sowie gleichzeitig von Martin Heinrich Klaproth entdeckten chemischen Grundstoffs ist auf den Kleinplaneten Ceres (Entdeckungsjahr 1801) zurüchzuführen, der seinerseits nach der römischen Fruchtbarkeitsgöttin Ceres benannt wurde.

Das auch Cerium oder Zer genannte Element zählt zu den Gruppen der Lanthanoide, der Inneren Übergangselemente (f-Block) und der Seltenen Erden. In reiner Form zeigt es sich als silberweißes, weiches, mit dem Messer schneidbares und sehr dehnbares Metall, das in mehreren allotropen Formen auftritt.

 

Übersicht: Allgemeine Daten zum Cer

Bezeichnung:Cer Andere Namen:Cerium Symbol:Ce Ordnungszahl:58 Atommasse:140,116(1) u Periodensystem-Stellung:Lanthanoide, 6. Periode, f-Elemente Gruppen-Zugehörigkeit:Seltene Erden Entdeckung:1803 (Berzelius, von Hisinger, Klaproth) Bedeutung des Namens:Ceres (Kleinplanet); ursprünglich Ceres: römische Göttin des Ackerbaus bzw. der Fruchtbarkeit Historische Bezeichnungen:Zer, Cererium, Zererium Irdisches Vorkommen:Mit 66 ppm Anteil an der Erdkruste an Stelle 26 der Häufigkeit Englischer Name:Cerium CAS-Nummer:7440-45-1 InChI-Key:GWXLDORMOJMVQZ-UHFFFAOYSA-N

 

Das Cer-Atom

Das Ce-Atom - und damit das chemische Element Cer - ist eindeutig durch die 58 positiv geladenen Protonen im Atomkern definiert. Für den elektrischen Ausgleich im ungeladenen Ceratom sorgen ebensoviele Elektronen.

Für Varianten an Atomkernen sorgen die Kernbausteine der Neutronen. Diese Atomsorten werden unter dem Begriff Cer-Isotope zusammengefasst (Isotopen-Daten: siehe dort). Die auch Nuklide genannten Atomsorten unterscheiden sich in der Anzahl der Neutronen.

Die irdischen Cer-Vorkommen bestehen aus einer Mischung von vier dieser Cer-Nuklide, die insgesamt in einem relativ stabilen Verhältnis zueinander auftreten. Die relative Atommasse des Cers von 140,116(1) u ergibt sich aus den einzelnen Nuklidmassen und deren Häufigkeiten zueinander als statistischer Durchschnittswert mit einem gewissen Unsicherheitsfaktor (in Klammern).

 

Elektronenkonfiguration

Die Elektronenkonfiguration des Cers im ungeladenen Grundzustand:

SymbolOZKurzform1s2s2p3s3p3d4s4p4d4f5s5p5d5f6s6p6d6f
Ce58[Xe] 4f1 5s1 6s2 226261026101162

 

Ionisierungsenergien

Die folgende Tabelle listet die Bindungsenergien bzw. die Ionisierungsenergien IE der Cers, also die erforderliche Energie in Elektronenvolt (eV), um ein bestimmtes Elektron von einem Ce-Atom zu trennen.

1. IE: 5,5387 eV2. IE: 10,85 eV3. IE: 20,198 eV4. IE: 36,758 eV5. IE: 66,55 eV6. IE: 77,6 eV

 

Elektronenbindungsenergie

Die nachfolgende Tabelle listet die Elektronenbindungsenergien der einzelnen Cer-Elektronen in den jeweiligen Orbitalen auf. Die Werte sind in Elektronenvolt (eV) angegeben.

KLILIILIII
1s2s2p1/22p3/2
40443654961645723

 

MIMIIMIIIMIVMV
3s3p1/23p3/23d3/23d5/2
143612741187*902,4883,8

 

NINIINIIINIVNVNVINVII
4s4p1/24p3/24d3/24d5/24f5/24f7/2
291,0223,2206,5109-0,10,1

 

OIOIIOIIIOIVOV
5s5p1/25p3/25d3/25d5/2
37,819,817,0

 

Weitere Daten

Atomradius:185 pm (empirisch, nach Slater) Kovalente Radien:204(9) pm (nach Cordero et al.)
163 pm (in Einfach-Bindungen, nach Pyykkö et al.)
137 pm (in Zweifach-Bindungen, nach Pyykkö et al.)
131 pm (in Dreifach-Bindungen, nach Pyykkö et al.)
Van-der-Waals-Radius:200 pm Molvolumen:20,69 cm3 mol-1 Fluoreszenz-Ausbeute:ωK: 0,910; ωL1: 0,058; ωL2: 0,110; ωL3: 0,111 Coster-Kronig-Übergänge:F12: 0,19; F13: 0,25; F23: 0,158

 

Spektrallinien des Cers

Die nachfolgende Abbildung zeigt ein Emissionsspektrum des Cers mit den charakteristischen Spektrallinien im sichtbaren Wellenlängenbereich zwischen 400 und 700 nm:

Cer-Spektrallinien

 

 

Chemie des Cers

Cer besitzt 4 Valenzelektronen, die allesamt abgegeben werden können, um Cer(IV)-Verbindungen mit dem gelben bis orangefarbigen Ce4+-Kation zu bilden.

Die meisten Lanthanoide können nur drei Elektronen als Valenzelektronen verwenden, da die verbleibenden 4f-Elektronen zu stark an den Kern gebunden sind. Cer ist damit eine Ausnahme, da die leere f-Schale in Ce4+ stabil ist.

Das farblose Ce(III)-Kation tritt bevorzugt auf.

Frisches, glänzendes Cer-Metall läuft an der Luft schnell an; es bildet sich eine Oxid-Schicht, die - ähnlich wie Rost - leicht abplatzt. Ein 1-cm dickes Stück Cer korrodiert so innerhalb eines Jahres vollständig.

 

Chemische Daten

Elektronegativität:1,12 nach PaulingElektronaffinität:0,57(2) eV bzw. 55(2) kJ mol-1Oxidationsstufen:+4, +3 (+2, +1)

 

Standardpotentiale

E0 (V)NoxName Ox.Ox.e-Red.Name Red.Nox
-2,336+ IIICer(III)-KationCe3++ 3 e-Ce (s)Cer0
1,44+ IVCer(IV)-KationCe4++ e-Ce3+Cer(III)-Kation+ III

 

Material- und physikalische Eigenschaften des Cers

Die nachfolgende Übersicht führt einige physikalische Daten sowie Materialeigenschaften des reinen Cer-Metalls auf.

Schmelzpunkt:795 °C Schmelzenthalpie (molar):5,46 kJ mol-1 Siedepunkt:3443 °C Verdampfungsenthalpie:313,8 kJ mol-1 Wärmekapazität:26,94 J mol-1 K-1 (molar)
0,192 J g-1 K-1 (spezifisch) (gamma)
Debye-Temperatur:179 K Thermische Leitfähigkeit:11,3 W m-1 K-1 Dichte:6,770 g cm-3 bei 20°C Elastizitätsmodul:33,6 GPa, β-Ce (Young Modulus) Kompressionsmodul (isotherm):23,9 GPa 300 K, γ-Ce Kompressibilität (isotherm):0,0418 GPa-1 300 K, γ-Ce Poisson-Zahl:0,24 (Querdehnzahl, dimensionslos) Kristallstruktur:Doppelt-hexagonal dichteste Kugelpackung - dhcp Härte:nach Mohs: 2,5
nach Vickers: 0,27 GPa
nach Brinell: 0,412 GPa
Magnetismus:paramagnetisch Magnetische Suszeptibilität:1,4 × 10-3 cm3 mol-1 Schallgeschwindigkeit:2100 m s-1 bei 20 °C

 

 

Geochemie, Vorkommen, Verteilung

Cer ist das am häufigsten vorkommende chemische Element der Lanthanoid-Reihe und etwa zu 66 ppm in der Erdkruste enthalten, bezogen auf die Masse; es steht gleich hinter dem Kupfer (68ppm). Cer ist damit noch häufiger als gewöhnliche Metalle wie Blei (13 ppm) oder Zinn (2,1 ppm) - und damit, trotz seiner Zugehörigkeit zu den Seltenen Erden, gar nicht so selten.

Cer kommt in verschiedenen Mineralien vor, von denen die wichtigsten kommerziellen Quellen die Mineralien der Monazit- und der Bastnäsit-Gruppe sind, bei denen der Ce-Gehalt etwa die Hälfte des Lanthanoid-Gehalts ausmacht.

Erdkruste:65,5 mg kg-1 (ppmw, bezogen auf die Masse) Erdmantel:1786 ppb Meerwasser:0,0000012 mg L-1 (ppmw, bezogen auf die Masse) Sonnensystem:0,0000011 (bezogen auf Silicium, Si=1)

 

Gefahren und Sicherheit


Gefahr

(Allgemeine Hinweise ohne Gewähr auf Richtigkeit und Vollständigkeit)

Cer ist ein entflammbarer Feststoff (H228), der oberhalb von 150 °C unter heftigem Glühen zum Cerdioxid verbrennt. Cer-Metall ist stark pyrophor, d.h. wenn es geschliffen oder zerkratzt wird, entzünden sich die entstandenen Späne.

Zusätzlich ist Cer gesundheitsschädlich beim Verschlucken, beim Einatmen und bei Berührung mit der Haut, verursacht schwere Augenreizungen und kann zu Atemwegsreizungen führen.

 

Literatur und Quellen

[1] - C. G. Mosander:
Ueber Cer, Lanthan und Didym, sowie über Yttererde, Erbium und Terbium.
In: Justus Lebigs Annalen der Chemie, 1843, DOI 10.1002/jlac.18430480218.

[2] - C. G. Mosander:
Ueber Cerium, Lanthanium und Didymium.
In: Archiv der Pharmazie, 1844, DOI 10.1002/ardp.18440870127.

[3] - Jörg Wittig:
Die elektronische Struktur von Lanthan und Cer.
In: Physikalische Blätter, 1977, DOI 10.1002/phbl.19770330305.

[4] - Eric J. Schelter:
Cerium under the lens.
In: Nature Chemistry, 2013, DOI 10.1038/nchem.1602.

 


Kategorie: Chemische Elemente

Aktualisiert am 25.01.2019.



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