Xeri

Bách khoa toàn thư mở Wikipedia
Bước tới: menu, tìm kiếm
Xeri,  58Ce
Cerium2.jpg
Tính chất chung
Tên, ký hiệu Xeri, Ce
Phiên âm /ˈsɪəriəm/
Hình dạng Bạc trắng
Xeri trong bảng tuần hoàn
  Cubic-face-centered.svg
 
58
Ce
 
               
               
                                   
                                   
                                                               
                                                               
                                                               
                                   
Số nguyên tử 58
Khối lượng nguyên tử chuẩn 140,116
Phân loại Nhóm Lantan
Nhóm, phân lớp n/af
Chu kỳ Chu kỳ 6
Cấu hình electron [Xe] 4f 5d 6s2[1]
mỗi lớp 2, 8, 18, 19, 9, 2
Tính chất vật lý
Màu sắc Bạc trắng
Trạng thái vật chất Chất rắn
Nhiệt độ nóng chảy 1068 K ​(795 °C, ​1463 °F)
Nhiệt độ sôi 3716 K ​(3443 °C, ​6229 °F)
Mật độ (gần nhiệt độ phòng) 6,770 g·cm−3 (at 0 °C, 101.325 kPa)
Mật độ ở thể lỏng ở nhiệt độ nóng chảy: 6,55 g·cm−3
Nhiệt lượng nóng chảy 5,46 kJ·mol−1
Nhiệt lượng bay hơi 398 kJ·mol−1
Nhiệt dung 26,94 J·mol−1·K−1

Áp suất hơi

P (Pa) 1 10 100 1 k 10 k 100 k
ở T (K) 1992 2194 2442 2754 3159 3705
Tính chất nguyên tử
Trạng thái ôxi hóa 4, 3, 2Bazơ nhẹ
Độ âm điện 1,12 (Thang Pauling)
Năng lượng ion hóa Thứ nhất: 534,4 kJ·mol−1
Thứ hai: 1050 kJ·mol−1
Thứ ba: 1949 kJ·mol−1
Bán kính cộng hoá trị empirical: 181,8 pm
Độ dài liên kết cộng hóa trị 204±9 pm
Thông tin khác
Cấu trúc tinh thể Lập phương tâm mặt
Vận tốc âm thanh thin rod: 2100 m·s−1 (at 20 °C)
Độ giãn nở nhiệt (r.t.) (γ, poly) 6.3 µm·m−1·K−1
Độ dẫn nhiệt 11,3 W·m−1·K−1
Điện trở suất (r.t.) (β, poly) 828 n Ω·m
Tính chất từ Thuận từ[2]
Mô đun Young (dạng γ) 33,6 GPa
Mô đun cắt (dạng γ) 13,5 GPa
Mô đun nén (dạng γ) 21,5 GPa
Hệ số Poisson (dạng γ) 0,24
Độ cứng theo thang Mohs 2,5
Độ cứng theo thang Vickers 270 MPa
Độ cứng theo thang Brinell 412 MPa
Số đăng ký CAS 7440-45-1
Đồng vị ổn định nhất
Bài chính: Đồng vị của Xeri
iso NA Chu kỳ bán rã DM DE (MeV) DP
134Ce Tổng hợp 3,16 ngày ε 0.500 134La
136Ce 0.185% 136Ce ổn định với 78 nơtron
138Ce 0.251% 138Ce ổn định với 80 nơtron
139Ce Tổng hợp 137,64 ngày ε 0.278 139La
140Ce 88.450% 140Ce ổn định với 82 nơtron
141Ce Tổng hợp 32,501 ngày β 0.581 141Pr
142Ce 11.114% > 5×1016 năm ββ 1.417 142Nd
144Ce Tổng hợp 284,893 ngày β 0.319 144Pr

Xeri (tiếng Latinh: Cerium) là một nguyên tố hóa học với ký hiệu Cesố nguyên tử 58. Xeri không có vai trò sinh học nào đã biết.

Lịch sử[sửa | sửa mã nguồn]

Xeri được Jöns Jakob BerzeliusWilhelm Hisinger phát hiện tại Bastnäs, Thụy Điển và độc lập với họ là Martin Heinrich Klaproth tại Đức, đều vào năm 1803. Xeri được Berzelius đặt tên theo hành tinh lùn Ceres, phát hiện hai năm trước đó (1801). Như ban đầu được cô lập, xeri thực ra ở dạng ôxít của nó, và được gọi là Xeria, một thuật ngữ hiện nay vẫn còn dùng. Bản thân kim loại này là quá dương điện để có thể cô lập bằng công nghệ nung chảy khi đó, một đặc trưng của các kim loại đất hiếm nói chung. Tuy nhiên, sự phát triển của điện hóa học do Humphry Davy chỉ sau đó 5 năm và khi đó thì các loại đất hiếm này đã đi đúng vào con đường để sinh ra các kim loại chúng chứa bên trong. Xeria, như được cô lập năm 1803, chứa tất cả các nguyên tố nhóm Lantan có mặt trong quặng xerit từ Bastnäs, Thụy Điển và vì thế chỉ chứa khoảng 45% của cái mà ngày nay gọi là xeria tinh khiết. Cho tới tận khi Carl Gustaf Mosander thành công trong việc loại bỏ lantana và "didymia" vào cuối thập niên 1830 thì xeria mới thu được ở dạng tinh khiết. Wilhelm Hisinger là một chủ mỏ giàu có, một nhà khoa học nghiệp dư và là người tài trợ cho Berzelius. Ông sở hữu hoặc kiểm soát mỏ tại Bastnäs và trong nhiều năm đã cố gắng để tìm ra thành phần của loại đá nặng bị bỏ đi sau khi lấy quặng ("Tungstein của Bastnäs") với số lượng lớn, mà hiện nay gọi là xerit, mà ông có trong các khu mỏ của mình. Mosander và gia đình ông đã sinh sống nhiều năm trong cùng một ngôi nhà với Berzelius và có lẽ ông đã được Berzelius thuyết phục để tiếp tục nghiên cứu xeria.

Khi các loại đất hiếm lần đầu tiên được phát hiện, do chúng là các bazơ mạnh tương tự như các ôxít của canxi hay magiê nên người ta cho rằng chúng có hóa trị +2. Vì thế, "xeric" xeri được coi là có hóa trị +3 và tỷ lệ trạng thái ôxi hóa được coi là bằng 1,5. Berzelius cực kỳ khó chịu khi phải giữ tỷ lệ đó là 1,33. Trên tất cả những điều này thì ông là nhà hóa học phân tích giỏi bậc nhất tại châu Âu thời đó. Nhưng ông đã là nhà phân tích giỏi hơn là ông nghĩ, do 1,33 là tỷ lệ chính xác.

Đặc trưng[sửa | sửa mã nguồn]

Xeri là kim loại màu trắng bạc, thuộc về nhóm Lantan. Nó tương tự như sắt ở màu sắc và ánh, nhưng mềm, dẻo và dễ uốn. Xeri có khoảng nhiệt độ ở thể lỏng dài nhất trong số các nguyên tố có đồng vị không có tính phóng xạ: 2.648 °C (từ 795 °C tới 3.443 °C) hay 4.766 °F (từ 1.463 °F tới 6.229 °F). (Thori có khoảng nhiệt độ ở thể lỏng dài hơn (2.946 °C hay 5.302 °F), nhưng là nguyên tố chỉ có các đồng vị phóng xạ.)

Mặc dù xeri thuộc về nhóm các nguyên tố gọi chung là kim loại đất hiếm, nhưng trên thực tế nó còn phổ biến hơn chì. Xeri có sẵn ở lượng tương đối lớn (68 ppm trong lớp vỏ Trái Đất). Nó được sử dụng trong một số hợp kim của kim loại đất hiếm.

Trong số các nguyên tố đất hiếm chỉ có europi là hoạt động hóa học mạnh hơn. Nó nhanh chóng bị xỉn màu trong không khí. Các dung dịch kiềm cũng như axít đặc và loãng nhanh chóng ăn mòn kim loại này. Xeri bị ôxi hóa chậm trong nước lạnh nhưng nhanh trong nước nóng. Kim loại nguyên chất có thể bốc cháy khi cào xước.

Các muối của xeri (IV) (xeric) có màu đỏ cam hay ánh vàng, trong khi các muối xeri (III) (xerơ) thông thường màu trắng hay không màu. Cả hai trạng thái ôxi hóa đều hấp thụ mạnh ánh sáng cực tím. Xeri (III) có thể sử dụng để làm thủy tinh không màu và hấp thụ tia cực tím gần như hoàn toàn. Xeri có thể dễ dàng phát hiện trong các hỗn hợp đất hiếm bằng thử nghiệm định tính rất nhạy: bổ sung ammoniacperôxít hiđrô vào dung dịch các hỗn hợp nhóm lantan sẽ sinh ra màu nâu sẫm đặc trưng nếu có mặt xeri.

Biểu đồ pha của xeri

Phổ biến[sửa | sửa mã nguồn]

Xeri là nguyên tố phổ biến nhất trong số các nguyên tố đất hiếm, chiếm khoảng 0,0046% trọng lượng lớp vỏ Trái Đất. Nó được tìm thấy trong một số khoáng vật như allanit (còn gọi là orthit)—(Ca, Ce, La, Y)2(Al, Fe)3(SiO4)3(OH), monazit (Ce, La, Th, Nd, Y)PO4, bastnasit (Ce, La, Y)CO3F, hydroxylbastnasit (Ce, La, Nd)CO3(OH, F), rhabdophan (Ce, La, Nd)PO4-H2O, zircon (ZrSiO4), và synchysit Ca(Ce, La, Nd, Y)(CO3)2F. Monazit và bastnasit hiện nay là hai nguồn cung cấp xeri quan trọng nhất.

Xeri thông thường được điều chế thông qua công nghệ trao đổi ion sử dụng cát monazit như là nguồn xeri của nó.

Các trầm tích lớn chứa monazit, allanit, bastnasit sẽ cung cấp xeri, thori và nhiều kim loại đất hiếm khác trong nhiều năm tới.

Xem thêm Thể loại:Khoáng vật nhóm Lantan

Hợp chất[sửa | sửa mã nguồn]

Sulfat xeri (IV)

Xeri có hai trạng thái ôxi hóa phổ biến là +3 và +4. Hợp chất phổ biến nhất của nó là ôxít xeri (IV) (CeO2), được dùng như là "phấn sáp của thợ kim hoàn" cũng như trong thành tường của một số lò tự làm sạch. Hai tác nhân ôxi hóa được sử dụng phổ biến trong chuẩn độsulfat xeri (IV) amoni ((NH4)2Ce(SO4)3) và nitrat xeri (IV) amoni (hay CAN, (NH4)2Ce(NO3)6). Xeri cũng tạo ra các clorua như CeCl3 tức clorua xeri (III), được sử dụng để tạo thuận lợi cho các phản ứng ở các nhóm cacbonyl trong hóa hữu cơ. Các hợp chất khác còn bao gồm cacbonat xeri (III) (Ce2(CO3)3), florua xeri (III) (CeF3), ôxít xeri (III) (Ce2O3), cũng như sulfat xeri (IV) (sulfat xeric, Ce(SO4)2) và triflat xeri (III) (Ce(OSO2CF3)3).

Hai trạng thái ôxi hóa của xeri khác nhau khá nhiều về độ bazơ: xeri (III) là một bazơ mạnh khi so sánh với các trạng thái hóa trị ba của các nguyên tố khác cũng thuộc nhóm Lantan, nhưng xeri (IV) lại là bazơ yếu. Khác biệt này là cơ sở cho phép dễ dàng tách và tinh chế xeri nhất trong số các nguyên tố nhóm Lantan, một nhóm các nguyên tố nổi tiếng vì sự khó khăn trong việc tách rời chúng khỏi nhau. Một loạt các biện pháp đã được đề ra theo thời gian để khai thác sự khác biệt này. Trong số các biện pháp tốt nhất có:

  1. Trộn các hiđrôxít hỗn hợp với axít nitric loãng: các nguyên tố nhóm Lantan hóa trị 3 sẽ hòa tan trong môi trường không có xeri còn xeri hóa trị 4 còn lại trong cặn không hòa tan để sau đó dùng các biện pháp khác tinh chế. Một biến thái khác là dùng axít clohiđric và các ôxít thu được từ bastnasit đã nung khô, nhưng sự chia tách theo kiểu này ít hoàn hảo hơn.
  2. Kết tủa xeri từ dung dịch nitrat hay clorua bằng cách dùng permanganat kalicacbonat natri theo tỷ lệ mol là 1:4.
  3. Đun sôi dung dịch nitrat của các kim loại đất hiếm với bromat kali và mạt đá hoa (cẩm thạch).

Sử dụng các phương pháp cổ điển trong chia tách đất hiếm có một số ưu thế đáng kể trong chiến lược loại bỏ xeri từ hỗn hợp ngay từ lúc bắt đầu. Xeri thông thường chiếm 45% trong các loại đất hiếm xerit hay monazit và việc loại bỏ nó ra sớm sẽ làm giảm đáng kể những gì cần xử lý tiếp (hay giá thành của các tác nhân gắn liền với các công đoạn đó). Tuy nhiên, không phải mọi phương pháp tinh chế xeri đều dựa trên độ bazơ. Sự kết tinh nitrat amoni xeric [hexanitratoxerat (IV) amoni] từ axít nitric là một phương pháp tinh chế. Nitrat xeri (IV) (axít hexanitratoxeric) có thể dễ dàng tách ra hơn trong một số dung môi nhất định (ví dụ tri-n-butyl phốtphat) so với các nguyên tố nhóm Lantan hóa trị +3. Tuy nhiên, thực tế hiện tại ở Trung Quốc dường như người ta tinh chế xeri bằng phương pháp chiết dung môi ngược dòng, ở dạng hóa trị +3 của nó, tương tự như các nguyên tố khác trong nhóm Lantan.

Xeri (IV) là chất ôxi hóa mạnh trong các điều kiện axít nhưng ổn định trong các điều kiện kiềm. Nhưng điều kiện kiềm lại là điều kiện mà xeri (III) trở thành chất khử mạnh, dễ dàng bị ôxi hóa bởi ôxy có trong không khí. Điều kiện kiềm làm dễ dàng cho sự ôxi hóa này dẫn tới sự chia tách địa hóa học đôi khi xảy ra đối với xeri trong hỗn hợp với các nguyên tố hóa trị +3 của nhóm Lantan trong một số điều kiện phong hóa nhất định, dẫn tới "bất thường xeri âm tính" hay tới sự hình thành của khoáng vật xerianit. Ôxi hóa bằng không khí cho xeri (III) trong môi trường kiềm là cách thức kinh tế nhất để nhận được xeri (IV) để sau đó có thể xử lý tiếp bằng dung dịch axít.

Xem thêm Hợp chất xeri

Đồng vị[sửa | sửa mã nguồn]

Bài chi tiết: Đồng vị của xeri

Xeri nguồn gốc tự nhiên là hỗn hợp của 4 đồng vị ổn định; bao gồm Ce136, Ce138, Ce140, Ce142 với Ce140 là phổ biến nhất (88,48%). Ce136 và Ce142 được dự đoán là có hoạt động phân rã beta kép nhưng người ta vẫn chưa ghi nhận được dấu hiệu nào của hoạt động này (đối với Ce142 thì giới hạn dưới về chu kỳ bán rã là 5×1016 năm hay 50 triệu tỷ năm). Hai mươi sáu đồng vị phóng xạ khác đã được nêu đặc trưng với các đồng vị tồn tại lâu nhất là Ce144 (chu kỳ bán rã 284,893 ngày), Ce139 (137,64 ngày), Ce141 (32,501 ngày). Tất cả các đồng vị còn lại có chu kỳ bán rã dưới 4 ngày và phần lớn là dưới 10 phút. Nguyên tố này cũng có 2 trạng thái đồng phân hạt nhân.

Các đồng vị đã biết của xeri có nguyên tử lượng nằm trong khoảng từ 123 (Ce123) tới 152 (Ce152).

Ce144 là sản phẩm sinh ra với hiệu suất cao từ phân hạch hạt nhân; FPPP tại ORNL đã tách ra được một lượng đáng kể Ce144 từ chất thải lò phản ứng hạt nhân và nó được sử dụng trong các chương trình ANP, SNAP của Hoa Kỳ.

Ứng dụng[sửa | sửa mã nguồn]

Ứng dụng của xeri bao gồm:

  • Trong luyện kim:
    • Xeri được dùng để sản xuất các hợp kim nhôm.
    • Bổ sung xeri vào gang sẽ ngăn ngừa quá trình graphit hóa và sinh ra gang mềm.
    • Trong thép, xeri khử khí và hỗ trợ làm giảm các sulfua và ôxít.
    • Xeri cũng được dùng trong thép không gỉ như là tác nhân làm cứng phân tán.
    • 3 tới 4% xeri thêm vào hợp kim magiê, cùng 0,2 tới 0,6% zirconi, hỗ trợ việc làm mịn các hạt tinh thể và tạo ra sản phẩm đúc hoàn hảo với các hình dáng phức tạp. Nó cũng bổ sung khả năng chịu nhiệt cho các sản phẩm đúc chứa magiê.
    • Xeri được dùng trong các hợp kim để chế tạo nam châm vĩnh cửu.
    • Xeri được dùng làm thành phần tạo hợp kim trong các điện cực vonfram cho hàn hồ quang vonfram khí.
    • Xeri là thành phần chính của ferrocerium, còn gọi là "đá lửa". Mặc dù các hợp kim hiện nay của kiểu này nói chung sử dụng Mischmetal chứ không phải xeri tinh khiết, nhưng nó vẫn là thành phần hợp thành phổ biến nhất.
    • Xeri được sử dụng trong chiếu sáng hồ quang cacbon, đặc biệt trong công nghiệp điện ảnh.
  • Oxalat xeri là thuốc chống gây nôn.
  • Ôxít xeri (IV)
    • Ôxít được dùng trong các măng sông nóng sáng, chẳng hạn trong măng sông Welsbach, trong đó nó kết hợp với các ôxít của thori, lantan, magiê hay yttri.
    • Làm chất xúc tác cho hydrocacbon trong các lò tự làm sạch trong tường thành lò.
    • Ôxít xeri (IV) đã thay thế phần lớn cho phấn kim hoàn trong công nghiệp thủy tinh/kính như là chất đánh bóng.
    • Ôxít xeri (IV) dùng làm chất xúc tác trong cracking dầu mỏ.
    • Các phụ gia xeri (IV) vào nhiên liệu diesel làm cho chúng cháy hoàn toàn hơn, giảm gây ô nhiễm môi trường.
    • Trong thủy tinh, ôxít xeri (IV) cho phép hấp thụ có tính chọn lựa các tia cực tím.
  • Sulfat xeri (IV) được sử dụng rộng rãi trong phân tích định lượng như là một tác nhân ôxi hóa.
  • Nitrat amoni xeric là một chất ôxi hóa một electron hữu ích trong hóa hữu cơ, được dùng để khắc axít có tính ôxi hóa cho các bộ phận cấu thành trong công nghiệp điện tử cũng như là tiêu chuẩn cơ bản trong phân tích định lượng.
  • Các hợp chất xeri được sử dụng trong thủy tinh như là một thành phần hay như là chất khử màu.
  • Xeri kết hợp với titan tạo ra màu vàng kim đẹp cho thủy tinh.
  • Các hợp chất xeri được dùng để tạo màu cho men gốm sứ.
  • Các hợp chất xeri (III) và xeri (IV) như clorua xeri (III) được sử dụng làm chất xúc tác trong tổng hợp hữu cơ.

Phòng ngừa[sửa | sửa mã nguồn]

Xeri, tương tự như các kim loại đất hiếm khác, có độc tính từ thấp tới vừa phải. Xeri là tác nhân khử mạnh và bắt cháy ngay lập tức trong không khí ở 65-80 °C (150-175 °F). Hơi từ lửa cháy chứa xeri là độc hại. Không được dùng nước để dập cháy xeri, do nó phản ứng mạnh với nước để sinh ra khí hiđrô. Những người bị phơi nhiễm xeri có thể bị ngứa, mẫn cảm với nhiệt, thương tổn da. Động vật bị têm một lượng lớn xeri sẽ chết do trụy tim mạch.

Ôxít xeri (IV) là tác nhân ôxi hóa mạnh ở nhiệt độ cao và phản ứng với các vật liệu hữu cơ dễ cháy. Trong khi xeri tự nhiên không có tính phóng xạ nhưng các cấp độ thương mại không tinh khiết có thể chứa thori là chất phóng xạ.

Tham khảo[sửa | sửa mã nguồn]

Liên kết ngoài[sửa | sửa mã nguồn]