Cer

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.

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. 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.

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). 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 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 Kernresonanz als Leuchtstoff in Gasentladungsröhren zur Regeneration von Rußpartikelfiltern im Kraftstoff gelöst beigemischt Es wird als Oxidkathode testweise als CerHexaBorid angeboten (reference: https://www.sindlhauser.de/lab6-keramik-und-kathoden.html ) als Teil von nichtedelmetallhaltigen Aufbrennlegierungen in der Zahntechnik (Keramik) als Oxidationsmittel für organische Synthesen mit CAN (Cerium ammonium nitrat), (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 (Cer) zum metallischen Cer reduziert.

Cerium läuft an der Luft an und bildet eine abblätternde Oxidschicht ähnlich wie Eisenrost; eine zentimetergroße Probe von Cerium-Metall korrodiert in etwa einem Jahr vollständig. Es brennt leicht bei 150 °C und bildet das blassgelbe Cerium(IV)-oxid, auch bekannt als Ceria: Ce + O2 → CeO2. Dies kann mit Wasserstoffgas zu Cerium(III)-oxid reduziert werden. Cerium-Metall ist hochpyrophor, das bedeutet, dass die entstehenden Späne Feuer fangen, wenn es geschliffen oder zerkratzt wird. Diese Reaktivität entspricht den periodischen Trends, da Cerium eines der ersten und daher eines der größten (nach Atomradius) Lanthanoide ist. Cerium(IV)-oxid hat die Fluoritstruktur, ähnlich den Dioxiden von Praseodym und Terbium. Es sind auch viele nicht-stöchiometrische Chalkogenide bekannt, zusammen mit den trivalenten Ce2Z3 (Z = S, Se, Te). Die Monochalkogenide CeZ leiten Elektrizität und würden besser als CeZe formuliert werden. Obwohl CeZ2 bekannt sind, handelt es sich um Polychalkogenide mit Cerium(III): Cerium(IV)-chalkogenide bleiben unbekannt. Cerium ist ein hoch elektropositives Metall und reagiert mit Wasser. Die Reaktion verläuft langsam mit kaltem Wasser, beschleunigt sich jedoch mit zunehmender Temperatur und bildet Cerium(III)-hydroxid und Wasserstoffgas: 2 Ce (s) + 6 H2O (l) → 2 Ce(OH)3 (aq) + 3 H2 (g). Cerium-Metall reagiert mit allen Halogenen und bildet Trihalogenide: 2 Ce (s) + 3 F2 (g) → 2 CeF3 (s) [weiß] 2 Ce (s) + 3 Cl2 (g) → 2 CeCl3 (s) [weiß] 2 Ce (s) + 3 Br2 (g) → 2 CeBr3 (s) [weiß] 2 Ce (s) + 3 I2 (g) → 2 CeI3 (s) [gelb]. Die Reaktion mit überschüssigem Fluor führt zur stabilen weißen Tetrafluoride CeF4; die anderen Tetrahalogenide sind nicht bekannt. Von den Dihalogeniden ist nur das bronzeartige Diiodid CeI2 bekannt; ähnlich den Diiodiden von Lanthan, Praseodym und Gadolinium ist dies eine Cerium(III)-Elektroid-Verbindung. Wahre Cerium(II)-verbindungen sind auf einige ungewöhnliche Organocerstium-Komplexe beschränkt. Cerium löst sich leicht in verdünnter Schwefelsäure und bildet Lösungen, die die farblosen Ce-Ionen enthalten, die als [Ce(H2O)9]-komplexe existieren: 2 Ce (s) + 3 H2SO4 (aq) → 2 Ce (aq) + 3 SO4 (aq) + 3 H2 (g). Die Löslichkeit von Cerium ist in Methansulfonsäure viel höher. Cerium(III) und Terbium(III) haben ultraviolette Absorptionsbänder von relativ hoher Intensität im Vergleich zu den anderen Lanthanoiden, da ihre Konfigurationen (jeweils ein Elektron mehr als eine leere oder halbgefüllte f-Unterschale) es dem zusätzlichen f-Elektron erleichtern, f→d-Übergänge anstelle der verbotenen f→f-Übergänge der anderen Lanthanoiden durchzuführen. Cerium(III)-sulfat ist eines der wenigen Salze, deren Löslichkeit in Wasser mit steigender Temperatur abnimmt. Wässrige Cerium(IV)-lösungen können durch Reaktion von Cerium(III)-lösungen mit den starken Oxidationsmitteln Peroxodisulfat oder Bismutat hergestellt werden. Der Wert von E(Ce/Ce) variiert stark je nach den Bedingungen aufgrund der relativen Leichtigkeit der Komplexbildung und Hydrolyse mit verschiedenen Anionen, obwohl +1,72 V ein üblicherweise repräsentativer Wert ist; der für E(Ce/Ce) beträgt −2,34 V. Cerium ist das einzige Lanthanoid, das eine wichtige wässrige und Koordinationschemie im Oxidationszustand +4 aufweist. Aufgrund des Ligand-zu-Metall-Ladungstransfers sind wässrige Cerium(IV)-Ionen orange-gelb. Wässriges Cerium(IV) ist in Wasser metastabil und ein starkes Oxidationsmittel, das Salzsäure oxidiert und dabei Chlorgas freisetzt. Zum Beispiel ist Cerammoniumnitrat ein gängiges Oxidationsmittel in der organischen Chemie, das organische Liganden von Metallcarbonylverbindungen freisetzt. In der Belousov-Zhabotinsky-Reaktion oszilliert Cerium zwischen den Oxidationszuständen +4 und +3, um die Reaktion zu katalysieren. Cerium(IV)-Salze, insbesondere Cerium(IV)-sulfat, werden oft als Standardreagenzien für die Volumenanalyse in cerimetrischen Titrationen verwendet. Der Nitratkomplex [Ce(NO3)6] ist der häufigste Cerkomplex, der bei der Verwendung von Cerium(IV) als Oxidationsmittel auftritt: Er und sein Cerium(III)-Analogon [Ce(NO3)6] haben 12-koordinierte ikosaedrische Molekülgeometrien, während [Ce(NO3)6] eine 10-koordinierte bikappenförmige dodecadeltahedrische Molekülgeometrie aufweist. Cerium-Nitrate bilden auch 4:3- und 1:1-Komplexe mit 18-Kronen-6 (das Verhältnis bezieht sich auf das zwischen Cerium und der Kronenether). Halogenhaltige Komplexionen wie CeF8, CeF6 und das orangefarbene CeCl6 sind ebenfalls bekannt. Die Organocerium-Chemie ähnelt der der anderen Lanthanoide und besteht hauptsächlich aus den Verbindungen von Cyclopentadienyl und Cyclooctatetraenyl. Die Cerium(III)-Cyclooctatetraenyl-Verbindung Cerocen (Ce(C8H8)2) nimmt die uranozene Molekülstruktur an. Alkyl-, Alkynyl- und Alkenyl-Organocerium-Derivate werden durch die Metathese der entsprechenden Organolithium- oder Grignard-Reagenzien hergestellt und sind nukleophiler, aber weniger basisch als ihre Vorläufer.