أكسيد السيريوم الرابع: التركيب والخصائص والاستخدامات - كيمياء - 2025

و أكسيد السيريوم (IV) أكسيد أو سيريتش هو أبيض أو أصفر شاحب الصلبة غير العضوية التي تنتجها أكسدة السيريوم (م) للأوكسجين إلى التكافؤ 4+. الصيغة الكيميائية لأكسيد السيريوم هي CeO ₂ وهو أكثر أكسيد السيريوم استقرارًا.

السيريوم (Ce) هو عنصر من سلسلة اللانثانيدات ، والتي يتم تضمينها في مجموعة العناصر الأرضية النادرة. المصدر الطبيعي لهذا الأكسيد هو معدن الباستنايت. في المركز التجاري لهذا المعدن ، يمكن العثور على CeO ₂ بنسبة تقريبية تصل إلى 30٪ بالوزن.

عينة من أكسيد السيريوم (IV). تم التقاط الصورة في أغسطس 2005 بواسطة المستخدم: Walkerma. {{PD-self}} المصدر: Wikipedia Commons

يمكن الحصول على CeO ₂ بسهولة عن طريق تسخين هيدروكسيد السيريوم (III) أو Ce (OH) ₃ أو أي ملح من السيريوم (III) ، مثل الأكسالات أو الكربونات أو النترات في الهواء أو الأكسجين.

يمكن الحصول على المقاييس المتكافئة CeO ₂ عن طريق تفاعل درجة الحرارة المرتفعة لأكسيد السيريوم (III) مع الأكسجين الأولي. يجب أن يكون الأكسجين زائدًا ويجب السماح بوقت كافٍ لإكمال تحويل مختلف الأطوار غير المتكافئة التي يتم تشكيلها.

تشتمل هذه المراحل على منتجات متعددة الألوان لصيغة CeO _x (حيث تختلف x بين 1.5 و 2.0). وتسمى أيضًا CeO _2-x ، حيث يمكن أن تصل قيمة x إلى 0.3. CeO ₂ هو الشكل الأكثر استخدامًا لـ Ce في الصناعة. لديها تصنيف سمية منخفضة ، خاصة بسبب ضعف قابليتها للذوبان في الماء.

عينة البستنايت المعدنية. Rob Lavinsky ، iRocks.com - CC-BY-SA-3.0 المصدر: Wikipedia Commons

بناء

يتبلور أكسيد السيريوم المتكافئ (IV) في الشبكة المكعبة الشبيهة بالفلوريت (CaF ₂) ، مع 8 ^O2- أيونات في هيكل مكعب منسق مع 4 Ce ⁴⁺ أيونات.

هيكل بلوري من أكسيد السيريوم (IV). Benjah-bmm27 المصدر: ويكيبيديا كومنز

التسمية

- أكسيد السيريوم (IV).

- أكسيد سيريك.

- ثاني أكسيد السيريوم.

- سيريا.

- أكسيد السيريوم المتكافئ: مادة تكونت بالكامل بواسطة CeO ₂.

- أكسيد السيريوم غير المتكافئ: مادة تتكون من أكاسيد مختلطة من CeO ₂ إلى CeO _1.5

الخصائص

الحالة الفيزيائية

صلبة صفراء شاحبة. اللون حساس لقياسات العناصر المتفاعلة ووجود اللانثانيدات الأخرى. غالبًا ما تكون الأكاسيد غير المتكافئة زرقاء.

صلابة موس

6-6.1 تقريبًا.

الوزن الجزيئي الغرامي

172.12 جم / مول.

نقطة الانصهار

2600 درجة مئوية تقريبًا.

كثافة

7.132 جم / سم ³

الذوبان

غير قابل للذوبان في الماء الساخن والبارد. قابل للذوبان في حامض الكبريتيك المركز وحمض النيتريك المركز. غير قابل للذوبان في الأحماض المخففة.

معامل الانكسار

2.2.

خصائص أخرى

CeO ₂ مادة خاملة ، ولا تهاجمها الأحماض القوية أو القلويات. ومع ذلك ، يمكن إذابته بواسطة الأحماض في وجود عوامل الاختزال ، مثل بيروكسيد الهيدروجين (H ₂ O ₂) أو القصدير (II) ، من بين أمور أخرى ، لتوليد حلول السيريوم (III).

لديها ثبات حراري عالي. لا يخضع لتغيرات بلورية خلال فترات التسخين المعتادة.

مشتقها المائي (CeO ₂.nH ₂ O) عبارة عن راسب أصفر وهلاميني يتم الحصول عليه عن طريق معالجة محاليل السيريوم (IV) مع القواعد.

يتم امتصاص CeO ₂ بشكل سيئ من الجهاز الهضمي لذلك ليس له تأثيرات سامة.

التطبيقات

- في صناعة المعادن

يستخدم CeO ₂ في أقطاب بعض تقنيات اللحام ، مثل اللحام بقوس التنغستن بالغاز الخامل.

ينتشر الأكسيد بدقة في جميع أنحاء مصفوفة التنجستن. في الفولتية المنخفضة ، تعطي جسيمات CeO ₂ موثوقية أكبر من التنجستن وحده.

- في صناعة الزجاج

تلميع الزجاج

يمكن لـ CeO ₂ تغيير لون أكواب الصودا والجير للزجاجات والأباريق وما شابه. يؤكسد Ce (IV) شوائب Fe (II) ، التي توفر لونًا أخضر مزرقًا ، إلى Fe (III) الذي يعطي لونًا أصفر أضعف بمقدار 10 مرات.

زجاج مقاوم للإشعاع

تؤدي إضافة 1٪ CeO ₂ إلى الزجاج إلى منع تغير لون الزجاج أو تغميقه الناتج عن قصف الإلكترونات عالية الطاقة في نظارات التلفزيون. وينطبق الشيء نفسه على الزجاج المستخدم في النوافذ في الخلايا الساخنة في الصناعة النووية ، لأنه يمنع تغير اللون الناجم عن أشعة جاما.

يُعتقد أن آلية الكبت تعتمد على وجود أيونات Ce ⁴⁺ و Ce ³⁺ في الشبكة الزجاجية.

نظارات حساسة للضوء

يمكن لبعض تركيبات الزجاج تطوير صور كامنة يمكن تحويلها بعد ذلك إلى بنية أو لون دائم.

يحتوي هذا النوع من الزجاج على CeO ₂ الذي يمتص الأشعة فوق البنفسجية ويطلق الإلكترونات في المصفوفة الزجاجية.

بعد المعالجة ، تنمو بلورات المركبات الأخرى في الزجاج ، مما يخلق أنماطًا مفصلة للاستخدامات الإلكترونية أو الزخرفية.

- بالمينا

نظرًا لارتفاع معامل الانكسار ، فإن CeO ₂ هو عامل معتم في تركيبات المينا المستخدمة كطلاءات واقية للمعادن.

ثباتها الحراري العالي وشكلها البلوري الفريد عبر النطاق الكامل لدرجات الحرارة التي تم الوصول إليها أثناء عملية التزجيج ، يجعلها مناسبة للاستخدام في طلاء البورسلين.

في هذا التطبيق ، يوفر CeO ₂ الطلاء الأبيض المطلوب أثناء نضوب المينا. إنه المكون الذي يوفر الشفافية.

- سيراميك الزركونيوم

سيراميك الزركونيا هو عازل حراري ويستخدم في تطبيقات درجات الحرارة العالية. يتطلب مادة مضافة للحصول على قوة وصلابة عالية. تؤدي إضافة CeO ₂ إلى زركونيا إلى إنتاج مادة ذات صلابة استثنائية وقوة جيدة.

يستخدم أكسيد الزركونيوم المخدر ₂ CeO في الطلاءات ليكون بمثابة حاجز حراري على الأسطح المعدنية.

على سبيل المثال ، في أجزاء محرك الطائرة ، تحمي هذه الطلاءات من درجات الحرارة المرتفعة التي قد تتعرض لها المعادن.

محرك نفاث. جيف دال ، الترجمة الإسبانية بواسطة Xavigivax المصدر: ويكيبيديا كومنز

- في المحفزات للتحكم في انبعاثات المركبات

CeO ₂ هو عنصر نشط في إزالة الملوثات من انبعاثات المركبات. هذا يرجع إلى حد كبير إلى قدرته على تخزين أو إطلاق الأكسجين اعتمادًا على الظروف المحيطة به.

يقع المحول الحفاز في السيارات بين المحرك ومخرج غاز العادم. كان لديه الحافز الذي يجب أكسدة المواد الهيدروكربونية غير المحترقة، تحويل CO الى CO ₂ ، والحد من أكاسيد النيتروجين، NO _س ، لN ₂ و O ₂.

المحول الحفاز لغازات العادم من محرك الاحتراق الداخلي للسيارة. Ahanix1989 في ويكيبيديا الإنجليزية المصدر: ويكيبيديا كومنز

إلى جانب البلاتين والمعادن الحفازة الأخرى ، فإن المكون النشط الرئيسي لهذه الأنظمة متعددة الوظائف هو CeO ₂.

يحتوي كل محول حفاز على 50-100 جم من CeO ₂ مقسم بدقة ، والذي يخدم عدة وظائف. أهمها:

يعمل كمثبت لألومينا مساحة السطح العالية

تميل الألومينا ذات مساحة السطح العالية إلى التلبيد ، مما يفقد مساحة سطحه العالية أثناء التشغيل في درجات حرارة عالية. تأخر هذا بسبب وجود الرئيس التنفيذي ₂.

إنه يتصرف كمحرر عازلة للأكسجين

نظرًا لقدرته على تكوين أكاسيد غير متكافئة CeO _2-x ، يوفر أكسيد السيريوم (IV) الأكسجين الأولي لبنيته الخاصة خلال فترة دورة الأكسجين الخالية من الأكسجين / الوقود الغني.

وبالتالي ، _{يمكن أن تستمر} أكسدة الهيدروكربونات غير المحترقة القادمة من المحرك وتحويل ثاني أكسيد الكربون إلى ثاني أكسيد الكربون ، حتى عندما يكون غاز الأكسجين غير كافٍ.

بعد ذلك ، في فترة الدورة الغنية بالأكسجين ، تمتص الأكسجين وتعيد الأكسدة ، وتستعيد شكلها المتكافئ ₂ CeO.

الآخرين

يعمل كمحسّن للقدرة التحفيزية للروديوم في اختزال أكاسيد النيتروجين NO _x إلى النيتروجين والأكسجين.

- في تحفيز التفاعلات الكيميائية

في عمليات التكسير التحفيزي لمصافي التكرير ، يعمل CeO ₂ كمؤكسد تحفيزي يساعد في تحويل SO ₂ إلى SO ₃ ويشجع على تكوين الكبريتات في مصائد محددة من العملية.

يحسن CeO ₂ نشاط المحفز القائم على أكسيد الحديد المستخدم للحصول على ستيرين بدءًا من إيثيل بنزين. ربما يكون هذا بسبب التفاعل الإيجابي بين أزواج اختزال أكسيد Fe (II) - Fe (III) و Ce (III) - Ce (IV).

- في التطبيقات البيولوجية والطبية الحيوية

تم العثور على جزيئات CeO ₂ النانوية تعمل عن طريق تنظيف الجذور الحرة ، مثل الأكسيد الفائق ، وبيروكسيد الهيدروجين ، والهيدروكسيل ، وجذر أكسيد النيتريك.

يمكنها حماية الأنسجة البيولوجية من التلف الناتج عن الإشعاع ، وتلف الشبكية الناجم عن الليزر ، وزيادة العمر الافتراضي لخلايا المستقبلات الضوئية ، وتقليل إصابات العمود الفقري ، وتقليل الالتهاب المزمن ، وتعزيز تكوين الأوعية الدموية أو تكوين الأوعية الدموية.

بالإضافة إلى ذلك ، فقد ثبت أن بعض الألياف النانوية التي تحتوي على جزيئات CeO ₂ نانوية سامة ضد السلالات البكتيرية ، كونها مرشحة واعدة لتطبيقات مبيدات الجراثيم.

- استخدامات اخرى

CeO ₂ عبارة عن مادة عازلة كهربائية نظرًا لاستقرارها الكيميائي الممتاز ، والسماحية النسبية العالية (لديها ميل كبير للاستقطاب عند تطبيق مجال كهربائي) وشبكة بلورية تشبه السيليكون.

وقد وجد تطبيقًا في المكثفات وطبقات التخميد للمواد فائقة التوصيل.

كما أنها تستخدم في مجسات الغاز ، ومواد قطب خلية وقود الأكسيد الصلب ، ومضخات الأكسجين ، وأجهزة مراقبة الأكسجين.

المراجع

1. قطن ، ف.ألبرت وويلكينسون ، جيفري. (1980). كيمياء غير عضوية متقدمة. طبعة رابعة. جون وايلي وأولاده.
2. الرقص ، جي سي ؛ Emeléus ، HJ ؛ السير رونالد نيهولم وتروتمان ديكنسون ، AF (1973). كيمياء غير عضوية شاملة. المجلد 4. مطبعة بيرغامون.
3. كيرك أوتمير (1994). موسوعة التكنولوجيا الكيميائية. المجلد 5. الطبعة الرابعة. جون وايلي وأولاده.
4. موسوعة أولمان للكيمياء الصناعية. (1990). الطبعه الخامسة. المجلد A6. VCH Verlagsgesellschaft mbH.
5. كاسالس ، يودالد وآخرون. (2012). تحليل ومخاطر المواد النانوية في العينات البيئية والغذائية. في الكيمياء التحليلية الشاملة. تعافى من sciencedirect.com.
6. ميلاديل تي سيباستيان. (2008). ألومينا ، تيتانيا ، سيريا ، سيليكات ، تنجستات ومواد أخرى. في المواد العازلة للاتصالات اللاسلكية. تعافى من sciencedirect.com.
7. أفيش راجان أونيثان وآخرون. (2015). سقالات ذات خصائص مضادة للبكتيريا. في تطبيقات تقنية النانو لهندسة الأنسجة. تعافى من sciencedirect.com.
8. جوتاردي ف ، وآخرون. (1979). صقل سطح الزجاج الذي تم فحصه بتقنية نووية. نشرة الجمعية الإسبانية للسيراميك والزجاج ، المجلد 18 ، العدد 3. تم الاسترجاع من boletines.secv.es.