Cer wird in Sternen hauptsächlich durch den s-Prozess (langsame Neutroneneinfang) in Sternen des asymptotischen Riesenasts (AGB) synthetisiert, mit Beiträgen des r-Prozesses (schneller Neutroneneinfang) während Supernovae und Neutronensternverschmelzungen. Cer ist ein bedeutendes Produkt beider Nukleosyntheseprozesse, was seine relativ hohe Häufigkeit unter den Seltenen Erden erklärt.
Die kosmische Häufigkeit von Cer beträgt etwa 1,2×10⁻⁹ der Häufigkeit von Wasserstoff in Atomzahl, was es zum häufigsten Seltenerdmetall im Universum macht. Diese hohe Häufigkeit ist auf die günstige Position von Cer auf der Kernstabilitätskurve zurückzuführen, insbesondere das Isotop Ce-140, das eine magische Neutronenzahl (82) aufweist und ihm eine außergewöhnliche Stabilität verleiht.
Die Spektrallinien von neutralem Cer (Ce I) und ionisiertem Cer (Ce II) sind in Sternspektren beobachtbar, wenn auch weniger prominent als die von leichteren Elementen. Cer wird als Tracer für die chemische Anreicherung von Sternen und Galaxien verwendet. Das Cer/Eisen-Verhältnis in metallarmen Sternen hilft, die relativen Beiträge der s- und r-Prozesse in der Geschichte der galaktischen Nukleosynthese einzuschränken.
Einige chemisch peculiare Sterne, insbesondere Ap-Sterne und stark magnetische Weiße Zwerge, zeigen Anomalien in der Cer-Häufigkeit. Diese Variationen werden atomaren Diffusionsprozessen in Sternatmosphären unter dem Einfluss intensiver Magnetfelder und Strahlungsdrücke zugeschrieben. Die Untersuchung dieser Anomalien liefert Einblicke in die physikalischen Prozesse in extremen Sternatmosphären.
Cer ist nach dem Asteroiden Ceres benannt, der 1801 von Giuseppe Piazzi entdeckt wurde. Die fast gleichzeitige Entdeckung des Asteroiden und des Elements führte zu dieser Namensgebung. Cer war das erste Seltenerdmetall, das identifiziert und isoliert wurde, und ebnete den Weg für die spätere Entdeckung aller Lanthanoide.
1803 entdeckten Jöns Jacob Berzelius (1779-1848) und Wilhelm Hisinger (1766-1852) in Schweden sowie unabhängig Martin Heinrich Klaproth (1743-1817) in Deutschland ein neues erdiges Oxid im Mineral Cerit aus Bastnäs, Schweden. Sie zeigten, dass es sich um ein unbekanntes Element handelte, das sie Cer nannten. Die parallele und unabhängige Entdeckung an zwei Orten spiegelt die intensive wissenschaftliche Aktivität dieser Zeit wider.
Die Isolierung von metallischem Cer erwies sich aufgrund seiner Reaktivität und Neigung zur Bildung von Legierungen als schwierig. 1825 erhielt Carl Gustav Mosander (1797-1858), ein Schüler von Berzelius, unreines Cer-Metall durch Reduktion von Cerchlorid mit Kalium. Erst zu Beginn des 20. Jahrhunderts ermöglichten elektrolytische und metallothermische Reduktionsmethoden die Herstellung von reinem Cer-Metall in industriellen Mengen.
Cer ist in der Erdkruste mit einer durchschnittlichen Konzentration von etwa 66 ppm vorhanden, was es zum 25. häufigsten Element auf der Erde macht, häufiger als Kupfer oder Blei. Es ist bei weitem das häufigste Seltenerdmetall und macht etwa 50% der Gesamtmasse der Seltenen Erden in der Erdkruste aus. Die wichtigsten Cer-Mineralien sind Bastnäsit ((Ce,La)CO₃F), das 40-75% Seltenerdoxide enthält, und Monazit ((Ce,La,Th)PO₄), das 50-70% Seltenerdoxide enthält.
Die weltweite Produktion von Ceroxiden beträgt etwa 80.000 bis 100.000 Tonnen pro Jahr. China dominiert die Produktion mit etwa 85-90% des weltweiten Gesamtvolumens, gefolgt von den USA, Australien, Myanmar und Indien. Diese extreme geografische Konzentration macht Cer zu einem strategisch kritischen Element trotz seiner geologischen Häufigkeit.
Cer-Metall wird hauptsächlich durch Reduktion von Ceroxid (CeO₂) mit Calciummetall bei hoher Temperatur (kalzothermische Reduktion) oder durch Elektrolyse von geschmolzenem Cerchlorid hergestellt. Die jährliche weltweite Produktion von Cer-Metall beträgt etwa 20.000 Tonnen. Das Recycling von Cer bleibt begrenzt und macht weniger als 1% des Angebots aus, obwohl die Bemühungen zur Rückgewinnung von Cer aus gebrauchten Autokatalysatoren und Leuchtstofflampen intensiviert werden.
Cer (Symbol Ce, Ordnungszahl 58) ist das erste Element der Lanthanoid-Reihe und gehört zu den f-Block-Seltenen Erden des Periodensystems. Sein Atom hat 58 Protonen, in der Regel 82 Neutronen (für das häufigste Isotop \(\,^{140}\mathrm{Ce}\)) und 58 Elektronen mit der Elektronenkonfiguration [Xe] 4f¹ 5d¹ 6s² oder [Xe] 4f² 6s², je nach Zustand.
Cer ist ein duktiles, glänzend silbergraues Metall, das an der Luft schnell oxidiert und eine Oxidschicht bildet, die das darunter liegende Metall nicht effektiv schützt. Cer weist die einzigartige Eigenschaft unter den Seltenen Erden auf, ein komplexes Polymorphismus mit vier allotropen Formen zu zeigen. Der Übergang von α-Cer zu γ-Cer unter Druck geht mit einer spektakulären Volumenkontraktion von 14-17% einher, ein außergewöhnliches Phänomen unter den Elementen.
Cer schmilzt bei 798 °C (1071 K) und siedet bei 3443 °C (3716 K). Seine Dichte variiert je nach allotroper Form: γ-Cer (stabil bei Raumtemperatur) hat eine Dichte von 6,77 g/cm³, während α-Cer eine Dichte von 8,16 g/cm³ aufweist. Cer ist ein guter Leiter für Elektrizität und Wärme, mit einer elektrischen Leitfähigkeit, die etwa 7-mal niedriger ist als die von Kupfer.
Cer ist ein hochreaktives Metall, besonders bei hohen Temperaturen. Es entzündet sich spontan in feuchter Luft bei Raumtemperatur und brennt lebhaft, wenn es erhitzt wird, und erzeugt eine intensive, helle weiße Flamme. Cer reagiert heftig mit Wasser und bildet Cerhydroxid und Wasserstoffgas. Feines Cer-Pulver oder -Späne sind pyrophor und entzünden sich spontan an der Luft.
Schmelzpunkt von Cer: 1071 K (798 °C).
Siedepunkt von Cer: 3716 K (3443 °C).
Cer zeigt einen allotropen Übergang unter Druck mit einer außergewöhnlichen Volumenkontraktion von 14-17%.
| Isotop / Notation | Protonen (Z) | Neutronen (N) | Atommasse (u) | Natürliche Häufigkeit | Halbwertszeit / Stabilität | Zerfall / Bemerkungen |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Cer-136 — \(\,^{136}\mathrm{Ce}\,\) | 58 | 78 | 135,907172 u | ≈ 0,185 % | Stabil | Seltenes stabiles Isotop von Cer, das etwa 0,2% des natürlichen Gesamtvolumens ausmacht. |
| Cer-138 — \(\,^{138}\mathrm{Ce}\,\) | 58 | 80 | 137,905991 u | ≈ 0,251 % | Stabil | Seltenes stabiles Isotop, etwas häufiger als Ce-136. |
| Cer-140 — \(\,^{140}\mathrm{Ce}\,\) | 58 | 82 | 139,905439 u | ≈ 88,450 % | Stabil | Ultra-dominantes Isotop von Cer, das fast 88,5% des Gesamtvolumens ausmacht. Magische Neutronenzahl (82). |
| Cer-142 — \(\,^{142}\mathrm{Ce}\,\) | 58 | 84 | 141,909244 u | ≈ 11,114 % | ≈ 5×10¹⁶ Jahre | Radioaktiv (doppelt β⁻), extrem lange Halbwertszeit, praktisch stabil auf menschlicher Zeitskala. |
| Cer-141 — \(\,^{141}\mathrm{Ce}\,\) | 58 | 83 | 140,908276 u | Synthetisch | ≈ 32,5 Tage | Radioaktiv (β⁻). Wichtiges Spaltprodukt, das als Tracer in der Nuklearmedizin und Forschung verwendet wird. |
| Cer-144 — \(\,^{144}\mathrm{Ce}\,\) | 58 | 86 | 143,913647 u | Synthetisch | ≈ 284,9 Tage | Radioaktiv (β⁻). Bedeutendes Spaltprodukt, das als Wärmequelle in Radioisotopengeneratoren verwendet wird. |
N.B.:
Elektronenschalen: Wie Elektronen um den Kern organisiert sind.
Cer hat 58 Elektronen, die auf sechs Elektronenschalen verteilt sind. Seine Elektronenkonfiguration ist ungewöhnlich und kann als [Xe] 4f¹ 5d¹ 6s² oder [Xe] 4f² 6s² geschrieben werden, je nach Energiezustand. Diese Zweideutigkeit resultiert aus der außergewöhnlichen energetischen Nähe der 4f- und 5d-Orbitale in Cer, was zu variablen Elektronenkonfigurationen je nach chemischer Umgebung führt. Diese Konfiguration kann auch als K(2) L(8) M(18) N(18) O(19-20) P(2-3) geschrieben werden.
K-Schale (n=1): Enthält 2 Elektronen in der 1s-Unterschale. Diese innere Schale ist vollständig und sehr stabil.
L-Schale (n=2): Enthält 8 Elektronen, verteilt als 2s² 2p⁶. Diese Schale ist ebenfalls vollständig und bildet eine Edelgaskonfiguration (Neon).
M-Schale (n=3): Enthält 18 Elektronen, verteilt als 3s² 3p⁶ 3d¹⁰. Diese vollständige Schale trägt zur Elektronenabschirmung bei.
N-Schale (n=4): Enthält 18 Elektronen, verteilt als 4s² 4p⁶ 4d¹⁰. Diese Schale bildet eine stabile und vollständige Struktur.
O-Schale (n=5): Enthält 19 oder 20 Elektronen, je nach Konfiguration: 5s² 5p⁶ 4f¹ 5d¹⁰ oder 5s² 5p⁶ 4f² 5d⁹. Die 4f-Unterschale beginnt sich zu füllen.
P-Schale (n=6): Enthält 2 oder 3 Elektronen in den Unterschalen 6s² oder 6s² 6p¹. Diese Elektronen sind die Valenzelektronen von Cer.
Cer hat typischerweise 4 Valenzelektronen, obwohl diese Zahl variieren kann. Die Hauptoxidationszustände sind +3 und +4. Der +3-Zustand ist charakteristisch für alle Lanthanoide, bei dem Cer drei Elektronen verliert, um das Ce³⁺-Ion mit der Konfiguration [Xe] 4f¹ zu bilden. Der +4-Zustand ist einzigartig unter den leichten Lanthanoiden und besonders stabil für Cer und bildet das Ce⁴⁺-Ion mit der Konfiguration [Xe], isoelektronisch mit Xenon.
Der +4-Zustand erscheint in vielen wichtigen Cer-Verbindungen, insbesondere Cerdioxid (CeO₂ oder Ceria), das die industriell bedeutendste Cer-Verbindung ist. Diese Fähigkeit, leicht in zwei Oxidationszuständen zu existieren, macht Cer zu einem ausgezeichneten Oxidationsmittel und einem außergewöhnlichen Redox-Katalysator. Die einfache Umwandlung zwischen Ce³⁺ und Ce⁴⁺ liegt vielen katalytischen Anwendungen von Cer zugrunde.
Cer-Verbindungen mit dem Oxidationszustand +2 wurden unter extremen Bedingungen synthetisiert, aber diese Verbindungen sind extrem instabil und oxidieren schnell. Die Chemie von Cer wird daher im Wesentlichen von den +3- und +4-Zuständen dominiert, mit einer Präferenz für den +4-Zustand unter oxidierenden Bedingungen.
Cer ist hochreaktiv mit Sauerstoff und oxidiert schnell an der Luft, wobei eine Ceroxidschicht entsteht, die das Metall nicht effektiv schützt. Bei hohen Temperaturen entzündet sich Cer spontan an der Luft und brennt mit einer intensiven, hellen weißen Flamme unter Bildung von Cerdioxid (CeO₂): Ce + O₂ → CeO₂. Feines Cer-Pulver ist pyrophor und entzündet sich spontan bei Raumtemperatur, was eine Handhabung in einer inerten Atmosphäre erfordert.
Cer reagiert langsam mit kaltem Wasser, aber heftig mit heißem Wasser oder Dampf und bildet Cer(III)-hydroxid und setzt Wasserstoffgas frei: 2Ce + 6H₂O → 2Ce(OH)₃ + 3H₂↑. Diese Reaktion beschleunigt sich bei hohen Temperaturen deutlich. Cer(III)-hydroxid ist eine mäßig starke Base, die leicht aus wässrigen Lösungen ausfällt.
Cer reagiert heftig mit Halogenen zu Trihalogeniden oder Tetrahalogeniden: 2Ce + 3Cl₂ → 2CeCl₃ oder Ce + 2F₂ → CeF₄. Cer löst sich leicht in Säuren, auch in verdünnten, unter Wasserstoffentwicklung: 2Ce + 6HCl → 2CeCl₃ + 3H₂↑. Es reagiert auch mit Schwefel zu Cersulfid (Ce₂S₃), mit Stickstoff bei hohen Temperaturen zu Cernitrid (CeN) und mit Kohlenstoff zu Cercarbid (CeC₂).
Die bemerkenswerteste chemische Eigenschaft von Cer ist seine Fähigkeit, leicht zwischen den Oxidationszuständen +3 und +4 zu oszillieren. Cer(IV) ist ein starkes Oxidationsmittel in sauren Lösungen und kann viele organische und anorganische Verbindungen oxidieren. Diese Redox-Eigenschaft wird in zahlreichen katalytischen Anwendungen genutzt, insbesondere in Autokatalysatoren, wo Cer die Oxidation von Schadstoffen und die Reduktion von Stickoxiden erleichtert.
Die dominierende Anwendung von Cer, die etwa 40-50% des weltweiten Verbrauchs ausmacht, ist seine Verwendung in Autokatalysatoren in Form von Ceroxid (CeO₂ oder Ceria). Cer spielt eine entscheidende Rolle bei der Reduzierung der Schadstoffemissionen von Fahrzeugen und trägt seit den 1980er Jahren erheblich zur Verbesserung der urbanen Luftqualität bei.
Die Hauptfunktion von Cer in Drei-Wege-Katalysatoren (TWC) ist die Speicherung und Freisetzung von Sauerstoff. Cer oszilliert zwischen den Ce³⁺- (Oxid CeO₁,₅) und Ce⁴⁺-Zuständen (Oxid CeO₂), fängt überschüssigen Sauerstoff unter kraftstoffreichen Bedingungen ein und setzt ihn unter mageren Bedingungen frei, wodurch ein optimales Luft-Kraftstoff-Verhältnis für die gleichzeitige Umwandlung von Kohlenmonoxid, unverbrannten Kohlenwasserstoffen und Stickoxiden aufrechterhalten wird.
Moderne Katalysatoren enthalten typischerweise 10-30% Ceroxid nach Masse, oft kombiniert mit Zirkonoxid (CeO₂-ZrO₂), um die thermische Stabilität und die Sauerstoffspeicherkapazität zu verbessern. Ein typisches Automobil enthält 30-100 Gramm Cer in seinem Katalysator. Aktuelle Forschung zielt darauf ab, die katalytische Effizienz zu steigern und gleichzeitig den Gehalt an Edelmetallen (Platin, Palladium, Rhodium) durch optimierte Cer-Formulierungen zu reduzieren.
Ultrafeines Cerdioxid (CeO₂) ist das Standard-Poliermaterial für hochpräzise optische Gläser seit über einem Jahrhundert. Seine einzigartige Kombination aus mäßiger Härte, aktiver Oberflächenchemie und kontrollierter Partikelgröße ermöglicht optische Oberflächen von außergewöhnlicher Ebenheit und Qualität, die von anderen Schleifmitteln nicht erreicht werden.
Cer-Polieren ist unerlässlich für die Herstellung hochwertiger fotografischer Linsen, astronomischer Optiken, Teleskopspiegel, Laserkomponenten, Linsen für die Tief-UV-Lithographie in der Halbleiterherstellung und hochauflösende Flachbildschirmgläser. Der Poliermechanismus kombiniert mechanische Wirkung (sanfte Abrasion) und chemische Wirkung (Oberflächenhydrolyse des Glases) und erzeugt Oberflächen mit einer Rauheit von weniger als 0,5 Nanometern.
Die globale Optikindustrie verbraucht jährlich etwa 10.000 bis 15.000 Tonnen Ceroxid zum Polieren, was etwa 10-15% der gesamten Cer-Nachfrage ausmacht. Ein Teleskopspiegel mit 8 Metern Durchmesser erfordert mehrere hundert Kilogramm Ceroxid, um die erforderliche optische Oberflächenqualität zu erreichen. Trotz der Forschung nach Alternativen hat noch kein Material die Leistung von Cer für extrem präzises optisches Polieren erreicht.
Mischmetall ist eine Legierung aus leichten Seltenen Erden, die typischerweise 45-50% Cer, 25% Lanthan, 15-18% Neodym, 5% Praseodym und Spuren anderer Lanthanoide enthält. Diese Legierung weist bemerkenswerte pyrophore Eigenschaften auf: Sie erzeugt intensive Funken, wenn sie gegen eine raue Oberfläche gerieben wird, aufgrund der Entzündung mikroskopischer Späne, die durch Reibung abgerissen werden.
Die historische Hauptanwendung von Mischmetall waren Feuerzeugsteine, die in den 1900er Jahren erfunden wurden. Moderne Feuerzeuge nutzen immer noch dieses Prinzip, wobei Mischmetall die Funken erzeugt, die zum Zünden des Gases benötigt werden. Diese Verbraucheranwendung stellte jahrzehntelang eine bedeutende Nachfrage nach Cer dar. Mischmetall wird auch als metallurgisches Additiv zur Entschwefelung von Stählen und zur Verbesserung ihrer mechanischen Eigenschaften sowie als Keimbildner in leichten Aluminium- und Magnesiumlegierungen verwendet.
Cer und seine Verbindungen weisen eine geringe bis mäßige Toxizität auf. Lösliche Cer-Verbindungen können Haut-, Augen- und Atemwegsreizungen verursachen. Chronische Exposition gegenüber Cer-Staub kann bei exponierten Arbeitern in der Polier- und Metallurgieindustrie eine Berufskrankheit (Ceriose) verursachen, obwohl diese Erkrankung selten und in der Regel gutartig ist.
Die Einnahme löslicher Cer-Verbindungen kann zu gastrointestinalen Störungen, Übelkeit und Erbrechen führen. Cer reichert sich bei chronischer Exposition hauptsächlich in der Leber und im Knochenskelett an. Toxikologische Studien an Tieren deuten auf Lebertoxizität und Störungen des Calciumstoffwechsels bei hohen Dosen hin. Signifikante menschliche Exposition gegenüber Cer bleibt jedoch außerhalb spezialisierter Berufsumgebungen relativ selten.
Ceroxid-Nanopartikel, die zunehmend in Dieselkraftstoffen, Katalysatoren und Beschichtungen verwendet werden, werfen aufkommende Umwelt- und Gesundheitsbedenken auf. Ihre geringe Größe ermöglicht es ihnen, tief in die Lunge einzudringen und potenziell biologische Barrieren zu durchdringen. In-vitro-Studien zeigen prooxidative Effekte und Zellschäden bei bestimmten Konzentrationen, obwohl Cer-Nanopartikel unter anderen Bedingungen auch paradoxe antioxidative Eigenschaften aufweisen.
Die Umweltbelastung durch Cer stammt hauptsächlich aus dem Abbau von Seltenen Erden, der metallurgischen Raffination und der Emission von Cer-Nanopartikeln aus Dieseladditiven und dem Verschleiß von Katalysatoren. Die Cer-Konzentrationen in Böden in der Nähe von Seltenen-Erden-Minen können deutlich erhöht sein und mehrere hundert ppm erreichen. Berufliche Expositionsstandards setzen den Grenzwert in der Regel auf 3-5 mg/m³ für einatembaren Staub. Es gibt noch keine spezifischen Standards für Cer-Nanopartikel in der Umwelt, was den frühen Stand des Wissens über ihre ökotoxikologischen Auswirkungen widerspiegelt.
