ซีเรียม (IV) ออกไซด์: โครงสร้างคุณสมบัติการใช้งาน - เคมี - 2026

ซีเรียมออกไซด์ (IV)ออกไซด์หรือ Ceric เป็นสีขาวหรือสีเหลืองอ่อนที่เป็นของแข็งนินทรีย์ที่ผลิตโดยการเกิดออกซิเดชันของซีเรียม (CE) สำหรับออกซิเจนไปยังจุของ 4+ สูตรทางเคมีของซีริกออกไซด์คือ CeO ₂และเป็นออกไซด์ที่เสถียรที่สุดของซีเรียม

ซีเรียม (Ce) เป็นองค์ประกอบของชุดแลนทาไนด์ซึ่งรวมอยู่ในกลุ่มของดินที่หายาก แหล่งที่มาตามธรรมชาติของออกไซด์นี้คือแร่ bastnasite ในเชิงพาณิชย์ของแร่ธาตุนี้ CeO ₂สามารถพบได้ในสัดส่วนโดยประมาณสูงถึง 30% ของน้ำหนัก

ตัวอย่างซีเรียม (IV) ออกไซด์ ภาพเมื่อเดือนสิงหาคม 2548 โดยผู้ใช้: Walkerma {{PD-self}} ที่มา: Wikipedia Commons

CeO ₂สามารถหาได้ง่ายโดยการให้ความร้อนซีเรียม (III) ไฮดรอกไซด์ Ce (OH) ₃หรือเกลือของซีเรียม (III) เช่นออกซาเลตคาร์บอเนตหรือไนเตรตในอากาศหรือออกซิเจน

Stoichiometric CeO ₂สามารถหาได้จากปฏิกิริยาอุณหภูมิที่สูงขึ้นของซีเรียม (III) ออกไซด์กับออกซิเจนของธาตุ ออกซิเจนจะต้องมีมากเกินไปและต้องมีเวลาเพียงพอในการแปลงเฟสที่ไม่ใช่สโตอิชิโอเมตริกต่างๆที่กำลังเกิดขึ้น

ขั้นตอนเหล่านี้ประกอบด้วยผลิตภัณฑ์หลากสีของสูตร CeO _x (โดยที่ x แตกต่างกันระหว่าง 1.5 ถึง 2.0) เรียกอีกอย่างว่า CeO _2-xโดยที่ x สามารถมีค่าได้ถึง 0.3 CeO ₂เป็นรูปแบบ Ce ที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรม มีการจำแนกประเภทความเป็นพิษต่ำโดยเฉพาะอย่างยิ่งเนื่องจากความสามารถในการละลายน้ำได้ไม่ดี

ตัวอย่างแร่ Bastnasite Rob Lavinsky, iRocks.com - CC-BY-SA-3.0 ที่มา: Wikipedia Commons

โครงสร้าง

ซีเรียม stoichiometric (IV) ออกไซด์ตกผลึกใน fluorite ชนิดลูกบาศก์ตาข่าย (CAF ₂ ) กับ 8 O ^2-ไอออนในลูกบาศก์โครงสร้างการประสานงานกับ 4 Ce ⁴⁺ไอออน

โครงสร้างผลึกซีเรียม (IV) ออกไซด์ Benjah-bmm27 ที่มา: Wikipedia Commons

ศัพท์เฉพาะ

- ซีเรียม (IV) ออกไซด์

- ซีริกออกไซด์

- ซีเรียมไดออกไซด์

- ซีเรีย.

- Stoichiometric cerium oxide: วัสดุที่เกิดจาก CeO ₂ทั้งหมด

- ซีเรียมออกไซด์ที่ไม่ใช่สโตอิชิโอเมตริก: วัสดุที่เกิดจากออกไซด์ผสมจาก CeO ₂ถึง CeO _1.5

คุณสมบัติ

สภาพร่างกาย

ของแข็งสีเหลืองซีด สีมีความไวต่อ stoichiometry และการปรากฏตัวของแลนทาไนด์อื่น ๆ ออกไซด์ที่ไม่ใช่สโตอิจิโอเมตริกมักเป็นสีน้ำเงิน

ความแข็ง Mohs

6-6.1 โดยประมาณ.

น้ำหนักโมเลกุล

172.12 ก. / โมล.

จุดหลอมเหลว

2600 ºCโดยประมาณ

ความหนาแน่น

7.132 ก. / ซม. ³

การละลาย

ไม่ละลายในน้ำร้อนและเย็น ละลายได้ในกรดซัลฟิวริกเข้มข้นและกรดไนตริกเข้มข้น ไม่ละลายในกรดเจือจาง

ดัชนีหักเห

2.2

คุณสมบัติอื่น ๆ

CeO ₂เป็นสารเฉื่อยไม่ถูกทำร้ายโดยกรดแก่หรือด่าง อย่างไรก็ตามกรดสามารถละลายได้เมื่อมีตัวรีดิวซ์เช่นไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ (H ₂ O ₂ ) หรือดีบุก (II) เป็นต้นซึ่งทำให้เกิดสารละลายซีเรียม (III)

มีเสถียรภาพทางความร้อนสูง ไม่ได้รับการเปลี่ยนแปลงทางผลึกในช่วงเวลาที่ให้ความร้อนตามปกติ

อนุพันธ์ที่ให้ความชุ่มชื้น ( CeO ₂ .nH ₂ O) เป็นสารตกตะกอนสีเหลืองและเจลาตินที่ได้จากการบำบัดสารละลายของซีเรียม (IV) ด้วยเบส

CeO ₂ถูกดูดซึมจากระบบทางเดินอาหารได้ไม่ดีจึงไม่มีผลเป็นพิษ

การประยุกต์ใช้งาน

- ในอุตสาหกรรมโลหะวิทยา

CeO ₂ใช้ในอิเล็กโทรดของเทคโนโลยีการเชื่อมบางชนิดเช่นการเชื่อมอาร์กทังสเตนก๊าซเฉื่อย

ออกไซด์จะกระจายอย่างละเอียดไปทั่วทั้งเมทริกซ์ทังสเตน ที่แรงดันไฟฟ้าต่ำอนุภาค CeO ₂เหล่านี้ให้ความน่าเชื่อถือมากกว่าทังสเตนเพียงอย่างเดียว

- ในอุตสาหกรรมแก้ว

ขัดแก้ว

CeO ₂สามารถเปลี่ยนสีแก้วโซดา - มะนาวสำหรับขวดเหยือกและอื่น ๆ Ce (IV) ออกซิไดซ์สิ่งเจือปน Fe (II) ซึ่งให้สีเขียวอมฟ้าเป็น Fe (III) ซึ่งให้สีเหลืองอ่อนกว่า 10 เท่า

กระจกทนรังสี

การเติม CeO ₂ 1% ลงในแก้วจะช่วยยับยั้งการเปลี่ยนสีหรือการทำให้กระจกมืดลงซึ่งเกิดจากการทิ้งระเบิดของอิเล็กตรอนพลังงานสูงในแว่นตาทีวี เช่นเดียวกับกระจกที่ใช้ในหน้าต่างในเซลล์ร้อนในอุตสาหกรรมนิวเคลียร์เนื่องจากจะยับยั้งการซีดจางที่เกิดจากรังสีแกมมา

กลไกการปราบปรามเชื่อว่าขึ้นอยู่กับการมีไอออนของ Ce ⁴⁺และ Ce ³⁺ในตะแกรงแก้ว

แว่นตากันแสง

สูตรแก้วบางชนิดสามารถพัฒนาภาพแฝงซึ่งสามารถเปลี่ยนเป็นโครงสร้างถาวรหรือสีได้

แก้วชนิดนี้ประกอบด้วย CeO ₂ซึ่งดูดซับรังสี UV และปล่อยอิเล็กตรอนเข้าไปในเมทริกซ์แก้ว

หลังการบำบัดจะมีการสร้างการเติบโตของผลึกของสารประกอบอื่น ๆ ในแก้วสร้างลวดลายโดยละเอียดสำหรับการใช้งานอิเล็กทรอนิกส์หรือการตกแต่ง

- ในเคลือบ

เนื่องจากมีดัชนีการหักเหของแสงสูง CeO ₂จึงเป็นสารทึบแสงในองค์ประกอบของเคลือบฟันที่ใช้เป็นสารเคลือบป้องกันโลหะ

มีความเสถียรทางความร้อนสูงและรูปทรงของผลึกที่เป็นเอกลักษณ์ตลอดช่วงอุณหภูมิทั้งหมดที่ถึงระหว่างกระบวนการเคลือบทำให้เหมาะสำหรับใช้เคลือบพอร์ซเลน

ในแอปพลิเคชันนี้ CeO ₂ให้การเคลือบสีขาวที่ต้องการในระหว่างที่เคลือบฟันเหนื่อยล้า เป็นส่วนผสมที่ให้ความทึบแสง

- เซรามิกเซอร์โคเนียม

เซรามิกเซอร์โคเนียเป็นฉนวนกันความร้อนและใช้ในงานที่มีอุณหภูมิสูง ต้องใช้สารเติมแต่งเพื่อให้มีความแข็งแรงและความเหนียวสูง การเพิ่ม CeO ₂ลงในเซอร์โคเนียจะทำให้ได้วัสดุที่มีความเหนียวพิเศษและมีความแข็งแรงดี

CeO _2-เซอร์โคเนียมออกไซด์ที่เจือปนใช้ในการเคลือบเพื่อทำหน้าที่เป็นตัวป้องกันความร้อนบนพื้นผิวโลหะ

ตัวอย่างเช่นในชิ้นส่วนเครื่องยนต์ของเครื่องบินสารเคลือบเหล่านี้จะป้องกันอุณหภูมิสูงที่จะสัมผัสกับโลหะ

เครื่องยนต์เจ็ท Jeff Dahl แปลภาษาสเปนโดย Xavigivax ที่มา: Wikipedia Commons

- ในตัวเร่งปฏิกิริยาสำหรับควบคุมการปล่อยมลพิษของรถยนต์

CeO ₂เป็นส่วนประกอบที่ใช้งานอยู่ในการกำจัดมลพิษจากการปล่อยยานพาหนะ ส่วนใหญ่เกิดจากความสามารถในการกักเก็บหรือปล่อยออกซิเจนขึ้นอยู่กับสภาพแวดล้อม

เครื่องฟอกไอเสียในยานยนต์ตั้งอยู่ระหว่างเครื่องยนต์และช่องระบายก๊าซไอเสีย แต่ก็มีตัวเร่งปฏิกิริยาที่จะต้องออกซิไดซ์ไฮโดรคาร์บอนเผาไหม้แปลง CO ไปร่วม₂และลดไนโตรเจนออกไซด์, NO _xเพื่อ N ₂และ O 2

เครื่องฟอกไอเสียสำหรับไอเสียจากเครื่องยนต์สันดาปภายในของยานยนต์ Ahanix1989 ที่วิกิพีเดียภาษาอังกฤษที่มา: Wikipedia Commons

นอกจากนี้ทองคำและโลหะการเร่งปฏิกิริยาอื่น ๆ ส่วนที่ใช้งานหลักของระบบมัลติฟังก์ชั่เหล่านี้เป็นซีอีโอ2

เครื่องฟอกไอเสียแต่ละตัวมี CeO _{2 ที่}แบ่งละเอียด50-100 กรัมซึ่งทำหน้าที่หลายอย่าง สิ่งที่สำคัญที่สุด ได้แก่ :

ทำหน้าที่เป็นตัวปรับเสถียรภาพสำหรับอลูมินาที่มีพื้นที่ผิวสูง

อลูมินาที่มีพื้นที่ผิวสูงมีแนวโน้มที่จะเผาทำให้สูญเสียพื้นที่ผิวสูงในระหว่างการทำงานที่อุณหภูมิสูง นี้มีความล่าช้าจากการปรากฏตัวของซีอีโอ2

มันทำหน้าที่เป็นตัวลดบัฟเฟอร์ออกซิเจน

เนื่องจากความสามารถในการสร้างออกไซด์ที่ไม่ใช่สโตอิชิโอเมตริกซีโอ_2-xซีเรียม (IV) ออกไซด์จึงให้ออกซิเจนเป็นองค์ประกอบของโครงสร้างของตัวมันเองในช่วงวัฏจักรที่อุดมด้วยออกซิเจน / เชื้อเพลิง

ดังนั้นการออกซิเดชั่นของไฮโดรคาร์บอนที่ไม่ได้เผาไหม้ที่มาจากเครื่องยนต์และการเปลี่ยน CO เป็น CO _{2 จึงสามารถดำเนินต่อไป}ได้แม้ว่าก๊าซออกซิเจนจะไม่เพียงพอก็ตาม

จากนั้นในช่วงรอบที่อุดมด้วยออกซิเจนก็จะขึ้นออกซิเจนและ oxidizes อีกฟื้นตัวซีอีโอรูปแบบของทฤษฎี2

คนอื่น ๆ

มันทำงานเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาของความสามารถในการเร่งปฏิกิริยาของโรเดียมในการลดไนโตรเจนออกไซด์ NO _xเป็นไนโตรเจนและออกซิเจน

- ในการเร่งปฏิกิริยาทางเคมี

ในกระบวนการแตกตัวเร่งปฏิกิริยาของโรงกลั่น CeO ₂ทำหน้าที่เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาออกซิแดนท์ที่ช่วยในการเปลี่ยน SO ₂เป็น SO ₃และส่งเสริมการสร้างซัลเฟตในกับดักเฉพาะของกระบวนการ

CeO ₂ช่วยปรับปรุงการทำงานของตัวเร่งปฏิกิริยาที่ใช้เหล็กออกไซด์ซึ่งใช้เพื่อให้ได้สไตรีนโดยเริ่มจากเอทิลเบนซีน อาจเกิดจากปฏิสัมพันธ์เชิงบวกระหว่างคู่ลดออกไซด์ของ Fe (II) - Fe (III) และ Ce (III) - Ce (IV)

- ในการใช้งานทางชีววิทยาและชีวการแพทย์

พบว่าอนุภาคนาโนของ CeO ₂ทำหน้าที่กำจัดอนุมูลอิสระเช่นซูเปอร์ออกไซด์ไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์ไฮดรอกซิลและอนุมูลไนตริกออกไซด์

พวกเขาสามารถปกป้องเนื้อเยื่อทางชีววิทยาจากความเสียหายที่เกิดจากรังสีความเสียหายของจอประสาทตาที่เกิดจากเลเซอร์เพิ่มอายุการใช้งานของเซลล์รับแสงลดการบาดเจ็บที่กระดูกสันหลังลดการอักเสบเรื้อรังและส่งเสริมการสร้างเส้นเลือดหรือการสร้างเส้นเลือด

นอกจากนี้เส้นใยนาโนบางชนิดที่มีอนุภาคนาโน CeO ₂ยังแสดงให้เห็นว่าเป็นพิษต่อสายพันธุ์แบคทีเรียซึ่งเป็นสารที่มีแนวโน้มในการใช้ฆ่าเชื้อแบคทีเรีย

- การใช้งานอื่น ๆ

CeO ₂เป็นวัสดุฉนวนไฟฟ้าเนื่องจากมีความเสถียรทางเคมีที่ดีเยี่ยมการอนุญาตสัมพัทธ์สูง (มีแนวโน้มสูงที่จะโพลาไรซ์เมื่อใช้สนามไฟฟ้า) และโครงตาข่ายผลึกคล้ายกับซิลิกอน

พบการประยุกต์ใช้ในตัวเก็บประจุและชั้นหน่วงของวัสดุตัวนำยวดยิ่ง

นอกจากนี้ยังใช้ในเซ็นเซอร์ก๊าซวัสดุอิเล็กโทรดเซลล์เชื้อเพลิงออกไซด์ของแข็งปั๊มออกซิเจนและเครื่องตรวจวัดออกซิเจน

อ้างอิง

1. ฝ้ายเอฟอัลเบิร์ตและวิลคินสันจอฟฟรีย์ (1980) เคมีอนินทรีย์ขั้นสูง. พิมพ์ครั้งที่สี่. John Wiley & Sons
2. เต้นรำ JC; Emeléus, HJ; Sir Ronald Nyholm และ Trotman-Dickenson, AF (1973) เคมีอนินทรีย์ที่ครอบคลุม เล่ม 4 Pergamon Press.
3. เคิร์ก - โอ ธ เมอร์ (1994). สารานุกรมเทคโนโลยีเคมี. เล่ม 5. พิมพ์ครั้งที่สี่. John Wiley & Sons
4. สารานุกรมเคมีอุตสาหกรรมของ Ullmann (2533). ฉบับที่ห้า เล่ม A6. VCH Verlagsgesellschaft mbH.
5. Casals, Eudald และคณะ (2012) การวิเคราะห์และความเสี่ยงของวัสดุนาโนในตัวอย่างสิ่งแวดล้อมและอาหาร สาขาเคมีวิเคราะห์ที่ครอบคลุม กู้คืนจาก sciencedirect.com.
6. Mailadil T. Sebastian (2008) Alumina, Titania, Ceria, Silicate, Tungstate และวัสดุอื่น ๆ ในวัสดุอิเล็กทริกสำหรับการสื่อสารไร้สาย กู้คืนจาก sciencedirect.com.
7. Afeesh Rajan Unnithan และคณะ (2015) โครงนั่งร้านที่มีคุณสมบัติต้านเชื้อแบคทีเรีย ในการประยุกต์ใช้นาโนเทคโนโลยีสำหรับวิศวกรรมเนื้อเยื่อ กู้คืนจาก sciencedirect.com.
8. Gottardi V. , et al. (พ.ศ. 2522). การขัดผิวแก้วด้วยเทคนิคนิวเคลียร์ Bulletin of the Spanish Society of Ceramics and Glass, Vol. 18, No. 3 กู้คืนจาก boletines.secv.es.