Cerium

Cer wird hauptsächlich aus cerhaltigem Monazit und Bastnäsit gewonnen. Es kommt auch in Allanit, Zerit, Samarskit und dem Titanmineral Perowskit vor. Es wird in den USA, China, Russland, Australien und Indien abgebaut.

In der Natur kommen vier stabile bzw. besonders langlebige Isotope vor: stabiles Cer-140 (88,48 Prozent) und radioaktives Cer-142 (11,08 Prozent), Cer-138 (0,25 Prozent) und Cer-136 (0,19 Prozent). Ohne die Kernisomeren wurden insgesamt 38 radioaktive Isotope von Cer charakterisiert. Sie liegen in der Masse zwischen 119 und 157 mit Halbwertszeiten von nur 1,02 Sekunden für Cer-151 und 5 × 10¹⁶ Jahren für Cer-142.

Das Metall wird durch Elektrolyse und metallo­thermische Reduktion der Halogenide mit Alkali- oder Erd­alkali­metallen hergestellt. Es existiert in vier allotropen (strukturellen) Formen. Die α-Phase ist flächen­zentriert kubisch (FCC) mit a = 4,85 Å bei 77 K (-196 °C, oder -321 °F). Die β-Phase bildet sich knapp unter Raum­temperatur und ist doppelt dicht gepackt hexagonal (DHCP) mit a = 3.6810 Å und c = 11.857 Å. Die γ-Phase ist die Raum­tempe­ratur­form und ist kubisch flächen­zentriert (FCC) mit a = 5.1610 Å bei 24 °C (75 °F). Die δ-Phase ist kubisch-körper­zentriert (BCC) mit a = 4,12 Å bei 757 °C (1.395 °F).

Nach einer aufwendigen Abtrennung der Cer-Begleiter wird das Oxid mit Fluor­wasser­stoff zum Cer­fluorid umgesetzt. Anschließend wird es mit Calcium unter Bildung von Calcium­fluorid zum Cer reduziert. Die Abtrennung verbleibender Calciumreste und Verun­reinigungen erfolgt in einer zusätzlichen Umschmelzung im Vakuum.

Obwohl Seltene Erden als kritische Rohstoffe eingestuft werden, trifft Knappheit nicht auf alle Seltenerdelemente zu. Wie bereits erwähnt ist Cer das häufigste unter den Seltenen Erden. Da die Seltenen Erden in Lagerstätten stets zusammen vorkommen und abgebaut werden, führt dies bei Cer (und Lanthan, dem zweithäufigsten Seltenerdelement) zu einer erheblichen und anhaltenden Überproduktion.

Trotz Nachfrage nach Cer und Lanthan, ist diese bei weitem nicht groß genug, um das massive Angebot aufzunehmen, das durch den Abbau anfällt.

Seine Fähigkeit, zwischen den Oxidationsstufen Ce³⁺ und Ce⁴⁺ zu wechseln, macht es besonders nützlich in katalytischen und redoxaktiven Prozessen. Die größte Anwendung für Cer ist etwa in Auto-Abgaskatalysatoren. In Drei-Wege-Katalysatoren ist Ceroxid eine entscheidende Komponente. Ein weiterer großer Anwendungsbereich ist in Fluid Catalytic Cracking(FCC)-Katalysatoren in Ölraffinerien.

Ceroxid (CeO₂) ist außerdem ein hervorragendes Poliermittel für Glas, Linsen und Siliziumwafern.

In der Glas- und Keramikindustrie wird Cer Glas und Glasuren als Zusatzstoff beigemischt, um bestimmte Eigenschaften zu erreichen. Etwa zum Entfärben durch die Beseitigung von Verunreinigungen im Glas und Keramikglasuren. Dadurch wird Glas klarer und Keramikglasur reiner. Cer kann Glas auch eine gelbe Färbung verleihen, die als Schutz vor UV-Strahlung genutzt wird.

Cer wird auch weiterhin für Beleuchtungen genutzt. In Energiesparlampen verbessert Cer in Leuchtstoffphosphoren die Lichtqualität. In weißen LEDs sind Cer-dotierte Leuchtstoffe (z.B. YAG:Ce) die Schlüsselkomponente. 

In kleinen Mengen Aluminium- oder Magnesiumlegierungen zugesetzt, verbessert es deren Korrosionsbeständigkeit und mechanische Eigenschaften.

Cerhaltige Beschichtungen und Konversionsschichten (z.B. auf Aluminium oder Stahl) bieten einen hervorragenden Schutz gegen Korrosion und werden als umweltfreundlichere Alternative zu chromathaltigen Beschichtungen erforscht.

Cerdioxid-basierte Materialien werden in Festoxid-Brennstoffzellen als Elektrolyt verwendet, da sie Ionen leitfähig sind.

Cer-reiche Legierungen (z.B. mit Kobalt oder Eisen) können Wasserstoff absorbieren und wieder abgeben und sind Gegenstand der Forschung für Speichertechnologien.

Cer wird auch heute noch für den Zündstein in Feuerzeugen verwendet, eine der ersten kommerziellen Anwendungen des Elements im 19. Jahrhundert, eingeführt vom geschäftstüchtigen Chemiker Carl Auer von Welsbach.

Das silbrigweiß glänzende Metall ist hinter Europium das zweitreaktivste Element der Lanthanide. Oberflächliche Verletzungen der schützenden gelben Oxidschicht entzünden das Metall. Oberhalb von 150 °C verbrennt es unter heftigem Glühen zum Cerdioxid. Mit Wasser reagiert es zum Cerhydroxid.

Cer kommt in Verbindungen als dreiwertiges, farbloses oder vierwertiges, gelbes bis orangefarbenes 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. 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.

Cer ist, wie alle Lanthanoide, leicht giftig. Metallisches Cer kann sich schon ab 65 °C entzünden. Als fein verteiltes Metall kann es sich an der Luft ohne Energiezufuhr erhitzen und schließlich entzünden. Die Zünd­bereit­schaft hängt u. a. sehr stark von der Korngröße und dem Verteilungsgrad ab. Cerbrände dürfen nicht mit Wasser gelöscht werden, da sich dabei explosives Wasserstoffgas entwickeln würde.

Cer unterscheidet sich neben Praseodym und Terbium von den anderen Seltenen Erden dadurch, dass es Verbindungen bildet, in denen seine Oxidationsstufe +4 ist. In Lösungen ist es sogar die einzige Seltene Erde, die eine +4 Oxidationsstufe aufweist. Salze des Ce⁴⁺-Ions (Kernsalze), die leistungsfähige, aber stabile Oxidationsmittel sind, werden in der analytischen Chemie verwendet, um oxidierbare Substanzen wie Eisen (Eisen in der Oxidationszone +2) zu bestimmen. Cer in seinem Oxidationszustand von +3 verhält sich wie eine typische Seltene Erde.