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Cer(IV)-oxid

chemische Verbindung

Cer(IV)-oxid oder Cerdioxid ist ein Oxid des Seltenerd-Metalls Cer. Neben diesem existiert auch Cer(III)-oxid (Ce2O3) und das dunkelblaue Mischoxid Cer(III,IV)-oxid (Ce3O4). Im Jahr 1808 zeigte der englische Chemiker Sir Humphry Davy, dass die seltene Erde Cerit kein Element, sondern eine Verbindung aus metallischem Element, Silicium und Sauerstoff ist. Zwischen 1839 und 1843 gelang Carl Gustav Mosander die Auftrennung und der Nachweis, dass es sich um eine Mischung verschiedener Metalloxide mit Siliciumdioxid bzw. ein Inselsilikat handelt ((Ce,La,Ca)9(Fe3+,Mg)[(OH)3|SiO3(OH)|(SiO4)6]).[7]

Kristallstruktur
Struktur von Ce(IV)-oxid
__ Ce4+     __ O2−
Kristallsystem

kubisch

Raumgruppe

Fm3m (Nr. 225)Vorlage:Raumgruppe/225[1]

Allgemeines
Name Cer(IV)-oxid
Andere Namen

Cerdioxid

Verhältnisformel CeO2
CAS-Nummer 1306-38-3
PubChem 73963
Kurzbeschreibung

hellgelber Feststoff[2]

Eigenschaften
Molare Masse 172,11 g·mol−1
Aggregatzustand

fest

Dichte

7,3 g·cm−3[3]

Schmelzpunkt

ca. 2000 °C[4]

Löslichkeit

nahezu unlöslich in Wasser[4]

Sicherheitshinweise
GHS-Gefahrstoffkennzeichnung [3]
keine GHS-Piktogramme
H- und P-Sätze H: keine H-Sätze
P: keine P-Sätze [3]
Toxikologische Daten
Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet. Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen.

Inhaltsverzeichnis

EigenschaftenBearbeiten

Wie alle Oxide der seltenen Erden emittiert Cer(IV)-oxid beim Erhitzen ein starkes Licht. Es kristallisiert in der Fluorit-Struktur. In reinster Form ist das Oxid cremefarben bis hellgelb. Sind darin Verunreinigungen enthalten (z. B. Neodym, Praseodym) so kann das Oxid auch braune Farbtöne annehmen. Die braune Farbe hat meistens Cerdioxid, das für Schleif- und Polierzwecke eingesetzt wird. Hierbei ist die Reinheit ohne Bedeutung.

ReaktionenBearbeiten

Cer(IV)-oxid bildet sich durch Erhitzen von Cer(III)-nitrat, Ce(NO3)3 oder Cer(III)-oxalat Ce2(C2O4)3.

Unter Erhitzen entsteht bei der Umsetzung von Cerdioxid mit konz. Schwefelsäure Cer(IV)-sulfat:

 

VerwendungBearbeiten

KatalysatorBearbeiten

Cer(IV)-oxid wird in Katalysatoren von Kraftfahrzeugen eingesetzt und oxidiert bei Sauerstoffmangel Kohlenstoffmonoxid und überschüssige Kohlenwasserstoffe gemäß:

 

Bei Sauerstoffüberschuss im Abgas reaktiviert sich der Katalysator wieder:

 

Nanokristalline Cer(IV)-oxid-Röhren mit einem Durchmesser von etwa 0,75 μm können für katalytische Reaktionen eingesetzt werden, zum Beispiel für die direkte Carboxylierung von Methanol mit Kohlendioxid zu Dimethylcarbonat.[8]

GlühstrümpfeBearbeiten

Eine optimale Lichtausbeute lässt sich aus einer Mischung von ca. 99 % Thorium(IV)-oxid und 1 % Cer(IV)-oxid erzielen. Dies wird bei der Herstellung von Glühstrümpfen für Gaslampen (Gasglühlicht oder Auerlicht) ausgenutzt, indem diese in die entsprechenden Nitratlösungen getränkt werden. Beim Anbrennen entstehen dann die Oxide, die für die hohe Lichtausbeute sorgen.

SchleifmittelBearbeiten

Auf Cer(IV)-oxid basierendes Poliermittel wird als Opaline in der optischen Industrie zur Politur von Gläsern eingesetzt. Es wird normalerweise als trockenes, weißes Pulver geliefert und weist eine Dichte von etwa 1,6 g/cm³ auf. Die mittlere Korngröße beträgt etwa 1 µm. Die Poliersuspension, die mit entionisiertem Wasser hergestellt wird, enthält ungefähr 60 g Opaline pro Liter Wasser.[9]

Analog dazu werden Cer(IV)-oxid basierende Poliersuspension auch in der Halbleitertechnik eingesetzt. Sie kommen vor allem bei der chemisch-mechanischen Politur (CMP) von Siliciumdioxid zum Einsatz. Die mittlere Korngröße ist hierbei jedoch deutlich geringer, sie liegt nur bei etwa 50 bis 150 nm. Da die Cer(IV)-oxid-Partikel relativ schnell sedimentieren, werden organische Zusätze, wie Polyelektrolyte, zur Stabilisierung der Suspension eingesetzt. Weiterhin gibt es kommerzielle Produkte, die weitere organische Stoffe, wie bestimmte Aminosäuren, nutzen, um eine erhöhte Materialselektivität zwischen den Abtragsraten von Siliciumdioxid- und -nitrid zu erreichen. Hintergrund ist, dass Siliciumnitridschichten bei der SiO2-CMP als Stoppschicht eingesetzt werden und bei der Politur möglichst nicht abgetragen werden sollen.

WeitereBearbeiten

Für eine zukünftige Herstellung von Wasserstoff mittels Sonnenenergie wird das Cer(IV)-oxid-Cer(III)-oxid-Verfahren entwickelt.

CeO2 findet außerdem bei Lacken als UV-Absorber Verwendung.[10] Dies dient der Verbesserung der Lichtbeständigkeit von exponierten Oberflächen; Lacke werden sonst durch die UV-Strahlung zersetzt.

LiteraturBearbeiten

  • Trust, Paul u. Schimmels, Michael: Einführung in die Chemie – auf einfachster Grundlage; Teil II; 2. Auflage, Franz Steiner Verlag GmbH, Wiesbaden (1956).
  • The New Encyclopæedia Britannica; Macropæedia Vol. 15; 15th Ed.; Encyclopedia Britannica, Inc. (1974).

SicherheitshinweiseBearbeiten

Die Auswirkungen von Cerdioxid auf die menschliche Gesundheit und Umwelt werden unter REACH im Jahr 2017 im Rahmen der Stoffbewertung von Deutschland geprüft.[11]

EinzelnachweiseBearbeiten

  1. W.H. Weber, K.C. Hass, J.R. McBride: Raman study of CeO2: Second-order scattering, lattice dynamics, and particle-size effects. In: Physical Review B. 48, 1993, S. 178–185, doi:10.1103/PhysRevB.48.178.
  2. Datenblatt Cer(IV)-oxid bei AlfaAesar, abgerufen am 5. April 2010 (JavaScript erforderlich).
  3. a b c Eintrag zu Cer(IV)-oxid in der GESTIS-Stoffdatenbank des IFA, abgerufen am 18. Juni 2017 (JavaScript erforderlich).
  4. a b c Datenblatt Cer(IV)-oxid (PDF) bei Merck, abgerufen am 18. Juni 2017.
  5. Datenblatt Cerium(IV) oxide bei Sigma-Aldrich, abgerufen am 12. Juni 2011 (PDF).
  6. Eintrag zu Cer(IV)-oxid in der ChemIDplus-Datenbank der United States National Library of Medicine (NLM), abgerufen am 18. Juni 2017.
  7. Mineralienatlas: Cerit
  8. J. J. Schneider, M. Naumann, C. Schäfer, A. Brandner, H. J. Hofmann, P. Claus: Template-assisted formation of microsized nanocrystalline CeO2 tubes and their catalytic performance in the carboxylation of methanol. In: Beilstein Journal of Nanotechnology. Nr. 2, 2011, S. 776–784, doi:10.3762/bjnano.2.86.
  9. Reinhard Conradt, Ulf Dahlmann, Sonja-Michaela Groß, Fritz Klocke, Stefan Hambücker: Optimierung der chemischen Einflüsse bei der mechanischen Politur von Glas.Abschlussbericht zum Forschungsvorhaben in Zusammenarbeit mit der Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschung e.V., Institut für Gesteinshüttenkunde Fraunhofer Institut für Produktionstechnologie, 2001 (PDF, AiF-Vorhaben: 12063 N).
  10. Technische Information L-NI 1: Nanotechnologie Additive (Memento vom 14. Februar 2010 im Internet Archive)
  11. Europäische Chemikalienagentur (ECHA): Community rolling action plan (CoRAP) Substance evaluation Table, abgerufen am 20. Oktober 2015.Vorlage:CoRAP-Liste/2017