酸化セリウム（IV）：構造、特性、用途 - 化学 - 2025

酸化セリウム（IV）酸化物またはセリウム4+、その原子価への酸素のためのセリウム（Ce）の酸化により生成した白色または淡黄色固体無機です。酸化セリウムの化学式はCeO _2であり、セリウムの最も安定した酸化物です。

セリウム（Ce）は、希土類のグループに含まれる一連のランタニドの元素です。この酸化物の天然源は鉱物バストナサイトです。このミネラルの市販の濃縮物では、CeO ₂は約30重量％までのおよその割合で含まれています。

酸化セリウム（IV）のサンプル。ユーザーが2005年8月に撮影した写真：Walkerma。{{PD-self}}出典：ウィキペディアコモンズ

CeO ₂は、水酸化セリウム（III）、Ce（OH）₃、またはシュウ酸塩、炭酸塩、硝酸塩などのセリウム（III）の塩を空気中または酸素中で加熱することで簡単に取得できます。

化学量論的CeO ₂は、酸化セリウム（III）と元素状酸素との高温反応により得られます。酸素は過剰でなければならず、形成されている様々な非化学量論的相の変換を完了するのに十分な時間が必要です。

これらの相は、式CeO _x（xは1.5と2.0の間で変化する）の多色生成物を含みます。それらは、CeO _2-xとも呼ばれ、xは最大0.3の値を持つことができます。CeO ₂は、業界で最も広く使用されているCeの形式です。特に水への溶解性が低いため、毒性分類が低い。

バストナサイト鉱物サンプル。Rob Lavinsky、iRocks.com-CC-BY-SA-3.0出典：Wikipedia Commons

構造

化学量論的酸化セリウム（IV）酸化物は、蛍石型立方格子（CaF ₂）で結晶化し、8 O ^2-イオンが4 Ce ⁴⁺イオンと協調する立方体構造になります。

酸化セリウム（IV）の結晶構造。Benjah-bmm27出典：Wikipedia Commons

命名法

-酸化セリウム（IV）。

-酸化セリウム。

-二酸化セリウム。

-セリア。

-化学量論的酸化セリウム：完全にCeO _2で形成された材料。

-非化学量論酸化セリウム：CeO ₂からCeO _1.5までの混合酸化物によって形成された材料

プロパティ

体調

淡黄色の固体。色は化学量論と他のランタニドの存在に敏感です。非化学量論的酸化物はしばしば青色です。

モース硬度

およそ6-6.1。

分子量

172.12 g / mol。

融点

約2600ºC。

密度

7.132 g / cm ³

溶解度

お湯と水に溶けない。濃硫酸、濃硝酸に可溶。希酸に不溶。

屈折率

2.2。

その他の特性

CeO ₂は不活性物質で、強酸や強アルカリに侵されません。しかし、過酸化水素（H ₂ O ₂）やスズ（II）などの還元剤の存在下では、酸によって溶解され、セリウム（III）溶液が生成されます。

熱安定性に優れています。通常の加熱間隔では結晶学的変化はありません。

その水和誘導体（CeO ₂ .nH ₂ O）は、セリウム（IV）の溶液を塩基で処理することによって得られる黄色のゼラチン状の沈殿物です。

CeO ₂は消化管からの吸収が少ないため、毒性はありません。

用途

-冶金業界で

CeO ₂は、不活性ガスタングステンアーク溶接などの特定の溶接技術の電極に使用されます。

酸化物はタングステンマトリックス全体に細かく分散しています。低電圧では、これらのCeO ₂粒子はタングステンのみよりも高い信頼性を提供します。

-ガラス業界で

ガラス研磨

CeO ₂は、ボトル、水差しなどのソーダ石灰ガラスを変色させる可能性があります。Ce（IV）は、青緑色を提供するFe（II）不純物を、10倍弱い黄色を提供するFe（III）に酸化します。

耐放射線ガラス

ガラスへの1％CeO ₂の添加は、TVガラスの高エネルギー電子の衝撃によって引き起こされるガラスの変色または黒ずみを抑制します。原子力産業のホットセルの窓に使用されているガラスにも同じことが言え、ガンマ線によって引き起こされる変色を抑制します。

抑制メカニズムは、ガラス格子内のCe ⁴⁺およびCe ³⁺イオンの存在に依存すると考えられています。

感光性メガネ

一部のガラス調合物は、永久的な構造または色に変換できる潜像を発生させる可能性があります。

このタイプのガラスには、紫外線を吸収してガラスマトリックスに電子を放出するCeO ₂が含まれています。

処理後、ガラス内の他の化合物の結晶の成長が発生し、電子的または装飾的な使用のための詳細なパターンを作成します。

-エナメル

CeO ₂は、その高い屈折率のため、金属の保護コーティングとして使用されるエナメル組成物の不透明剤です。

その高い熱安定性と、グレージングプロセス中に到達する全温度範囲にわたるその独特の結晶学的形状により、磁器釉薬での使用に適しています。

このアプリケーションでは、CeO _2がエナメル質の焼損時に望ましい白色コーティングを提供します。不透明感を与える成分です。

-ジルコニウムセラミック

ジルコニアセラミックは断熱材であり、高温アプリケーションで使用されます。強度と靭性が高い添加剤が必要です。CeO ₂をジルコニアに添加すると、非常に靭性が高く、強度の高い材料が生成されます。

CeO _2をドープした酸化ジルコニウムは、金属表面の熱バリアとして機能するコーティングに使用されます。

たとえば、航空機のエンジン部品では、これらのコーティングは金属がさらされる高温から保護します。

ジェットエンジン。ジェフダール、Xavigivaxによるスペイン語翻訳出典：ウィキペディアコモンズ

-車両の排出を制御するための触媒

CeO ₂は、自動車の排気ガスから汚染物質を除去する上で有効な成分です。これは主に、周囲の条件に応じて酸素を貯蔵または放出する能力によるものです。

自動車の触媒コンバーターは、エンジンと排気ガス出口の間にあります。未燃焼の炭化水素を酸化し、COをCO _2に変換し、窒素酸化物であるNO _xをN ₂とO _2に還元する触媒が必要です。

自動車の内燃機関からの排気ガス用の触媒コンバーター。英語版ウィキペディアのAhanix1989出典：ウィキペディアコモンズ

白金およびその他の触媒金属に加えて、これらの多機能システムの主な活性成分はCeO ₂です。

各触媒コンバーターには、50〜100 gの細かく分割されたCeO ₂が含まれており、いくつかの機能を果たします。最も重要なものは次のとおりです。

高表面積アルミナの安定剤として機能

高表面積のアルミナは焼結する傾向があり、高温動作中にその高表面積を失います。これは、CeO ₂の存在により遅れます。

酸素緩衝剤として機能します

非化学量論的酸化物CeO _2-xを形成する能力により、酸化セリウム（IV）は、酸素の少ない/燃料の豊富なサイクル期間中に独自の構造の元素酸素を提供します。

したがって、酸素ガスが不十分な場合でも、エンジンからの未燃炭化水素の酸化とCOのCO ₂への変換を_継続できます。

次に、酸素が豊富なサイクル期間では、酸素を吸収して再酸化し、化学量論的な形のCeO _2を回復します。

その他

それは、窒素酸化物NO _xの窒素と酸素への還元におけるロジウムの触媒能力の向上剤として機能します。

-化学反応の触媒作用において

製油所の接触分解プロセスでは、CeO ₂はSO ₂からSO ₃への変換を助け、プロセスの特定のトラップでの硫酸塩の形成を促進する触媒酸化剤として機能します。

CeO ₂は、エチルベンゼンから出発してスチレンを得るために使用される酸化鉄ベースの触媒の活性を改善します。これはおそらく、Fe（II）-Fe（III）とCe（III）-Ce（IV）の酸化物還元ペア間の正の相互作用によるものです。

-生物学的および生物医学的用途

CeO ₂ナノ粒子は、スーパーオキシド、過酸化水素、ヒドロキシル、一酸化窒素ラジカルなどのフリーラジカルを除去することによって作用することがわかっています。

それらは、放射線誘発損傷、レーザー誘発網膜損傷から生物組織を保護し、視細胞の寿命を延ばし、脊髄損傷を減らし、慢性炎症を減らし、血管新生または血管形成を促進します。

さらに、CeO ₂ナノ粒子を含む特定のナノファイバーは、細菌株に対して有毒であることが示され、殺菌用途の有望な候補となっています。

-その他の用途

CeO ₂は、その優れた化学的安定性、高い比誘電率（電界が印加されると分極する傾向が高い）、およびシリコンに似た結晶格子により、電気絶縁材料です。

それは超電導材料のコンデンサーおよび減衰層に用途を見出した。

また、ガスセンサー、固体酸化物型燃料電池の電極材料、酸素ポンプ、酸素モニターにも使用されます。

参考文献

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