ธาตุหายากมหัศจรรย์: ซีเรียม

ซีเรียม เป็น 'พี่ใหญ่' ที่ไม่มีใครโต้แย้งในกลุ่มธาตุหายากขนาดใหญ่ ประการแรก ความอุดมสมบูรณ์ทั้งหมดของธาตุหายากในเปลือกโลกคือ 238ppm โดยซีเรียมอยู่ที่ 68ppm คิดเป็น 28% ขององค์ประกอบธาตุหายากทั้งหมดและอยู่ในอันดับ 1 ประการที่สอง ซีเรียมเป็นธาตุหายากอันดับสองที่ค้นพบเก้าปีหลังจากการค้นพบอิตเทรียม (1794) การใช้งานของซีเรียมมีอย่างกว้างขวางและ "ซีเรียม" ก็หยุดไม่อยู่

การค้นพบธาตุเซเรียม

คาร์ล เออเออร์ ฟอน เวลสบัค

ซีเรียมถูกค้นพบและตั้งชื่อในปี พ.ศ. 2346 โดยคล็อปเปอร์ชาวเยอรมัน เจอนส์ จาคอบ เบอร์เซลิอุส นักเคมีชาวสวีเดน และวิลเฮล์ม ฮิซิงเงอร์ นักแร่วิทยาชาวสวีเดน ซีเรียมซิลิเกตชนิดนี้เรียกว่าซีเรียม ส่วนแร่ซีเรียมซิลิเกตชนิดนี้เรียกว่าเซไรต์ เพื่อเป็นการรำลึกถึงซีรีส ซึ่งเป็นดาวเคราะห์น้อยที่ค้นพบในปี พ.ศ. 2344 ซีเรียมซิลิเกตประเภทนี้เป็นเกลือไฮเดรตที่มีซีเรียม 66% ถึง 70% ในขณะที่ส่วนที่เหลือเป็นสารประกอบของแคลเซียม เหล็ก และอิตเทรียม.

การใช้ซีเรียมครั้งแรกคือเตาผิงแก๊สที่คิดค้นโดยคาร์ล เออเออร์ ฟอน เวลสบัค นักเคมีชาวออสเตรีย ในปี พ.ศ. 2428 เขาพยายามผสมแมกนีเซียม แลนทานัม และอิตเทรียมออกไซด์ แต่ส่วนผสมเหล่านี้ปล่อยแสงสีเขียวออกมาแต่ไม่ประสบความสำเร็จ

ในปี พ.ศ. 2434 เขาพบว่าทอเรียมออกไซด์บริสุทธิ์ให้แสงที่ดีกว่า ถึงแม้ว่าจะเป็นสีฟ้าก็ตาม และผสมกับซีเรียมออกไซด์ (IV) เพื่อให้ได้แสงสีขาวสว่าง นอกจากนี้ ซีเรียมออกไซด์ (IV) ยังสามารถใช้เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาสำหรับการเผาไหม้ทอเรียมออกไซด์ได้อีกด้วย

โลหะเซเรียม

★ ซีเรียมเป็นโลหะสีขาวเงินที่มีความเหนียวและอ่อนตัวซึ่งมีคุณสมบัติที่ใช้งานได้ เมื่อสัมผัสกับอากาศ โลหะดังกล่าวจะถูกออกซิไดซ์จนเกิดชั้นออกไซด์ที่ลอกออกคล้ายสนิม เมื่อได้รับความร้อน โลหะดังกล่าวจะเผาไหม้และทำปฏิกิริยากับน้ำได้อย่างรวดเร็ว โลหะซีเรียมที่มีขนาด 1 เซนติเมตรจะกัดกร่อนจนหมดภายในเวลาประมาณ 1 ปี หลีกเลี่ยงการสัมผัสกับอากาศ สารออกซิไดซ์ที่เข้มข้น กรดที่เข้มข้น และฮาโลเจน

★ ซีเรียมมีอยู่ส่วนใหญ่ในมอนาไซต์และบาสตเนไซต์ รวมถึงในผลิตภัณฑ์ฟิชชันของยูเรเนียม ทอเรียม และพลูโตเนียม ซีเรียมเป็นอันตรายต่อสิ่งแวดล้อม ควรใส่ใจเป็นพิเศษกับมลพิษในแหล่งน้ำ

★ ซีเรียมเป็นธาตุที่พบมากเป็นอันดับ 26 คิดเป็น 68ppm ของเปลือกโลก รองจากทองแดง (68ppm) ซีเรียมมีอยู่มากว่าโลหะทั่วไป เช่น ตะกั่ว (13pm) และดีบุก (2.1ppm)

โครงสร้างอิเล็กตรอนของซีเรียม

การจัดเตรียมทางอิเล็กทรอนิกส์:
1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d10 5p66s2 4f1 5d1
★ ซีเรียมอยู่หลังแลนทานัมและมีอิเล็กตรอน 4f เริ่มจากซีเรียม ทำให้เข้าร่วมในปฏิกิริยาเคมีได้ง่าย อย่างไรก็ตาม ซีเรียมอยู่ในวงโคจร 5d และผลกระทบนี้ไม่รุนแรงพอ

★ แลนทาไนด์ส่วนใหญ่สามารถใช้อิเล็กตรอนได้เพียงสามตัวเป็นอิเล็กตรอนวาเลนซ์ ยกเว้นซีเรียมซึ่งมีโครงสร้างอิเล็กตรอนที่แปรผัน พลังงานของอิเล็กตรอน 4f นั้นเกือบจะเท่ากับพลังงานของอิเล็กตรอน 5d และ 6s ภายนอกที่แยกตัวออกจากสถานะโลหะ และต้องใช้พลังงานเพียงเล็กน้อยเท่านั้นในการเปลี่ยนการครอบครองสัมพันธ์ของระดับพลังงานอิเล็กตรอนเหล่านี้ ส่งผลให้มีวาเลนซ์สองเท่าของ +3 และ +4 สถานะปกติคือวาเลนซ์ +3 ซึ่งแสดงวาเลนซ์ +4 ในน้ำที่ไม่มีออกซิเจน
การประยุกต์ใช้ซีเรียม

★ สามารถใช้เป็นสารเติมแต่งโลหะผสมและสำหรับการผลิตเกลือเซเรียมเป็นต้น

★ สามารถใช้เป็นสารเติมแต่งกระจกเพื่อดูดซับรังสีอัลตราไวโอเลตและอินฟราเรด และนิยมใช้กันอย่างแพร่หลายในกระจกรถยนต์

★ สามารถใช้เป็นวัสดุปกป้องสิ่งแวดล้อมได้อย่างยอดเยี่ยม โดยในปัจจุบันตัวเร่งปฏิกิริยาการฟอกไอเสียของยานยนต์ที่เป็นตัวแทนมากที่สุด ซึ่งมีประสิทธิภาพในการป้องกันไม่ให้ก๊าซไอเสียของรถยนต์จำนวนมากถูกปล่อยสู่บรรยากาศ

★ แสงสว่างธาตุหายากประกอบด้วยซีเรียมเป็นหลัก ซึ่งเป็นสารควบคุมการเจริญเติบโตของพืช ซึ่งสามารถปรับปรุงคุณภาพของพืชผล เพิ่มผลผลิต และเพิ่มความต้านทานต่อความเครียดของพืช

★ ซีเรียมซัลไฟด์สามารถทดแทนโลหะ เช่น ตะกั่วและแคดเมียม ซึ่งเป็นอันตรายต่อสิ่งแวดล้อมและมนุษย์ได้ในเม็ดสี สามารถใช้แต่งสีพลาสติกได้ และยังใช้ในอุตสาหกรรมเคลือบและหมึกได้อีกด้วย

ซีเรียม(IV)ออกไซด์สามารถใช้เป็นสารขัดเงาได้ เช่น ในการขัดแบบเคมี-กล (CMP)

★ ซีเรียมยังสามารถใช้เป็นวัสดุสำหรับกักเก็บไฮโดรเจน วัสดุเทอร์โมอิเล็กทริก อิเล็กโทรดทังสเตนซีเรียม ตัวเก็บประจุเซรามิก เซรามิกพีโซอิเล็กทริก สารกัดกร่อนซีเรียมซิลิกอนคาร์ไบด์ วัตถุดิบเซลล์เชื้อเพลิง ตัวเร่งปฏิกิริยาเบนซิน วัสดุแม่เหล็กถาวร วัสดุทางการแพทย์ เหล็กอัลลอยด์ต่างๆ และโลหะที่ไม่มีธาตุเหล็ก