第58號元素

**鈰**（拼音：shì，注音：ㄕˋ；英語：**Cerium**），是一種化學元素，其化學符號為 **Ce**，原子序數為 58，原子量為 140.116 u。鈰是第二個鑭系元素，也是稀土元素之一。鈰是一種柔軟、富延展性的銀白色金屬，作為典型的輕鑭系元素，鈰的化學性質非常活潑，在空氣中會很快失去光澤，用刀刮即著火，溶於酸，不溶於鹼。

鈰是地殼中含量最高的鑭系及稀土元素，其次是釹、鑭、釔、鈧和鐠等。鈰在地殼中的元素豐度排名為第 25 位，佔地殼的 66ppm，和銅相當，約為氯的一半、鉛的五倍。因此，儘管鈰是所謂的稀土元素之一，但實際上一點也不稀有。

鈰在自然界中並不以單質存在，而是與其他稀土金屬一同出現在獨居石、氟碳鈰礦等稀土礦物中，鈰在獨居石中占稀土總量的 40% 以上。和其他稀土相比，鈰很容易從其礦石中提取，因為它是唯一能在水溶液中達到穩定的 + 4 氧化態的鑭系元素，從而能和其他稀土區分開來。

鈰的拉丁名稱 Cerium 是以小行星穀神星來命名的，另一種以小行星來命名的元素是鈀。在 1801 年 1 月 1 日那晚，義大利的天文學家皮愛艾奇（Piazzi）在火星和木星之間的大間隙裡找到了一顆繞行太陽運行的新行星，為了維持行星以羅馬神明為名的傳統，這個天體就以農事女神刻瑞斯之名將新天體命名為 Ceres。麥片類食物的英文為 cereal，也是源自於農事女神。穀神星的發現讓當年科學界頗為興奮，因此在穀神星發現後找到的第一個新元素，就命名為 cerium 來向穀神星致敬。

## 性質

### 物理性質

鈰是一種銀白色的金屬，和鐵的光澤類似，有延展性，比鐵軟，硬度和銀相當。 鈰在常壓下擁有所有元素中第二廣的液態範圍：2648℃（從 795℃到 3443℃），僅次於錼。

鈰在常壓下有四種已知的同素異形體。鈰在常溫常壓下為 γ- 鈰，晶體結構為面心立方（FCC）。溫度降至 - 16℃時，γ- 鈰會開始轉變為雙六方最密堆積（DHCP）結構的 β- 鈰，繼續降至 - 172℃以下則殘餘的 γ- 鈰會逐漸變換為面心立方（FCC）結構的 α- 鈰，在 - 269℃轉變完成，至於 β- 鈰則不會顯著轉變為 α- 鈰，除非受到壓力或形變。α- 鈰的密度為 8.16 g/cm3。至於體心立方（BCC）結構的 δ- 鈰存在於 726°C 以上的高溫狀態。在常壓下，液態鈰的密度比固態鈰來得大。

### 化學性質

鈰在空氣中會逐漸失去光澤，形成一層會像鐵鏽般不斷剝落的疏鬆氧化層；一立方公分大小的金屬鈰塊會在大約一年內完全腐蝕殆盡。所以純鈰必須保存在真空或充滿惰性氣體的玻璃管中。鈰金屬具高度自燃性，研磨或劃過其表面時，鈰很容易被產生的火花點燃。該反應符合元素週期律，因為鈰是原子半徑最大的鑭系元素之一。

鈰在 150℃下很容易燃燒，生成二氧化鈰，其中的鈰是 + 4 價，具有很強的氧化性。

　
: Ce + O2 → CeO2

二氧化鈰可以被氫氣還原成 + 3 價的鈰氧化物三氧化二鈰。二氧化鈰具有螢石型結構，類似於鐠和鋱的二氧化物。

鈰是一種強正電性元素，金屬活性較強，可與水發生反應。鈰和冷水的反應速度緩慢，在熱水中則快速反應，生成氫氧化鈰和氫氣：

　
: 2 Ce (s) + 6 H2O (l) → 2 Ce(OH)3 (aq) + 3 H2 (g)

鈰可以和所有鹵素反應，形成三鹵化物：

　
: 2 Ce (s) + 3 F2 (g) → 2 CeF3 (s) （白色）

　
: 2 Ce (s) + 3 Cl2 (g) → 2 CeCl3 (s) （白色）

　
: 2 Ce (s) + 3 Br2 (g) → 2 CeBr3 (s) （白色）

　
: 2 Ce (s) + 3 I2 (g) → 2 CeI3 (s) （黃色）

鈰可以在稀硫酸中迅速溶解，生成無色的 Ce3+ 離子，其存在形式為 [Ce (H2O)9]3+:

　
: 2 Ce (s) + 3 H2SO4 (aq) → 2 Ce3+ (aq) + 3 SO2− 
4 (aq) + 3 H2 (g)

鈰是唯一能在水溶液中達到穩定的 + 4 氧化態的鑭系元素。Ce4+ 離子（高鈰離子）在水中呈現橙黃色。Ce4+ 在水中是亞穩態的，是一種很強的氧化劑，可將鹽酸氧化產生氯氣。因此，Ce4+ 化合物如硝酸鈰銨在有機化學中是常用的強氧化劑，可從金屬羰基配合物中釋放出有機配體。在 B-Z 反應中，鈰離子在 + 4 態和 + 3 態之間來回振盪以催化反應的進行。硫酸鈰 (IV) 等高鈰鹽類常被用於容量分析中鈰滴定法的標準試劑。

### 同位素

天然存在的鈰由四種同位素組成：136Ce（0.19%）、138Ce（0.25%）、140Ce（88.4%）和 142Ce（11.1%）。這四種同位素在觀測上都是穩定的，儘管理論計算顯示較輕的同位素 136Ce 和 138Ce 會發生負雙 β 衰變形成鋇的同位素，而 142Ce 估計會發生雙 β 衰變形成 142Nd 或發生 α 衰變形成 138Ba，至於 140Ce 則估計會自發裂變並釋放出能量。然而上述的衰變模式從來都沒有被科學家實際觀測到過，不過目前科學家已透過實驗測量了 136Ce、138Ce 和 142Ce 發生雙 β 衰變的半衰期下限：

　
: 136Ce: >3.8×1016 年

　
: 138Ce: >5.7×1016 年

　
: 142Ce: >5.0×1016 年

其他所有已知的鈰同位素都是人工合成的放射性同位素。其中最長壽的是半衰期為 284.9 天的 144Ce、半衰期為 137.6 天的 139Ce 和半衰期為 32.5 天的 141Ce，其餘同位素的半衰期都在四天以下，其中大多數半衰期不到十分鐘。輕於 140Ce 的鈰同位素主要發生負 β 衰變或電子俘獲變成鑭的同位素，而較重的同位素則是 β 衰變成鐠的同位素。

## 存量

鈰是所有稀土元素中含量最多的，佔地殼的 66ppm，和銅相當（68ppm），鈰的含量甚至比鉛（13 ppm）、錫（2.1 ppm）等常見金屬高得多。因此，儘管鈰是所謂的稀土元素之一，但實際上並不稀有。土壤中的鈰含量在 2～150ppm 之間變化，平均濃度為 50ppm；海水中鈰的濃度約為萬億分之一。鈰存在於各種礦物中，但其最重要的商業開採來源為獨居石和氟碳鈰礦，在這些礦物中，鈰約佔鑭系元素總含量的一半。鈰獨居石是獨居石中最常見的代表性種類。此外，以鈰為主的鈰氟碳鈰礦也是氟碳鈰礦中最為重要的一種。

鈰是鑭系元素中最容易從礦石中提取的，因為它是唯一能在水溶液中達到穩定 + 4 氧化態的鑭系元素。由於 Ce4+ 和 Zr4+ 的電荷數相同且有著相近的離子半徑，鈰有時會結合到鋯石中。在極端情況下，Ce4+ 能和其他稀土元素分離，形成獨立的礦物，例如方鈰石（(Ce,Th)O 
2）。

## 用途

鈰在歷史上的第一個用途為煤氣燈紗罩。煤氣燈是由奧地利化學家卡爾・奧爾・馮・韋爾斯巴赫發明。最初他使用氧化鎂、氧化鑭和氧化釔的混合物作為材料進行實驗，但這些混合物燃燒時發出的光芒為綠色，以照明用途來說並不是很成功。1891 年，他發現純的二氧化釷燃燒後發出了藍色光芒，將其與微量二氧化鈰（約 1%）混合後燃燒則會發出明亮的白光，且二氧化鈰還具有催化二氧化釷燃燒的效果。隔年，馮・韋爾斯巴赫將這項新發明商業化生產後，新型的煤氣燈罩迅速傳遍了整片歐洲大陸。使用鈰釷氧化物的煤氣燈在 1890 年代一直是歐洲街道照明的主力，直到 1900 年代初期電燈照明在歐洲各國間普及後才逐漸被取代。

這項發明為馮・韋爾斯巴赫帶來了商業上的成功，並使得業界對釷元素的需求量大增。釷的生產過程連帶導致了大量與之共生的鑭系元素同時作為副產品被提取出來。人們很快就為它們找到了用途，例如稱為混合稀土金屬的自燃性合金是由 50% 的鈰、25% 的鑭和少量其他鑭系元素組成，廣泛用於製造打火石。同樣具有自燃性的鈰鐵合金也是由馮・韋爾斯巴赫所發明。由於稀土元素間化學性質的相似性，它們在應用上通常不需要額外使用化學方法將其各自分離，例如混合稀土金屬可作為鋼鐵中的添加劑以改善其機械性能，或作為石油流化催化裂化的催化劑等。

### 鈰（IV）化合物

二氧化鈰是用途最廣泛的鈰化合物。其主要應用於化學機械研磨技術中的拋光粉，二氧化鈰在該領域中已取代其他金屬氧化物，成為生產高品質光學鏡片時所用的最優質拋光粉之一。二氧化鈰也被用作淨化汽車廢氣的催化轉換器中的添加劑。含有二氧化釷的鎢釷電極曾廣泛用於鎢極氣體保護電弧焊，具有出色的焊接性能。使用同系物二氧化鈰取代二氧化釷後雖然焊接性能稍有降低，卻能免除釷的放射性所造成的健康危害，同時降低了燒毀的發生率。

二氧化鈰的奈米粉末可以作為柴油添加劑，提高柴油發動機的燃油效率，減少柴油發動機的廢氣排放量。

硫酸鈰 (IV) 在滴定中常用作氧化劑。添加於甲基磺酸溶液中的 + 4 價鈰離子在工業規模的電合成技術中被用作可回收的氧化劑。硝酸鈰銨在有機化學領域和電子元件的蝕刻過程中被用作氧化劑，此外也被用作滴定的標準試劑。

### 顏料和螢光粉

硫化鈰 (III) 有著鮮豔的紅色，且在非常高的溫度下仍保持其化學惰性，在繪畫界中被用作耐光但毒性很強的硒化鎘顏料之替代品。

含鈰的螢光粉廣泛用於映像管電視螢幕、日光燈和現代的白光 LED 中。最常見的用例為摻雜 + 3 價鈰離子的釔鋁石榴石（Ce:YAG）螢光粉，它會發出綠色至黃綠色的光芒（波長 550–530nm），也可用作電離輻射探測器的閃爍體。

### 其他用途

鈰可以和鋁形成具有出色耐高溫性能的鋁合金，其中可以進一步添加鎂和矽，適用於汽車的汽缸蓋等。

鈰在核工業中常用作 δ- 鈽的穩定劑（添加量為 0.9~1% 質量分數），和鈽形成的鈽鈰合金以及鈽 - 鈰 - 鈷合金等被用作核燃料。

三硫化二鈰和四硫化三鈰等鈰鹽曾在曼哈頓計劃期間被認為是製造坩堝的理想耐火材料，可以承受鎔鑄鈽金屬時的高溫和強還原力環境。儘管具有理想的性質，但由於其合成難度高而從未被廣泛採用。

## 資源分布

鈰資源主要集中在中國和北歐的挪威、瑞典，其中中國的儲量最高。除此之外，美國、俄羅斯及印度等國也有一定鈰儲量。

其中，以氟碳鈰礦主產地包括美國加利福尼亞的芒廷帕斯礦山、中國的四川冕寧、山東微山及內蒙古的白雲鄂博等；獨居石（磷鈰鑭礦）的主要產地則有澳大利亞的維爾德山、東西海岸海濱砂礦等；磷灰石礦則主要產於印度西南海岸海濱沙、中國廣東南山海海濱沙等。鈰鈮鈣鈦礦的產地有俄羅斯薩哈共和國的托姆托爾礦床等。

## 生物作用

如同其他稀土元素，鈰在人體內沒有已知的生物作用。除了嗜甲烷菌 _Methylacidiphilum fumariolicum_ 外，目前沒有發現鈰在其他生物體中發揮任何生物學作用，但其毒性也並不高，不會在食物鏈中累積到產生明顯副作用的程度。由於鈰在磷酸鹽礦物中經常與鈣共生，而人類骨骼的主要成分即為磷酸鈣，因此鈰被攝入人體後會少量地積聚在骨骼中，但並不至於造成任何健康風險。

鑭、鈰等輕鑭系元素對於火山泥溫泉中的嗜甲烷菌（如 _Methylacidiphilum fumariolicum_）至關重要，是其體內甲醇脫氫酶的重要輔助因子。由於輕鑭系元素間彼此化學性質的高度相似性，菌體內的鑭、鈰、鐠和釹可以相互取代而不會對菌體產生任何不良影響。若以釤、銪或釓等質量稍重的鑭系元素取代，除了使它們生長緩慢外亦沒有其他副作用。

硝酸鈰是治療三級燒傷的有效抗菌藥物，儘管施用劑量過大會導致鈰中毒和高鐵血紅蛋白症。

## 危害

如同其他稀土元素，鈰具有低到中度的毒性，應小心處理。鈰金屬在 65 至 80°C 的空氣中很容易自燃，其燃燒產生的煙霧是有毒的。不應使用水來撲滅鈰燃燒引發的火災，因為鈰會與水反應產生易燃的氫氣。長期接觸鈰的工人容易有瘙癢、對熱敏感和皮膚損傷等症狀。鈰被攝入人體後並無毒性，但在動物體內注射大劑量的鈰會導致其心血管衰竭而死亡。鈰對水生生物來說危險得多，因為它會破壞細胞膜，且其不易溶於水，容易導致環境污染。

## 參考文獻

## 外部連結

* 元素鈰在洛斯阿拉莫斯國家實驗室的介紹（英文）
* EnvironmentalChemistry.com —— 鈰（英文）
* 元素鈰在 _The Periodic Table of Videos_（諾丁漢大學）的介紹（英文）
* 元素鈰在 Peter van der Krogt elements site 的介紹（英文）
* WebElements.com – 鈰（英文）
* Lu Le Laboratory 鈰鐵合金的起火影片 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）