Chapitres
Présentation
Le cérium est un élément chimique qui porte le numéro 58 dans la classification périodique des éléments.
| Informations générales | |
|---|---|
| Symbole | Ce |
| Numéro atomique | 58 |
| Famille | Lanthanide |
| Période | 6 |
| Bloc | f |
| Masse volumique | 6,770 g.cm-3 |
| Dureté | 2,5 |
| Couleur | Blanc argenté |
| Propriétés atomiques | |
| Masse atomique | 140,116 u |
| Rayon atomique | 185 pm |
| Configuration électronique | [Xe] 6s2 4f1 5d1 |
| Électrons par niveau d'énergie | 2 | 8 | 18 | 19 | 9 | 2 |
| Oxyde | Base |
| Système cristallin | Hexagonal compact |
| Propriétés physiques | |
| État ordinaire | Solide |
| Point de fusion | 799°C |
| Point d'ébullition | 3 443°C |
Définitions
- Numéro atomique : Le numéro atomique d’un atome représente le nombre de protons de ce dernier.
- Famille : L’UICPA (Union internationale de chimie pure et appliquée) a regroupé en 10 familles les éléments chimiques qui présentent des propriétés physiques et chimiques semblables.
- Groupe : Chaque groupe correspond aux éléments chimiques présents dans une même colonne du tableau périodique des éléments.
- Période : Chaque période correspond aux éléments chimiques présents dans une même ligne du tableau périodique des éléments. Ils partagent également le même nombre de couches électroniques. On en compte 7 au maximum.
- Bloc : Les éléments périodiques sont classés par bloc selon leurs propriétés et selon les couches électroniques jusqu’auxquelles elles sont remplies.
- Dureté : La dureté d’un matériau représente la résistance qu’il oppose à la pénétration. On peut la mesurer selon plusieurs méthodes : la méthode par pénétration, la méthode par rayage ou encore la méthode par rebondissement.
- Point de fusion : Le point de fusion correspond à un moment de pression et de température à partir duquel l’élément chimique fond, passant ainsi de l’état solide à l’état liquide.
- Point d’ébullition : Le point de fusion correspond à un moment de pression et de température à partir duquel l’élément chimique bout, passant ainsi de l’état liquide à l’état gazeux.
Rappel : La classification périodique des éléments, aussi appelée tableau de Mendeleïev, du nom de son créateur. C’est un chimiste russe qui en 1869 créa un tableau dont le but était de regrouper tous les éléments chimiques connus par points communs (groupes et familles par exemple). Il a souvent été ajusté et mis à jour depuis cette époque. Sa dernière révision date de 2016 par l’UICPA (Union internationale de chimie pure et appliquée), une ONG suisse qui a pour but l’évolution de la physique-chimie. Le tableau périodique compte à ce jour 118 éléments.
Un peu d'histoire
Étymologie
Découvert en 1803, le Cérium tient son nom de la planète naine Cérès qui a été découverte quelques années plus tôt, en 1801. Cérès est une planète naine située au sein de la ceinture d'astéroïde entre Mars et Jupiter. Elle doit elle-même son nom à Ceres, déesse romaine de l'agriculture.
Première découverte
Comme dit précédemment, le Cérium a été découvert en 1803 par Martin Heinrich Klaproth, un chimiste et minéralogiste allemand et peu de temps après par Jöns Jacob Berzelius et Wilhelm Hisinger en Suède. Mais ce sera en 1825 qu'il sera obtenu pour la première fois à un état raisonnablement pur par Carl Gustav Mosander.
Présence à l'état naturel
Le cérium est présent dans l'écorce terre. En effet, c'est le lanthanide le plus abondant (il est plus abondant que le cuivre et même quatre fois plus abondant que l'argent !) et il fait parti des terres rares qui, malgré ce qu'on peut croire, ne sont pas tellement rares. Les oxydes des terres rares sont souvent les sous-produits de l'exploitation de minerai.
Les terres rares est un groupe de métaux possédant des propriétés proches du scandium 21Sc, de l'yttrium 39Y, et des quinze lanthanides.
La monazite (phosphate de Terres rares), le thorium et le bastnæsite (fluorocarbonate de Terre rares, sous produit de l'exploitation) sont les principales sources minérales de cérium.
Techniques d'extraction
Il existe deux manières d'extraire le Cérium la méthode non séparé et la méthode séparé
Non séparé : Molycorp
Pour cette méthode, on utilise la bastnæsite enrichie que l'on oxyde par calcination à l'air avec une température de 650°C. On dissout ensuite les terres rares trivalentes de la bastnæsite oxydée (sauf le Ce IV de formule CeO2) avec de l'acide chlorhydrique. On obtient alors un résidu, contenant environ 70% de CeO2 qui peut être directement utilisé.
Séparé : Rhodia
Pour cette méthode, on utilise la mosanite que l'on met en contact avec de la soude concentrée à une température de 180°C. Ainsi, du phosphate de formule Na3PO4 est formé puis éliminé par lavage. Les hydroxyde de terres rares quant à eux sont, après filtration, solubilisés à l'aide d'acide nitrique. On effectue après cela de nombreuses extration liquide-liquide pour séparer le nitrate de thorium. On procède ensuite à des extractions par solvants pour extraire le lanthane, le cérium et les autres terres rares. On utilise pour cela près de 1 500 étages de mélangeurs-décanteurs.
Production
C'est la Chine qui est le plus gros producteur d'oxydes de terres rares avec une production de l'ordre de 140 000 tonnes par an, soit 95% de la production mondiale. Cependant, depuis 2009, la Chine essaie de réduire de façon efficace ses exportations pour préserver le monopole sur ce matériau stratégique.
Propriétés physiques et chimiques du Cérium
Le cérium est un métal gris argent qui, température ambiante, est ductile et malléable. Il peut facilement s'oxyder à l'air ou à l'occasion d'une combustion pour former de l'oxyde de cérium. Il est également capable de réagir avec la plupart des acides et des bases.
Utilisations
La première utilisation du cérium remonte à la fin du XIXe siècle lors de la généralisation de l'éclairage au gaz de ville. En effet, Carl Auer von Welsbach, un chimiste autrichien, est celui qui a inventé le "manchon" de coton trempé dans un mélange de nitrates de thorium et de cérium puis séché. Le procédé pour l'éclairage au gaz en camping : on brûle, lors du premier chauffage, le coton. Il reste alors la grille d'oxydes qui sont luminescent et donnent alors une flamme de couleur blanc verdâtre. Mais il existe de nombreuses autres utilisation. Par exemple, les pierres à briquet sont en ferrocérium, un alliage de fer entre 25 et 30% et de mischmétal à 70%. Puisque les terres rares sont facilement oxydables, l'abrasion va arracher des particules fines qui sont pyrophoriques, c'est à dire qu'elles s'enflamment à l'air et allument la flamme du gaz contenu dans le briquet. Puisque cette utilisation présente un faible coût, son utilisation est toujours d'actualité malgré la concurrence des piézoélectriques.
Le mischmétal est un mélange de terres cériques : 50% de cérium, 25% de lanthane, 17% de néodyme et d'autres terres rares "légères et non séparées".
Le polissage de précision en suspension aqueuse est une utilisation qui consomme énormément d'oxyde cérium (près de 24 000 tonnes d'oxyde de cérium sont utilisées chaque année dans ce secteur). Il est utilisé pour remplacer l'oxyde de fer pour servir d'abrasif de finition pour les verres de lunettes, les tubes de télévision, les écrans LCD ou encore les wafers de silicium. L'oxydation des impuretés d'oxyde de fer, dans le but de décolorer le verre, ou le traitement anti-brunissant (pour les verres exposés aux rayonnements ioniques comme les tubes cathodiques ou la stérilisation UV), demande une utilisation du cérium IV à 1 ou 2% dans la composition du verre. Les propriétés d'oxydoréduction du cérium (Ce2O3/CeO2) sont utilisées en catalyse. Dans la vie de tout les jours, on peut prendre l'exemple des catalyseurs automobiles de post-combustion puisque la cérine joue le rôle de régulateur en pression d'oxygène grâce à l'équilibre 
Il ne faut surtout pas oublier que les tubes à décharges et les lampes à basse consommation d'énergie possèdent des revêtements luminophores intérieurs comportant, en plus de l'oxyde d'yttrium, 11% d'oxydes de cérium et des pourcentages plus ou moins variables d'europium, de lanthane et de terbium. Le quota d'exportation du cérium instauré par la Chine (voir la partie Production) expose ainsi les fabricants à des risques de rupture d'approvisionnement. C'est pour cela que certains industriels, comme Rhodia, seront peut-être amenés à privilégier un autre secteur, celui de la catalyse, au détriment du secteur verrier. Le cérium est également utilisé dans le domaine médical sous forme de nitrate de cérium dans certaines crèmes ou dans des pansements pour soigner les brûlures graves. L'organisme, en réaction au cérium, va produire des calcifications superficielles qui vont alors diminuer les possibilités de développement des colonies bactériennes. Il limite également la cicatrisation hypertrophique des brûlures. Le cérium est donc utilisé pour nous éclairer, pour polir, pour purifier notre air mais aussi pour soigner les brûlures !
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La chimie minérale prend la plus grande partie dans le monde actuel dans toutes les domaines de la vie que sa soit en médecine, en enseignement… pour quoi pas sur tout le plan national ?
Bonjour Faustin, merci pour votre intérêt. Il nous fera plaisir de vous aider ! Avez-vous essayé de contacter l’un de nos professeurs pour recevoir une aide personnalisée ? Excellente journée ! 🙂