Cérium

Le cérium est un élément chimique, de symbole Ce et de numéro atomique 58. Il fait partie de la famille des lanthanides.

Cérium
Cérium sous argon.
Lanthane ← Cérium → Praséodyme —     58 Ce                                                                                                                                                                                                                                                                                           ↑ Ce ↓ Th Tableau complet Tableau étendu
Position dans le tableau périodique
Symbole	Ce
Nom	Cérium
Numéro atomique	58
Groupe	–
Période	6e période
Bloc	Bloc f
Famille d'éléments	Lanthanide
Configuration électronique	[Xe] 4f1 5d1 6s2
Électrons par niveau d’énergie	2, 8, 18, 19, 9, 2
Propriétés atomiques de l'élément
Masse atomique	140,116 ± 0,001 u[1]
Rayon atomique (calc)	185 pm
Rayon de covalence	204 ± 9 pm[2]
État d’oxydation	3,4
Électronégativité (Pauling)	1,12
Oxyde	Base
Énergies d’ionisation[3]
1re : 5,538 7 eV	2e : 10,85 eV
3e : 20,198 eV	4e : 36,758 eV
5e : 65,55 eV	6e : 77,6 eV
Isotopes les plus stables
Iso AN Période MD Ed PD MeV 134Ce {syn.} 3,16 j ε 0,500 134La 136Ce 0,19 % stable avec 78 neutrons 138Ce 0,25 % stable avec 80 neutrons 139Ce {syn.} 137,640 j ε 0,278 139La 140Ce 88,48 % stable avec 82 neutrons 141Ce {syn.} 32,501 j β- 0,581 141Pr 142Ce 11,08 % stable avec 84 neutrons 144Ce {syn.} 284,893 j β- 0,319 144Pr
Propriétés physiques du corps simple
État ordinaire	solide
Masse volumique	6,770 g·cm-3 (25 °C)[1]
Système cristallin	Hexagonal compact double
Dureté (Mohs)	2,5
Couleur	blanc argenté
Point de fusion	799 °C[1]
Point d’ébullition	3 443 °C[1]
Enthalpie de fusion	5,46 kJ·mol-1
Enthalpie de vaporisation	414 kJ·mol-1
Volume molaire	2,069×10-4 m3·mol-1
Vitesse du son	2 100 m·s-1 à 20 °C
Chaleur massique	190 J·kg-1·K-1
Conductivité électrique	1,15×106 S·m-1
Conductivité thermique	11,4 W·m-1·K-1
Divers
No CAS	7440-45-1[4]
No ECHA	100.028.322
Précautions
SGH[5]
Danger H228, H302, H312, H315, H319, H332, H335, P210, P261, P280, P305, P338 et P351 H228 : Matière solide inflammable H302 : Nocif en cas d'ingestion H312 : Nocif par contact cutané H315 : Provoque une irritation cutanée H319 : Provoque une sévère irritation des yeux H332 : Nocif par inhalation H335 : Peut irriter les voies respiratoires P210 : Tenir à l’écart de la chaleur/des étincelles/des flammes nues/des surfaces chaudes. — Ne pas fumer. P261 : Éviter de respirer les poussières/fumées/gaz/brouillards/vapeurs/aérosols. P280 : Porter des gants de protection/des vêtements de protection/un équipement de protection des yeux/du visage. P305 : En cas de contact avec les yeux : P338 : Enlever les lentilles de contact si la victime en porte et si elles peuvent être facilement enlevées. Continuer à rincer. P351 : Rincer avec précaution à l’eau pendant plusieurs minutes.
Unités du SI & CNTP, sauf indication contraire.
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Historique

Le cérium^[a] a été identifié en 1803 par Martin Heinrich Klaproth et pratiquement en même temps par Jöns Jacob Berzelius et Wilhelm Hisinger. Son nom fait référence à la planète naine « Cérès » découverte en janvier 1801^[6]. En 1825, il a été obtenu par Carl Gustav Mosander pour la première fois à l'état raisonnablement pur.

Isotopes

Le cérium naturel est composé de quatre isotopes : ¹³⁶Ce, ¹³⁸Ce, ¹⁴⁰Ce et ¹⁴²Ce.

Propriétés

Cérium ultra-pur dans une atmosphère d'argon.

Le cérium est un métal gris, le plus abondant du groupe des terres rares (abondance dans la nature de 48 ppm^[7]).

À température ambiante, il est malléable et s'oxyde rapidement à l'air.

Propriétés chimiques

Comme les autres lanthanides, le cérium métal est un agent réducteur, ayant un potentiel de réduction standard de E^⦵ = −2,34 V pour le couple Ce³⁺/Ce^[8]. Il ternit à l'air, formant une couche d'oxyde passivante comme la rouille de fer. Un échantillon de un centimètre cube de cérium métallique se corrode complètement en environ un an. De façon plus spectaculaire, le cérium métallique peut être hautement pyrophorique^[9] :

Ce + O₂ → CeO₂

Étant hautement électropositif, le cérium réagit avec l'eau. La réaction est lente avec de l'eau froide mais s'accélère lorsque la température s'accroît, produisant de l'hydroxyde de cérium(III) et de l'hydrogène gazeux^[10] :

2 Ce + 6 H₂O → 2 Ce(OH)₃ + 3 H₂

Phases du cérium pur

Diagramme de phase du cérium pur

Découvertes des terres rares.

Yttrium (1794) Yttrium Terbium (1843) Erbium (1843) Erbium Erbium Thulium (1879) Holmium (1879) Holmium Dysprosium (1886) Ytterbium (1878) Ytterbium Ytterbium Lutécium (1907) Scandium (1879) Cérium (1803) Cérium Lanthane (1839) Lanthane Didyme (1839) Didyme Néodyme (1885) Praséodyme (1885) Samarium (1879) Samarium Samarium Europium (1901) Gadolinium (1880) Prométhium (1947)

Diagrammes des découvertes des terres rares. Les dates entre parenthèses sont les dates d'annonces des découvertes[11]. Les branches représentent les séparations des éléments à partir d'un ancien (l'un des nouveaux éléments conservant le nom de l'ancien, sauf pour le didyme).

Utilisations

• Pierre à briquet : le cérium entre dans la composition du mischmétal, base des pierres à briquet.
• Polissage du verre : le dioxyde de cérium (CeO₂) est l'une des meilleures poudres de polissage du verre.
• Protection contre l'ionisation : les verres dopés à l'oxyde de cérium sont protégés contre l'effet de solarisation du rayonnement ultraviolet et la radioactivité qui provoquent un effet d'ionisation et brise les liaisons pontantes Si-O.
• Pots d'échappement : il est utilisé afin de diminuer les émissions nocives des moteurs Diesel (filtre à particules).
• Fours : il est utilisé (oxyde) dans le revêtement des fours « auto-nettoyants ».
• Elément d'alliage pour l'aluminium : les alliages d'aluminium contenant notamment du cérium sont notamment utilisés pour obtenir des alliages hautes performances (en particulier en termes de résistance à la rupture) adaptés à la fabrication additive^[12].
• Manchon à incandescence : l'oxyde de cérium est imprégné dans une gaine de tissu combustible utilisée dans les lampes à pétrole sous pression, sous l'effet de la chaleur celui-ci brille fortement.

• Autres utilisations : utilisé comme colorant du verre, dans les luminophores pour tubes cathodiques et également pour améliorer l'absorption des rayons X par la dalle des mêmes tubes.

Usage médical

Le cérium est utilisé sous forme de nitrate de cérium (en) (quelques pourcents) dans certaines crèmes^[b] ou dans des pansements (associé à la sulfadiazine argentique) pour soigner les brûlures graves^[13]. En réaction au cérium, l'organisme produit des calcifications superficielles qui diminuent les possibilités de colonisation bactérienne et préviennent « la formation d’un tissu de granulation (limitation de la cicatrisation hypertrophique) dans les brûlures »^[13].

Inoculé dans l'organisme, comme d'autres substances étrangères non dégradables, il peut induire un granulome ou une sarcoïdose, plus ou moins marquée selon le statut immunitaire de l'individu^[13].

Toxicité, écotoxicité

Elles sont mal connues (écotoxicité surtout),

• l'IRSN a produit une fiche pédagogique sur le radioisotope^[14].
• Dans un cas au moins, une patiente soignée par un pansement contenant de l'argent et du cérium après une brûlure grave a présenté une granulomatose au cérium^[13].
• Les nanoparticules de dioxyde de cérium (NP CeO₂) figurent dans la liste prioritaire des nanomatériaux manufacturés de l'OCDE devant faire l'objet d'une évaluation écotoxicologique. Des larves de chironome (Chironomus riparius) ont été exposées à des taux de 2,5, 25, 250 et 2500 mg de CeO₂ NP/kg de sédiments ; l'absorption du produit (larves vivant dans le sédiment), le stress oxydatif, les effets génotoxiques in vivo et quelques autres paramètres biologiques ont été étudiés : on n'a pas détecté de mortalité significative chez C. riparius ni de signes de stress oxydant mais elle a montré que la larve absorbe ce produit et qu'il est génotoxique (dès avant 25 mg/kg de sédiments, et de manière corrélée à la concentration. Ce moustique n'est pas mis en danger aux doses environnementales attendues, mais « l'accumulation importante de NP de CeO₂ par les larves de chironomidés peut présenter un risque par transfert trophique vers des organismes plus en amont de la chaîne alimentaire » concluent les auteurs ^[15]