El cerio es un elemento químico con el símbolo Ce y número atómico 58. El cerio es un metal blando , dúctil y plateado que se empaña cuando se expone al aire, y es lo suficientemente suave como para cortarlo con un cuchillo de cocina de acero. El cerio es el segundo elemento de la serie de lantánidos , y aunque a menudo muestra el estado de oxidación +3 característico de la serie, también tiene un estado estable +4 que no se oxida en agua. También se considera uno de los elementos de tierras raras . El cerio no tiene ningún papel biológico en los seres humanos y no es muy tóxico.
Cerio | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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Pronunciación | / S ɪər i ə m / | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Apariencia | blanco plateado | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Peso atómico estándar A r, estándar (Ce) | 140.116 (1) [1] | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Cerio en la tabla periódica | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Número atómico ( Z ) | 58 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Grupo | grupo n / a | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Período | período 6 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Cuadra | bloque f | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Configuración electronica | [ Xe ] 4f 1 5d 1 6s 2 [2] | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Electrones por capa | 2, 8, 18, 19, 9, 2 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Propiedades físicas | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Fase en STP | sólido | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Punto de fusion | 1068 K (795 ° C, 1463 ° F) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Punto de ebullición | 3716 K (3443 ° C, 6229 ° F) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Densidad (cerca de rt ) | 6,770 g / cm 3 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
cuando es líquido (a mp ) | 6,55 g / cm 3 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Calor de fusión | 5,46 kJ / mol | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Calor de vaporización | 398 kJ / mol | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Capacidad calorífica molar | 26,94 J / (mol · K) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Presión de vapor
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Propiedades atómicas | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Estados de oxidación | +1, +2, +3 , +4 (un óxido levemente básico ) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Electronegatividad | Escala de Pauling: 1,12 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Energías de ionización |
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Radio atómico | empírico: 181.8 pm | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Radio covalente | 204 ± 9 pm | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Líneas espectrales de cerio | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Otras propiedades | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Ocurrencia natural | primordial | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Estructura cristalina | doble empaquetada hexagonal (dhcp) β-Ce | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Estructura cristalina | cúbico centrado en la cara (fcc) γ-Ce | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Velocidad de sonido varilla fina | 2100 m / s (a 20 ° C) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Expansión térmica | γ, poli: 6,3 µm / (m⋅K) (a rt ) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Conductividad térmica | 11,3 W / (m⋅K) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Resistividad electrica | β, poli: 828 nΩ⋅m (a rt ) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Orden magnético | paramagnético [3] | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Susceptibilidad magnética molar | (β) 2 450 0,0 × 10 -6 cm 3 / mol (293 K) [4] | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
El módulo de Young | Forma γ: 33,6 GPa | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Módulo de corte | Forma γ: 13,5 GPa | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Módulo de volumen | Forma γ: 21,5 GPa | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Relación de Poisson | forma γ: 0,24 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Dureza de Mohs | 2.5 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Dureza Vickers | 210–470 MPa | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Dureza Brinell | 186–412 MPa | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Número CAS | 7440-45-1 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Historia | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Nombrar | en honor al planeta enano Ceres , que lleva el nombre de la deidad romana de la agricultura Ceres | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Descubrimiento | Martin Heinrich Klaproth , Jöns Jakob Berzelius , Wilhelm Hisinger (1803) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Primer aislamiento | Carl Gustaf Mosander (1838) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Isótopos principales del cerio | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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A pesar de que siempre se presenta en combinación con otros elementos de tierras raras en minerales como los de los grupos monacita y bastnäsite , el cerio es fácil de extraer de sus minerales, ya que se puede distinguir entre los lantánidos por su capacidad única de oxidarse a la +4 estado. Es el más común de los lantánidos, seguido del neodimio , lantano y praseodimio . Es el vigésimo sexto elemento más abundante , y constituye 66 ppm de la corteza terrestre, la mitad que el cloro y cinco veces más que el plomo .
Cerium fue el primero de los lantánidos en ser descubierto, en Bastnäs , Suecia, por Jöns Jakob Berzelius y Wilhelm Hisinger en 1803, e independientemente por Martin Heinrich Klaproth en Alemania en el mismo año. En 1839 Carl Gustaf Mosander se convirtió en el primero en aislar el metal. Hoy en día, el cerio y sus compuestos tienen una variedad de usos: por ejemplo, el óxido de cerio (IV) se usa para pulir vidrio y es una parte importante de los convertidores catalíticos . El cerio metálico se utiliza en encendedores de ferrocerio por sus propiedades pirofóricas . El fósforo YAG dopado con cerio se utiliza junto con diodos emisores de luz azul para producir luz blanca en la mayoría de las fuentes de luz LED blancas comerciales.
Caracteristicas
Físico
El cerio es el segundo elemento de la serie de lantánidos . En la tabla periódica, aparece entre los lantánidos lantano a su izquierda y el praseodimio a su derecha, y por encima del actínido torio . Es un metal dúctil con una dureza similar a la de la plata . [5] Sus 58 electrones están dispuestos en la configuración [Xe] 4f 1 5d 1 6s 2 , de los cuales los cuatro electrones externos son electrones de valencia . [6] Los niveles de energía 4f, 5d y 6s están muy próximos entre sí, y la transferencia de un electrón a la capa 5d se debe a una fuerte repulsión interelectrónica en la capa compacta 4f. Este efecto se ve abrumado cuando el átomo se ioniza positivamente; así, Ce 2+ por sí solo tiene en cambio la configuración regular [Xe] 4f 2 , aunque en algunas soluciones sólidas puede ser [Xe] 4f 1 5d 1 . [7] La mayoría de los lantánidos pueden usar solo tres electrones como electrones de valencia, ya que luego los electrones 4f restantes están demasiado unidos: el cerio es una excepción debido a la estabilidad de la capa f vacía en Ce 4+ y al hecho de que viene muy temprano en la serie de lantánidos, donde la carga nuclear es todavía lo suficientemente baja hasta el neodimio para permitir la eliminación del cuarto electrón de valencia por medios químicos. [8]
El cerio tiene una estructura electrónica variable . La energía del electrón 4f es casi la misma que la de los electrones externos 5d y 6s que están deslocalizados en el estado metálico, y solo se requiere una pequeña cantidad de energía para cambiar la ocupación relativa de estos niveles electrónicos. Esto da lugar a estados de valencia duales. Por ejemplo, se produce un cambio de volumen de aproximadamente el 10% cuando el cerio se somete a altas presiones o bajas temperaturas. Parece que la valencia cambia de aproximadamente 3 a 4 cuando se enfría o se comprime. [9]
Alótropos
Se sabe que existen cuatro formas alotrópicas de cerio a presión estándar, y se les da las etiquetas comunes de α a δ: [10]
- La forma de alta temperatura, δ-cerio, tiene una estructura cristalina bcc ( cúbica centrada en el cuerpo ) y existe por encima de 726 ° C.
- La forma estable por debajo de 726 ° C hasta aproximadamente la temperatura ambiente es el γ-cerio, con una estructura cristalina fcc ( cúbica centrada en la cara ).
- La forma de β-cerio DHCP (doble empaquetamiento hexagonal ) es la estructura de equilibrio aproximadamente desde la temperatura ambiente hasta -150 ° C.
- La forma fcc α-cerio es estable por debajo de aproximadamente -150 ° C; tiene una densidad de 8,16 g / cm 3 .
- Otras fases sólidas que ocurren solo a altas presiones se muestran en el diagrama de fases.
- Tanto las formas γ como β son bastante estables a temperatura ambiente, aunque la temperatura de transformación de equilibrio se estima en alrededor de 75 ° C. [10]
A temperaturas más bajas, el comportamiento del cerio se complica por las lentas velocidades de transformación. Las temperaturas de transformación están sujetas a histéresis sustancial y los valores aquí citados son aproximados. Al enfriarse por debajo de -15 ° C, el γ-cerio comienza a cambiar a β-cerio, pero la transformación implica un aumento de volumen y, a medida que se forman más β, las tensiones internas se acumulan y suprimen la transformación adicional. [10] El enfriamiento por debajo de aproximadamente -160 ° C iniciará la formación de α-cerio, pero esto es solo a partir del γ-cerio restante. El β-cerio no se transforma significativamente en α-cerio excepto en presencia de tensión o deformación. [10] A presión atmosférica, el cerio líquido es más denso que su forma sólida en el punto de fusión. [5] [11] [12]
Isótopos
El cerio natural se compone de cuatro isótopos: 136 Ce (0,19%), 138 Ce (0,25%), 140 Ce (88,4%) y 142 Ce (11,1%). Los cuatro son observacionalmente estables , aunque teóricamente se espera que los isótopos ligeros 136 Ce y 138 Ce experimenten una desintegración beta doble inversa a isótopos de bario , y se espera que el isótopo 142 Ce más pesado experimente una desintegración beta doble a 142 Nd o una desintegración alfa a 138 Licenciado en Letras. Además, 140 Ce liberaría energía tras la fisión espontánea . Ninguno de estos modos de desintegración se ha observado todavía, aunque se ha buscado experimentalmente la desintegración beta doble de 136 Ce, 138 Ce y 142 Ce. Los límites experimentales actuales para sus vidas medias son: [13]
- 136 Ce:> 3,8 × 10 16 y
- 138 Ce:> 5,7 × 10 16 y
- 142 Ce:> 5,0 × 10 16 y
Todos los demás isótopos de cerio son sintéticos y radiactivos . Los más estables de ellos son 144 Ce con una vida media de 284,9 días, 139 Ce con una vida media de 137,6 días y 141 Ce con una vida media de 32,5 días. Todos los demás isótopos de cerio radiactivo tienen una vida media de menos de cuatro días y la mayoría de ellos tiene una vida media de menos de diez minutos. [13] Los isótopos entre 140 Ce y 144 Ce inclusive se producen como productos de fisión del uranio . [13] El modo de desintegración primario de los isótopos más ligeros que 140 Ce es la desintegración beta inversa o la captura de electrones a isótopos de lantano , mientras que el de los isótopos más pesados es la desintegración beta a isótopos de praseodimio . [13]
La rareza de los 136 Ce y 138 Ce ricos en protones se explica por el hecho de que no se pueden producir en los procesos más comunes de nucleosíntesis estelar para elementos más allá del hierro, el proceso s ( captura lenta de neutrones ) y el proceso r ( captura rápida de neutrones). Esto se debe a que el flujo de reacción del proceso s los pasa por alto, y los nucleidos del proceso r están bloqueados para que no se descompongan en ellos mediante más nucleidos estables ricos en neutrones. Dichos núcleos se denominan núcleos p , y su origen aún no se comprende bien: algunos mecanismos especulados para su formación incluyen la captura de protones y la fotodisintegración . [14] 140 Ce es el isótopo más común de cerio, ya que se puede producir tanto en el proceso s como en el proceso r, mientras que el 142 Ce solo se puede producir en el proceso r. Otra razón de la abundancia de 140 Ce es que es un núcleo mágico , que tiene una capa de neutrones cerrada (tiene 82 neutrones) y, por lo tanto, tiene una sección transversal muy baja para una mayor captura de neutrones. Aunque su número de protones 58 no es mágico, se le otorga estabilidad adicional, ya que sus ocho protones adicionales más allá del número mágico 50 entran y completan el orbital de protones 1g 7/2 . [14] Las abundancias de isótopos de cerio pueden diferir muy levemente en las fuentes naturales, porque 138 Ce y 140 Ce son hijas de los radionucleidos primordiales de larga vida 138 La y 144 Nd, respectivamente. [13]
Química
El cerio se empaña en el aire, formando una capa de óxido que se desprende como el óxido del hierro ; una muestra del tamaño de un centímetro de cerio metálico se corroe por completo en aproximadamente un año. [15] Se quema fácilmente a 150 ° C para formar el óxido de cerio (IV) de color amarillo pálido , también conocido como ceria: [16]
- Ce + O 2 → CeO 2
Este se puede reducir a óxido de cerio (III) con gas hidrógeno. [17] El cerio metálico es altamente pirofórico , lo que significa que cuando se muele o se raya, las virutas resultantes se incendian. [18] Esta reactividad se ajusta a las tendencias periódicas , ya que el cerio es uno de los primeros y, por tanto, uno de los lantánidos más grandes (por radio atómico ). [19] El óxido de cerio (IV) tiene la estructura de fluorita , similar a los dióxidos de praseodimio y terbio . También se conocen muchos calcogenuros no estequiométricos , junto con el trivalente Ce 2 Z 3 (Z = S , Se , Te ). Los monocalcogenuros CeZ conducen la electricidad y sería mejor formularlos como Ce 3+ Z 2− e - . Si bien se conocen CeZ 2 , son policalcogenuros con cerio (III): los calcogenuros de cerio (IV) siguen siendo desconocidos. [17]
El cerio es un metal altamente electropositivo y reacciona con el agua. La reacción es lenta con agua fría, pero se acelera al aumentar la temperatura, produciendo hidróxido de cerio (III) e hidrógeno gaseoso: [16]
- 2 Ce (s) + 6 H 2 O (l) → 2 Ce (OH) 3 (aq) + 3 H 2 (g)
El cerio metálico reacciona con todos los halógenos para dar trihaluros: [16]
- 2 Ce (s) + 3 F 2 (g) → 2 CeF 3 (s) [blanco]
- 2 Ce (s) + 3 Cl 2 (g) → 2 CeCl 3 (s) [blanco]
- 2 Ce (s) + 3 Br 2 (g) → 2 CeBr 3 (s) [blanco]
- 2 Ce (s) + 3 I 2 (g) → 2 CeI 3 (s) [amarillo]
La reacción con un exceso de flúor produce el tetrafluoruro blanco estable CeF 4 ; los otros tetrahaluros no se conocen. De los dihaluros, sólo se conoce el diyoduro de bronce CeI 2 ; como los diyoduros de lantano, praseodimio y gadolinio , este es un compuesto de electruro de cerio (III) . [20] Los verdaderos compuestos de cerio (II) están restringidos a unos pocos complejos de organocerio inusuales. [21] [22]
El cerio se disuelve fácilmente en ácido sulfúrico diluido para formar soluciones que contienen iones incoloros Ce 3+ , que existen como [Ce (H
2O)
9]3+
complejos: [16]
- 2 Ce (s) + 3 H 2 SO 4 (aq) → 2 Ce 3+ (aq) + 3 SO2−
4(ac) + 3 H 2 (g)
La solubilidad del cerio es mucho mayor en ácido metanosulfónico . [23] El cerio (III) y el terbio (III) tienen bandas de absorción ultravioleta de intensidad relativamente alta en comparación con los otros lantánidos, ya que sus configuraciones (un electrón más que una subcapa f vacía o medio llena, respectivamente) facilitan la electrón f extra para someterse a transiciones f → d en lugar de las transiciones f → f prohibidas de los otros lantánidos. [24] El sulfato de cerio (III) es una de las pocas sales cuya solubilidad en agua disminuye con el aumento de temperatura. [25]
Las soluciones acuosas de cerio (IV) se pueden preparar haciendo reaccionar soluciones de cerio (III) con los agentes oxidantes fuertes peroxodisulfato o bismutato . El valor de E ⦵ (Ce 4+ / Ce 3+ ) varía ampliamente dependiendo de las condiciones debido a la relativa facilidad de complejación e hidrólisis con varios aniones, aunque +1,72 V es un valor generalmente representativo; el de E ⦵ (Ce 3+ / Ce) es −2,34 V. El cerio es el único lantánido que tiene una química acuosa y de coordinación importante en el estado de oxidación +4. [26] [27] Debido a la transferencia de carga de ligando a metal , los iones acuosos de cerio (IV) son de color amarillo anaranjado. [28] El cerio acuoso (IV) es metaestable en agua [29] [27] y es un agente oxidante fuerte que oxida el ácido clorhídrico para dar cloro gaseoso. [26] Por ejemplo, el nitrato de amonio cérico es un agente oxidante común en la química orgánica , que libera ligandos orgánicos de los carbonilos metálicos . [30] En la reacción de Belousov-Zhabotinsky , el cerio oscila entre los estados de oxidación +4 y +3 para catalizar la reacción. [31] Las sales de cerio (IV), especialmente el sulfato de cerio (IV) , se utilizan a menudo como reactivos estándar para el análisis volumétrico en valoraciones cerimétricas . [32]
El complejo de nitrato [Ce (NO
3)
6]2−
es el complejo de cerio más común que se encuentra cuando se usa cerio (IV) es un agente oxidante: él y su análogo de cerio (III) [Ce (NO
3)
6]3−
tienen geometría molecular icosaédrica de 12 coordenadas , mientras que [Ce (NO
3)
6]2−
tiene una geometría molecular dodecadeltaédrica bicaptada de 10 coordenadas . Los nitratos de cerio también forman complejos 4: 3 y 1: 1 con 18-corona-6 (la relación se refiere a la que existe entre el cerio y el éter corona ). Iones complejos que contienen halógenos como CeF4−
8, CeF2−
6, y el CeCl naranja2−
6también son conocidos. [26]
La química del organocerio es similar a la de los otros lantánidos , siendo principalmente la de los compuestos ciclopentadienilo y ciclooctatetraenilo . El compuesto de cerio (III) ciclooctatetraenilo ceroceno (Ce (C 8 H 8 ) 2 ) adopta la estructura molecular del uranoceno . [33] Los derivados de alquil , alquinil y alquenil organocerio se preparan a partir de la transmetalación de los respectivos reactivos de organolitio o de Grignard , y son más nucleófilos pero menos básicos que sus precursores.
Cerio (IV)
A pesar del nombre común de los compuestos de cerio (IV), el espectroscopista japonés Akio Kotani escribió "no hay un ejemplo genuino de cerio (IV)". [ cita requerida ] La razón de esto se puede ver en la estructura de la ceria misma, que siempre contiene algunas vacantes octaédricas donde se esperaría que vayan los átomos de oxígeno y podría considerarse mejor como un compuesto no estequiométrico con fórmula química CeO 2− x . Además, cada átomo de cerio en ceria no pierde los cuatro electrones de valencia, pero retiene una retención parcial en el último, lo que resulta en un estado de oxidación entre +3 y +4. [34] [35] Incluso los compuestos supuestamente puramente tetravalentes como CeRh 3 , CeCo 5 o la ceria en sí tienen espectros de fotoemisión y absorción de rayos X más característicos de los compuestos de valencia intermedia. [36] El electrón 4f en ceroceno, Ce (C
8H
8)
2, se sitúa ambiguamente entre estar localizado y deslocalizado y este compuesto también se considera intermedio-valente. [35]
Historia
El cerio fue descubierto en Bastnäs en Suecia por Jöns Jakob Berzelius y Wilhelm Hisinger , e independientemente en Alemania por Martin Heinrich Klaproth , ambos en 1803. [37] Berzelius nombró al cerio en honor al planeta enano Ceres , descubierto dos años antes. [37] [38] El propio planeta enano lleva el nombre de la diosa romana de la agricultura, los cultivos de cereales, la fertilidad y las relaciones maternas, Ceres . [37]
El cerio se aisló originalmente en forma de su óxido, que se denominó ceria , término que todavía se utiliza. El metal en sí era demasiado electropositivo para ser aislado por la tecnología de fundición actual, una característica de los metales de tierras raras en general. Después del desarrollo de la electroquímica por Humphry Davy cinco años más tarde, las tierras pronto produjeron los metales que contenían. Ceria, como se aisló en 1803, contenía todos los lantánidos presentes en el mineral de cerita de Bastnäs, Suecia, y por lo tanto solo contenía alrededor del 45% de lo que ahora se sabe que es ceria pura. No fue hasta que Carl Gustaf Mosander logró eliminar lanthana y la "didymia" a fines de la década de 1830 que la ceria se obtuvo pura. Wilhelm Hisinger era un rico propietario de una mina, científico aficionado y patrocinador de Berzelius. Poseía y controlaba la mina de Bastnäs, y había estado tratando durante años de averiguar la composición de la abundante y pesada roca de ganga (el "Tungsteno de Bastnäs", que a pesar de su nombre no contenía tungsteno ), ahora conocida como cerita, que él tenía en la mía. [38] Mosander y su familia vivieron durante muchos años en la misma casa que Berzelius, y Berzelius indudablemente convenció a Mosander de que investigara más a Ceria. [39] [40] [41] [42]
El elemento jugó un papel en el Proyecto Manhattan , donde se investigaron compuestos de cerio en el sitio de Berkeley como materiales para crisoles de fundición de uranio y plutonio . [43] Por esta razón, se desarrollaron nuevos métodos para la preparación y fundición de cerio dentro del alcance del proyecto hijo de Ames (hoy en día Laboratorio Ames ). [44] La producción de cerio extremadamente puro en Ames comenzó a mediados de 1944 y continuó hasta agosto de 1945. [44]
Ocurrencia y producción
El cerio es el más abundante de todos los lantánidos y constituye 66 ppm de la corteza terrestre; este valor está justo detrás del del cobre (68 ppm), y el cerio es incluso más abundante que los metales comunes como el plomo (13 ppm) y el estaño (2,1 ppm). Por lo tanto, a pesar de su posición como uno de los llamados metales de tierras raras , el cerio en realidad no es raro en absoluto. [45] El contenido de cerio en el suelo varía entre 2 y 150 ppm, con un promedio de 50 ppm; el agua de mar contiene 1,5 partes por billón de cerio. [38] El cerio se encuentra en varios minerales, pero las fuentes comerciales más importantes son los minerales de los grupos monacita y bastnäsite , donde constituye aproximadamente la mitad del contenido de lantánidos. Monacita- (Ce) es el representante más común de las monazitas, siendo "-Ce" el sufijo de Levinson que informa sobre el predominio del representante particular del elemento REE. [46] [47] [48] También el bastnäsite- (Ce) de cerio dominante es el más importante de los bastnäsites. [49] [46] El cerio es el lantánido más fácil de extraer de sus minerales porque es el único que puede alcanzar un estado de oxidación estable +4 en solución acuosa. [50] Debido a la menor solubilidad del cerio en el estado de oxidación +4, el cerio a veces se agota de las rocas en relación con los otros elementos de tierras raras y se incorpora al circón , ya que Ce 4+ y Zr 4+ tienen la misma carga y radios iónicos similares. [51] En casos extremos, el cerio (IV) puede formar sus propios minerales separados de los otros elementos de tierras raras, como la cerianita (Ce, Th) O
2(correctamente llamado cerianita- (Ce) [52] [48] [46] ). [53] [54] [55]
Bastnäsite, Ln III CO 3 F, generalmente carece de torio y los lantánidos pesados más allá del samario y el europio , y por lo tanto la extracción de cerio es bastante directa. Primero, el bastnäsite se purifica, usando ácido clorhídrico diluido para eliminar las impurezas de carbonato de calcio . Luego, el mineral se tuesta en el aire para oxidarlo a los óxidos de lantánidos: mientras que la mayoría de los lantánidos se oxidarán a los sesquióxidos Ln 2 O 3 , el cerio se oxidará al dióxido CeO 2 . Este es insoluble en agua y se puede lixiviar con ácido clorhídrico 0,5 M, dejando atrás los otros lantánidos. [50]
El procedimiento para la monacita, (Ln, Th) PO
4, que generalmente contiene todas las tierras raras, así como torio, está más involucrado. La monacita, debido a sus propiedades magnéticas, puede separarse mediante una separación electromagnética repetida. Después de la separación, se trata con ácido sulfúrico concentrado caliente para producir sulfatos de tierras raras solubles en agua. Los filtrados ácidos se neutralizan parcialmente con hidróxido de sodio a pH 3-4. El torio precipita de la solución en forma de hidróxido y se elimina. Después de eso, la solución se trata con oxalato de amonio para convertir las tierras raras en sus oxalatos insolubles . Los oxalatos se convierten en óxidos por recocido. Los óxidos se disuelven en ácido nítrico, pero el óxido de cerio es insoluble en HNO 3 y, por lo tanto, se precipita. [12] Se debe tener cuidado al manipular algunos de los residuos, ya que contienen 228 Ra , la hija de 232 Th, que es un fuerte emisor de rayos gamma. [50]
Aplicaciones
Mantos de gas y aleaciones pirofóricas
El primer uso del cerio fue en mantos de gas , inventados por el químico austriaco Carl Auer von Welsbach . En 1885, había experimentado previamente con mezclas de óxidos de magnesio , lantano e itrio, pero estos dieron una luz teñida de verde y no tuvieron éxito. [56] Seis años más tarde, descubrió que el óxido de torio puro producía una luz mucho mejor, aunque azul, y que mezclarlo con dióxido de cerio daba como resultado una luz blanca brillante. [57] Además, el dióxido de cerio también actúa como catalizador para la combustión del óxido de torio.
Esto resultó en un gran éxito comercial para von Welsbach y su invención, y creó una gran demanda de torio; su producción dio como resultado la extracción simultánea de una gran cantidad de lantánidos como subproductos. [58] Pronto se encontraron aplicaciones para ellos, especialmente en la aleación pirofórica conocida como " mischmetal " compuesta de 50% de cerio, 25% de lantano y el resto son los otros lantánidos, que se usa ampliamente para pedernales más ligeros. [58] Por lo general, el hierro también se agrega para formar una aleación conocida como ferrocerio , también inventada por von Welsbach. [59] Debido a las similitudes químicas de los lantánidos, generalmente no se requiere separación química para sus aplicaciones, como la mezcla de mischmetal en acero para mejorar su resistencia y trabajabilidad, o como catalizadores para el craqueo del petróleo. [50] Esta propiedad del cerio salvó la vida del escritor Primo Levi en el campo de concentración de Auschwitz , cuando encontró un suministro de aleación de ferrocerio y lo cambió por comida. [60]
Especies de Ce (IV)
Ceria es el compuesto de cerio más utilizado. La principal aplicación de la ceria es como compuesto de pulido, por ejemplo en la planarización químico-mecánica (CMP). En esta aplicación, la ceria ha reemplazado a otros óxidos metálicos para la producción de superficies ópticas de alta calidad. [59] Las principales aplicaciones automotrices del sesquióxido inferior son como convertidor catalítico para la oxidación de emisiones de CO y NO x en los gases de escape de los vehículos de motor. [61] [62] Ceria también se ha utilizado como sustituto de su congénere radiactivo. thoria , por ejemplo en la fabricación de electrodos utilizados en la soldadura por arco de tungsteno con gas , donde la ceria como elemento de aleación mejora la estabilidad del arco y la facilidad de arranque al tiempo que disminuye la combustión. [63]
El sulfato de cerio (IV) se utiliza como agente oxidante en análisis cuantitativos. El cerio (IV) en soluciones de ácido metanosulfónico se aplica en electrosíntesis a escala industrial como oxidante reciclable. [64] El nitrato de amonio cérico se utiliza como oxidante en química orgánica y en el grabado de componentes electrónicos, y como patrón principal para análisis cuantitativos. [5] [65]
Pigmentos y fósforos
La fotoestabilidad de los pigmentos se puede mejorar mediante la adición de cerio, ya que proporciona a los pigmentos solidez a la luz y evita que los polímeros transparentes se oscurezcan con la luz solar. [ cita requerida ]
Un ejemplo de un compuesto de cerio usado solo como pigmento inorgánico es el sulfuro de cerio (III) rojo vivo (rojo de sulfuro de cerio), que permanece químicamente inerte hasta temperaturas muy altas. El pigmento es una alternativa más segura a los pigmentos a base de seleniuro de cadmio, resistentes a la luz pero tóxicos . [38]
La adición de óxido de cerio a las placas de vidrio de televisión de tubos de rayos catódicos más antiguas fue beneficiosa, ya que suprime el efecto de oscurecimiento de la creación de defectos en el centro F debido al bombardeo continuo de electrones durante la operación.
El cerio también es un componente esencial como dopante para los fósforos utilizados en pantallas de TV CRT, lámparas fluorescentes y, posteriormente , diodos emisores de luz blanca . [66] [67] El ejemplo más comúnmente utilizado es el granate de itrio aluminio dopado con cerio (III) (Ce: YAG) que emite luz verde a amarillo verdosa (550–530 nm) y también se comporta como un centelleador .
Otras aleaciones y refractarios
Las sales de cerio, como los sulfuros Ce 2 S 3 y Ce 3 S 4 , fueron consideradas durante el Proyecto Manhattan como materiales refractarios avanzados para la construcción de crisoles que podrían resistir las altas temperaturas y las condiciones fuertemente reductoras al fundir plutonio metálico. [43] [44] A pesar de las propiedades deseables, estos sulfuros nunca fueron ampliamente adoptados debido a problemas prácticos con su síntesis. [43]
El cerio se utiliza como elemento de aleación en el aluminio para crear aleaciones de aluminio eutécticas moldeables con 6–16% en peso de Ce, a las que se pueden añadir más Mg y / o Si; estas aleaciones Al-Ce tienen una excelente resistencia a altas temperaturas y son adecuadas para aplicaciones automotrices, por ejemplo, en culatas de cilindros . [68] Otras aleaciones de cerio incluyen Pu-Ce y Pu-Ce-Co plutonio aleaciones , que se han utilizado como combustible nuclear .
Papel biológico y precauciones
Peligros | |
---|---|
Pictogramas GHS | |
Palabra de señal GHS | Peligro |
Declaraciones de peligro GHS | H228 , H302 , H312 , H332 , H315 , H319 , H335 |
Consejos de prudencia del SGA | P210 , P261 , P280 , P301 , P312 , P330 , P305 , P351 , P338 , P370 , P378 [69] |
NFPA 704 (diamante de fuego) | 2 0 0 |
El cerio no tiene ningún papel biológico conocido en los seres humanos, pero tampoco es muy tóxico; no se acumula en la cadena alimentaria de forma apreciable. Debido a que a menudo se encuentra junto con el calcio en los minerales de fosfato, y los huesos son principalmente fosfato de calcio , el cerio puede acumularse en los huesos en pequeñas cantidades que no se consideran peligrosas. Se sabe que el cerio, al igual que los otros lantánidos, afecta el metabolismo humano, reduce los niveles de colesterol, la presión arterial, el apetito y el riesgo de coagulación sanguínea. [ cita requerida ]
El nitrato de cerio es un tratamiento antimicrobiano tópico eficaz para las quemaduras de tercer grado , [38] [70] aunque grandes dosis pueden provocar intoxicación por cerio y metahemoglobinemia . [71] Los primeros lantánidos actúan como cofactores esenciales para la metanol deshidrogenasa de la bacteria metanotrófica Methylacidiphilum fumariolicum SolV, para la cual el lantano, el cerio, el praseodimio y el neodimio solos son casi igualmente efectivos. [72]
Como todos los metales de tierras raras, el cerio tiene una toxicidad de baja a moderada. Fuerte agente reductor, se enciende espontáneamente en el aire entre 65 y 80 ° C. Los humos de los incendios de cerio son tóxicos. No se debe usar agua para detener los incendios de cerio, ya que el cerio reacciona con el agua para producir gas hidrógeno. Los trabajadores expuestos al cerio han experimentado picazón, sensibilidad al calor y lesiones cutáneas. El cerio no es tóxico cuando se ingiere, pero los animales inyectados con grandes dosis de cerio han muerto debido al colapso cardiovascular. [38] El cerio es más peligroso para los organismos acuáticos, debido a que daña las membranas celulares, pero este no es un riesgo importante porque no es muy soluble en agua. [38]
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