Óxido de cerio (IV)

Para el otro compuesto también conocido como óxido de cerio, consulte Óxido de cerio (III) .

Óxido de cerio (IV)

Nombres
Nombre IUPAC Óxido de cerio (IV)
Otros nombres Óxido cérico, ceria, dióxido de cerio
Identificadores
Número CAS	1306-38-3 Y 12014-56-1 (hidratar) Y
Modelo 3D ( JSmol )	Imagen interactiva
CHEBI	CHEBI: 79089 norte
ChemSpider	8395107 Y
Tarjeta de información ECHA	100.013.774
PubChem CID	73963
UNII	619G5K328Y norte 20GT4M7CWG  (hidratado) Y
Tablero CompTox ( EPA )	DTXSID4040214
InChI InChI = 1S / Ce.2O / q + 4; 2 * -2 Y Clave: OFJATJUUUCAKMK-UHFFFAOYSA-N Y InChI = 1 / Ce.2O / q + 4; 2 * -2 Clave: OFJATJUUUCAKMK-UHFFFAOYAX
Sonrisas [O-2] = [Ce + 4] = [O-2]
Propiedades
Fórmula química	Director ejecutivo 2
Masa molar	172,115 g / mol
Apariencia	sólido blanco o amarillo pálido, ligeramente higroscópico
Densidad	7.215 g / cm 3
Punto de fusion	2.400 ° C (4.350 ° F; 2.670 K)
Punto de ebullición	3500 ° C (6330 ° F; 3770 K)
solubilidad en agua	insoluble
Susceptibilidad magnética (χ)	+ 26,0 · 10 −6 cm 3 / mol
Estructura
Estructura cristalina	sistema de cristal cúbico , cF12 ( fluorita ) [1]
Grupo espacial	Fm 3 m, # 225
Constante de celosía	a  = 5,41 Å [2] , b  = 5,41 Å, c  = 5,41 Å α = 90 °, β = 90 °, γ = 90 °
Geometría de coordinación	Ce, 8, O cúbico , 4, tetraédrico
Riesgos
NFPA 704 (diamante de fuego)	1 0 0
Compuestos relacionados
Compuestos relacionados	Óxido de cerio (III)
Salvo que se indique lo contrario, los datos se proporcionan para materiales en su estado estándar (a 25 ° C [77 ° F], 100 kPa).
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Referencias de Infobox

Compuesto químico

Óxido de cerio (IV) , también conocido como óxido cérico , dióxido de cerio , óxido de cerio , óxido de cerio o dióxido de cerio , es un óxido del metal de tierra rara de cerio . Es un polvo de color amarillo pálido con la fórmula química CeO ₂ . Es un producto comercial importante e intermedio en la purificación del elemento de los minerales. La propiedad distintiva de este material es su conversión reversible a un óxido no estequiométrico . ^[3]

Producción

El cerio se produce naturalmente como una mezcla con otros elementos de tierras raras en sus principales minerales bastnaesita y monacita . Después de la extracción de los iones metálicos en una base acuosa, el Ce se separa de esa mezcla mediante la adición de un oxidante seguido de un ajuste del pH. Este paso aprovecha la baja solubilidad del CeO ₂ y el hecho de que otros elementos de tierras raras resisten la oxidación. ^[3]

El óxido de cerio (IV) se forma mediante la calcinación de oxalato de cerio o hidróxido de cerio .

El cerio también forma óxido de cerio (III) , Ce
₂O
₃, que es inestable y se oxidará a óxido de cerio (IV). ^[4]

Estructura y comportamiento del defecto

El óxido de cerio adopta la estructura de fluorita , grupo espacial Fm 3 m, # 225 que contiene Ce ^{4+ de} 8 coordenadas y O ^{2− de} 4 coordenadas . A altas temperaturas, libera oxígeno para dar una forma deficiente en aniones no estequiométrica que retiene la red de fluorita. ^[5] Este material tiene la fórmula CeO _{(2− x )} , donde 0 < x <0.28. ^[6] El valor de x depende de la temperatura, la terminación de la superficie y la presión parcial de oxígeno. La ecuacion

${\displaystyle {\frac {x}{0.35-x}}=\left({\frac {106\,000{\text{ Pa}}}{P_{\mathrm {O} _{2}}}}\right)^{0.217}\exp \left({\frac {-195.6{\text{ kJ/mol}}}{RT}}\right)}$

Se ha demostrado que predice el equilibrio no estequiométrico x en un amplio rango de presiones parciales de oxígeno (10 ³ –10 ^–4 Pa) y temperaturas (1000–1900 ° C). ^[7]

La forma no estequiométrica tiene un color azul a negro y exhibe conducción tanto iónica como electrónica, siendo la iónica la más significativa a temperaturas> 500 ° C. ^[8]

El número de vacantes de oxígeno se mide con frecuencia mediante el uso de espectroscopía de fotoelectrones de rayos X para comparar la relación de Ce³⁺
a Ce⁴⁺
.

Química de defectos

En la fase de fluorita más estable de la ceria, presenta varios defectos dependiendo de la presión parcial de oxígeno o el estado de tensión del material. ^{[9] [10] [11] [12]}

Los principales defectos de preocupación son las vacantes de oxígeno y los pequeños polarones (electrones localizados en los cationes de cerio). El aumento de la concentración de defectos de oxígeno aumenta la velocidad de difusión de los aniones de óxido en la red como se refleja en un aumento de la conductividad iónica . Estos factores dan a la ceria un rendimiento favorable en aplicaciones como electrolito sólido en pilas de combustible de óxido sólido . La ceria sin dopar y dopada también exhibe una alta conductividad electrónica a bajas presiones parciales de oxígeno debido a la reducción del ion cerio que conduce a la formación de pequeños polarones . Dado que los átomos de oxígeno en un cristal de ceria se encuentran en planos, la difusión de estos aniones es fácil. La velocidad de difusión aumenta a medida que aumenta la concentración del defecto.

La presencia de vacantes de oxígeno en los planos de ceria terminales gobierna la energía de las interacciones de ceria con moléculas de adsorbato y su humectabilidad . El control de tales interacciones superficiales es clave para aprovechar la ceria en aplicaciones catalíticas. ^[13]

Ocurrencia natural

El óxido de cerio (IV) se produce de forma natural como el mineral cerianita- (Ce) . ^{[14] [15]} Es un raro ejemplo de mineral de cerio tetravalente, los otros ejemplos son la estetindita- (Ce) y la dyrnaesita- (La) . El sufijo "- (Ce)" se conoce como modificador de Levinson y se usa para mostrar qué elemento domina en un sitio particular de la estructura. ^[16] A menudo se encuentra en nombres de minerales que contienen elementos de tierras raras (REE). La presencia de cerianita- (Ce) está relacionada con algunos ejemplos de anomalías de cerio , donde el Ce, que se oxida fácilmente, se separa de otros REE que permanecen trivalentes y, por lo tanto, se ajustan a estructuras de otros minerales distintos de la cerianita- (Ce). ^{[17][14] [15]}

Catálisis y actividad superficial

La principal aplicación emergente de los materiales de CeO ₂ aplicados se encuentra en el campo de la catálisis. Las superficies de ceria, en su fase de fluorita más estable, están dominadas por los planos de menor energía (111), que tienden a exhibir menor energía superficial. La reacción catalizada más comúnmente por el cerio (IV) es la reacción de cambio de gas de agua , que implica la oxidación del monóxido de carbono . Ceria se ha explorado para la catálisis de varias reacciones de conversión de hidrocarburos, incluida la metanización de CO ₂ y la oxidación catalítica de hidrocarburos como el tolueno . ^{[18] [19]}

La funcionalidad de la superficie del CeO ₂ proviene en gran parte de su hidrofobicidad intrínseca , un rasgo que es común entre los óxidos de tierras raras. La hidrofobicidad tiende a impartir resistencia a la desactivación por agua en las superficies de los catalizadores y, por tanto, mejora la adsorción de compuestos orgánicos. La hidrofobicidad, que puede verse a la inversa como organofilia, generalmente se asocia con un mayor rendimiento catalítico y es deseable en aplicaciones que involucran compuestos orgánicos y síntesis selectiva. ^[20]

La interconvertibilidad de los materiales CeO _x es la base del uso de ceria como catalizador de oxidación. Un uso pequeño pero ilustrativo es su uso en las paredes de hornos autolimpiantes como catalizador de oxidación de hidrocarburos durante el proceso de limpieza a alta temperatura. Otro ejemplo a pequeña escala pero famoso es su papel en la oxidación del gas natural en los mantos de gas . ^[21]

Un manto de linterna de gas blanco Coleman resplandeciente . El elemento incandescente es principalmente ThO 2 dopado con CeO ₂ , calentado por la oxidación catalizada por Ce del gas natural con aire.

Sobre la base de sus distintas interacciones de superficie, ceria encuentra un uso adicional como sensor en convertidores catalíticos en aplicaciones automotrices, controlando la relación aire-escape para reducir las emisiones de NO x y monóxido de carbono . ^[22]

Otras aplicaciones

Pulido

La principal aplicación industrial de la ceria es el pulido, especialmente la planarización químico-mecánica (CMP). ^[3] Para ello, ha desplazado a muchos otros óxidos que se utilizaban anteriormente, como el óxido de hierro y la zirconia . Para los aficionados, también se lo conoce como "colorete para ópticos". ^{[23] [24]}

Óptica

El CeO ₂ se utiliza para decolorar el vidrio convirtiendo las impurezas ferrosas teñidas de verde en óxidos férricos casi incoloros. ^[3]

El óxido de cerio ha encontrado uso en filtros infrarrojos , como una especie oxidante en convertidores catalíticos y como reemplazo del dióxido de torio en mantos incandescentes ^[25]

Conducción mixta

Debido a la importante conducción iónica y electrónica del óxido de cerio, es muy adecuado para su uso como conductor mixto , ^[26] con un valor significativo en la investigación y el desarrollo de pilas de combustible .

Aplicaciones biomédicas

Se han investigado las nanopartículas de óxido de cerio (nanoceria) por su actividad antibacteriana y antioxidante. ^[27]

Soldadura

El óxido de cerio se utiliza como una adición a los electrodos de tungsteno para la soldadura por arco de tungsteno con gas. Proporciona ventajas sobre los electrodos de tungsteno puro, como reducir la tasa de consumo de electrodos y facilitar el inicio y la estabilidad del arco. Los electrodos Ceria se introdujeron por primera vez en el mercado de EE. UU. En 1987 y son útiles en CA, Electrodo positivo de CC y Electrodo negativo de CC. Se pueden encontrar más detalles sobre estos electrodos en ASME BPVC.II.C SFA-5.12 Anexo B.

Investigar

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Fotocatálisis

Si bien es transparente para la luz visible, absorbe fuertemente la radiación ultravioleta , por lo que es un posible reemplazo del óxido de zinc y el dióxido de titanio en los protectores solares , ya que tiene una menor actividad fotocatalítica . ^[28] Sin embargo, sus propiedades catalíticas térmicas deben reducirse revistiendo las partículas con sílice amorfa o nitruro de boro . ^{[ cita requerida ]}

Celdas de combustible

Ceria es de interés como material para celdas de combustible de óxido sólido (SOFC) debido a su conductividad de iones de oxígeno relativamente alta (es decir, los átomos de oxígeno se mueven fácilmente a través de ella) a temperaturas intermedias (500-650 ° C) y una entalpía de asociación más baja en comparación con el sistema de Zirconia. . ^[29]

División de agua

El ciclo de óxido de cerio (IV)-óxido de cerio (III) o ciclo CeO ₂ / Ce ₂ O ₃ es un proceso termoquímico de separación de agua de dos pasos basado en óxido de cerio (IV) y óxido de cerio (III) para la producción de hidrógeno . ^[30]

Antioxidante

Nanoceria ha atraído la atención como antioxidante biológico. ^{[31] [32]}

Referencias

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enlaces externos

Wikimedia Commons tiene medios relacionados con el óxido de cerio (IV) .

• Webelements en la Universidad de Sheffield
• Síntesis y propiedades de la ceria (en inglés / ruso)