Cerio

Elemento químico con número atómico 58 (Ce)
Cerio,  58 d. C.
Cerio
Pronunciación/ ˈ s ɪər i ə m / ​( VIDENTE -ee-əm )
Aparienciablanco plateado
Peso atómico estándar A r °(Ce)
  • 140,116 ± 0,001 [1]
  • 140,12 ± 0,01  ( abreviado ) [2]
El cerio en la tabla periódica
HidrógenoHelio
LitioBerilioBoroCarbónNitrógenoOxígenoFlúorNeón
SodioMagnesioAluminioSilicioFósforoAzufreCloroArgón
PotasioCalcioEscandioTitanioVanadioCromoManganesoHierroCobaltoNíquelCobreZincGalioGermanioArsénicoSelenioBromoCriptón
RubidioEstroncioItrioCirconioNiobioMolibdenoTecnecioRutenioRodioPaladioPlataCadmioIndioEstañoAntimonioTelurioYodoXenón
CesioBarioLantanoCerioPraseodimioNeodimioPrometeoSamarioEuropioGadolinioTerbioDisprosioHolmioErbioTulioIterbioLutecioHafnioTantalioTungstenoRenioOsmioIridioPlatinoOroMercurio (elemento)TalioDirigirBismutoPolonioAstatoRadón
FrancioRadioActinioTorioProtactinioUranioNeptunioPlutonioAmericioCurioBerkelioCalifornioEinstenioFermioMendelevioNobelioLawrenceRutherfordioDubnioSeaborgioBohrioHassioMeitnerioDarmstadtioRoentgenioCopérnicoNihonioFlerovioMoscovioLivermorioTennesseeOganesón
–
↑
Ce
↓
Th
lantano ← cerio → praseodimio
Número atómico ( Z )58
Grupogrupos de bloques f (sin número)
Períodoperíodo 6
Bloquear  bloque f
Configuración electrónica[ Xe ] 4f 1 5d 1 6s 2 [3]
Electrones por capa2, 8, 18, 19, 9, 2
Propiedades físicas
Fase en  STPsólido
Punto de fusión1068  K (795 °C, 1463 °F)
Punto de ebullición3716 K (3443 °C, 6229 °F)
Densidad (a 20° C)β-Ce: 6,689 g/cm 3
γ-Ce: 6,769 g/cm 3  [4]
Cuando está líquido (a  punto de fusión )6,55 g/ cm3
Calor de fusión5,46  kJ/mol
Calor de vaporización398 kJ/mol
Capacidad calorífica molar26,94 J/(mol·K)
Presión de vapor
P  (Pa)1101001 k10 mil100 mil
en  T  (K)199221942442275431593705
Propiedades atómicas
Estados de oxidacióncomún: +3, +4
+1, ? +2 [5]
ElectronegatividadEscala de Pauling: 1,12
Energías de ionización
  • 1º: 534,4 kJ/mol
  • 2º: 1050 kJ/mol
  • 3º: 1949 kJ/mol
  • ( más )
Radio atómicoempírico: 181,8  pm
Radio covalente204±21 horas
Líneas de color en un rango espectral
Líneas espectrales del cerio
Otras propiedades
Ocurrencia naturalprimordial
Estructura cristalinaβ-Ce: ​doble empaquetamiento hexagonal compacto (dhcp) ( hP4 )
Constantes de red
Estructura cristalina compacta de doble hexágono para β-Ce: cerio
a  = 0,36811 nm
c  = 1,1857 nm (a 20 °C) [4]
Estructura cristalinaγ-Ce: cúbico centrado en las caras (fcc) ( cF4 )
Constante de red
Estructura cristalina cúbica centrada en las caras para γ-Ce: cerio
a  = 0,51612 nm (a 20 °C) [4]
Expansión térmicaβ-Ce:6,1 × 10 −6 /K
γ-Ce:6,1 × 10 −6 /K (a 20 °C) [4]
Conductividad térmica11,3 W/(m⋅K)
Resistividad eléctricaβ-Ce, poli: 828 nΩ⋅m (a  rt )
Ordenamiento magnéticoparamagnético [6]
Susceptibilidad magnética molarβ-Ce:+2 450 ,0 × 10 −6  cm 3 /mol (293 K) [7]
Módulo de Youngγ-Ce: 33,6 GPa
Módulo de corteγ-Ce: 13,5 GPa
Módulo volumétricoγ-Ce: 21,5 GPa
Velocidad del sonido varilla delgada2100 m/s (a 20 °C)
Relación de Poissonγ-Ce: 0,24
Dureza de Mohs2.5
Dureza Vickers210–470 MPa
Dureza Brinell186–412 MPa
Número CAS7440-45-1
Historia
Nombramientoen honor al planeta enano Ceres , que a su vez lleva el nombre de la deidad romana de la agricultura Ceres
DescubrimientoMartín Heinrich Klaproth , Jöns Jakob Berzelius , Wilhelm Hisinger (1803)
Primer aislamientoCarl Gustaf Mosander (1838)
Isótopos del cerio
Isótopos principales [8]Decadencia
abundanciavida media ( t 1/2 )modoproducto
134 d. C.sintetizador3,16 díasmi134 La
136 d. C.0,186%estable
138 d. C.0,251%estable
139 d. C.sintetizador137.640 díasmi139 La
140 d. C.88,4%estable
141 d. C.sintetizador32.501 díasβ −141 Pr
142 d. C.11,1%estable
143 d. C.sintetizador33.039 horasβ −143 Pr
144 d. C.sintetizador284.893 díasβ −144 Pr
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El cerio es un elemento químico ; su símbolo es Ce y su número atómico es 58. Es un metal blando , dúctil y de color blanco plateado que se empaña cuando se expone al aire. El cerio es el segundo elemento de la serie de los lantánidos y, aunque a menudo muestra el estado de oxidación +3 característico de la serie, también tiene un estado estable +4 que no oxida el agua. Se considera uno de los elementos de tierras raras . El cerio no tiene ningún papel biológico conocido en los seres humanos, pero no es particularmente tóxico, excepto con una exposición intensa o continua.

A pesar de que siempre se presenta en combinación con los demás elementos de tierras raras en minerales como los de los grupos de la monacita y la bastnäsita , el cerio es fácil de extraer de sus menas, ya que se puede distinguir entre los lantánidos por su capacidad única de oxidarse al estado +4 en solución acuosa. Es el más común de los lantánidos, seguido del neodimio , el lantano y el praseodimio . Su abundancia estimada en la corteza terrestre es de 68  ppm .

El cerio fue el primer lantánido que se descubrió en Bastnäs , Suecia. Fue descubierto 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 fue 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 utiliza para pulir el 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.

Características

Físico

El cerio es el segundo elemento de la serie de los lantánidos . En la tabla periódica, aparece entre los lantánidos lantano a su izquierda y praseodimio a su derecha, y por encima del actínido torio . Es un metal dúctil con una dureza similar a la de la plata . [9] 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 . [10] Los niveles de energía 4f, 5d y 6s están muy cerca uno del otro, 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 superado cuando el átomo está ionizado positivamente; por lo tanto, 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 . [11] La mayoría de los lantánidos pueden usar sólo tres electrones como electrones de valencia, ya que después los electrones 4f restantes están demasiado fuertemente unidos: el cerio es una excepción debido a la estabilidad de la capa f vacía en Ce 4+ y al hecho de que aparece muy temprano en la serie de los lantánidos, donde la carga nuclear todavía es lo suficientemente baja hasta el neodimio para permitir la eliminación del cuarto electrón de valencia por medios químicos. [12]

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 dual. Por ejemplo, se produce un cambio de volumen de aproximadamente el 10% cuando el cerio se somete a altas presiones o bajas temperaturas. En su fase de alta presión (α-Cerio), los electrones 4f también están deslocalizados e itinerantes, a diferencia de los electrones 4f localizados en la fase de baja presión (γ-Cerio). [13] Parece que la valencia cambia de aproximadamente 3 a 4 cuando se enfría o se comprime. [14]

Propiedades químicas del elemento

Al igual que los demás lantánidos, el cerio metálico es un buen agente reductor , ya que tiene un potencial de reducción estándar de E ⦵  = −2,34 V para el par Ce 3+ /Ce. [15] Se empaña en el aire y forma una capa de óxido pasivante como el óxido de hierro . Una muestra de un centímetro de cerio metálico se corroe por completo en aproximadamente un año. Más dramáticamente, el cerio metálico puede ser altamente pirofórico : [16]

Ce+ O2 → CeO2

Al ser altamente electropositivo , el cerio reacciona con el agua. La reacción es lenta con agua fría, pero se acelera con el aumento de temperatura, produciendo hidróxido de cerio (III) y gas hidrógeno: [17]

2 Ce + 6 H 2 O → 2 Ce (OH) 3 + 3 H 2

Alótropos

Diagrama de fases del cerio
Diagrama de fases del cerio

Se sabe que existen cuatro formas alotrópicas de cerio a presión estándar y se les dan las etiquetas comunes de α a δ: [18]

  • La forma de alta temperatura, δ-cerio, tiene una estructura cristalina bcc ( cúbica centrada en el cuerpo ) y existe por encima de los 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 las caras ).
  • La forma DHCP (doble empaquetamiento hexagonal cerrado ) del β-cerio tiene una estructura de equilibrio aproximadamente desde 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 .
  • En el diagrama de fases se muestran otras fases sólidas que sólo se producen a altas presiones.
  • Tanto las formas γ como β son bastante estables a temperatura ambiente, aunque la temperatura de transformación de equilibrio se estima en 75 °C. [18]

A temperaturas más bajas, el comportamiento del cerio se complica por las lentas tasas de transformación. Las temperaturas de transformación están sujetas a una histéresis sustancial y los valores citados aquí son aproximados. Al enfriarse por debajo de los −15 °C, el γ-cerio comienza a transformarse en β-cerio, pero la transformación implica un aumento de volumen y, a medida que se forma más β, las tensiones internas se acumulan y suprimen la transformación posterior. [18] Al enfriarse por debajo de aproximadamente los −160 °C, comenzará la formación de α-cerio, pero esto solo se produce a partir del γ-cerio restante. El β-cerio no se transforma significativamente en α-cerio excepto en presencia de tensión o deformación. [18] A presión atmosférica, el cerio líquido es más denso que su forma sólida en el punto de fusión. [9] [19] [20]

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 estables desde el punto de vista observacional , aunque se espera teóricamente que los isótopos ligeros 136 Ce y 138 Ce experimenten una doble captura de electrones para formar isótopos de bario , y se espera que el isótopo más pesado 142 Ce experimente una doble desintegración beta para formar 142 Nd o una desintegración alfa para formar 138 Ba. Por lo tanto, 140 Ce es el único isótopo teóricamente estable . Ninguno de estos modos de desintegración se ha observado aún, aunque se ha buscado experimentalmente la doble desintegración beta de 136 Ce, 138 Ce y 142 Ce. Los límites experimentales actuales para sus vidas medias son: [21]

136 Ce: >3,8×10 16 años
138 Ce: >5,7×10 16 años
142 Ce: >5,0×10 16 años

Todos los demás isótopos de cerio son sintéticos y radiactivos . Los más estables de ellos son el 144 Ce con una vida media de 284,9 días, el 139 Ce con una vida media de 137,6 días y el 141 Ce con una vida media de 32,5 días. Todos los demás isótopos radiactivos de cerio tienen vidas medias inferiores a cuatro días, y la mayoría de ellos tienen vidas medias inferiores a diez minutos. [21] Los isótopos entre 140 Ce y 144 Ce inclusive se producen como productos de fisión del uranio . [21] El modo de desintegración principal de los isótopos más ligeros que el 140 Ce es la desintegración beta inversa o captura de electrones a isótopos de lantano , mientras que el de los isótopos más pesados ​​es la desintegración beta a isótopos de praseodimio . [21] Algunos isótopos de neodimio pueden desintegrarse en alfa o se predice que se desintegrarán a isótopos de cerio. [22]

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 son ignorados por el flujo de reacción del proceso s, y los nucleidos del proceso r no pueden desintegrarse en ellos por nucleidos estables más ricos en neutrones. Dichos núcleos se denominan núcleos p , y su origen aún no se entiende bien: algunos mecanismos especulados para su formación incluyen la captura de protones y la fotodesintegración . [23] El 140 Ce es el isótopo más común del cerio, ya que se puede producir tanto en el proceso s como en el r, mientras que el 142 Ce solo se puede producir en el proceso r. Otra razón para 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 hacia una mayor captura de neutrones. Aunque su número de protones de 58 no es mágico, se le otorga estabilidad adicional, ya que sus ocho protones adicionales más allá del número mágico 50 ingresan y completan el orbital de protones 1g 7/2 . [23] Las abundancias de los isótopos de cerio pueden diferir muy ligeramente en fuentes naturales, porque 138 Ce y 140 Ce son los hijos de los radionucleidos primordiales de larga vida 138 La y 144 Nd, respectivamente. [21]

Compuestos

El cerio existe en dos estados de oxidación principales, Ce(III) y Ce(IV). Este par de estados de oxidación adyacentes domina varios aspectos de la química de este elemento. Las soluciones acuosas de cerio(IV) pueden prepararse 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 complexación e hidrólisis con varios aniones, aunque +1,72 V es representativo. El cerio es el único lantánido que tiene una química acuosa y de coordinación importante en el estado de oxidación +4. [15]

Haluros

El cerio forma los cuatro trihaluros CeX 3 (X = F, Cl, Br, I) generalmente por reacción de los óxidos con los haluros de hidrógeno. Los haluros anhidros son sólidos paramagnéticos, higroscópicos y de color pálido. Tras la hidratación, los trihaluros se convierten en complejos que contienen complejos acuosos [Ce(H 2 O) 8-9 ] 3+ . A diferencia de la mayoría de los lantánidos, el Ce forma un tetrafluoruro, un sólido blanco. También forma un diyoduro de color bronce, que tiene propiedades metálicas. [24] Aparte de las fases de haluro binario, se conocen varios complejos de haluro aniónicos. El fluoruro da los derivados de Ce(IV) CeF4−8y CeF2−6El cloruro da el color naranja CeCl .2−6. [15]

Óxidos y calcogenuros

El óxido de cerio (IV) ("ceria") tiene la estructura de fluorita , de manera similar a los dióxidos de praseodimio y terbio . La ceria es un compuesto no estequiométrico , lo que significa que la fórmula real es CeO 2−x , donde x es aproximadamente 0,2. Por lo tanto, el material no se describe perfectamente como Ce (IV). La ceria se reduce a óxido de cerio (III) con gas hidrógeno. [25] 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 se formularían mejor como Ce 3+ Z 2− e − . Si bien se conocen los CeZ 2 , son policalcogenuros con cerio (III): se desconocen los derivados de cerio (IV) de S, Se y Te. [25]

Complejos de cerio (IV)

Nitrato de amonio cérico
Nitrato de amonio cérico

El compuesto nitrato de amonio cérico (CAN) (NH 4 ) 2 [Ce(NO 3 ) 6 ] es el compuesto de cerio más común encontrado en el laboratorio. Los seis ligandos de nitrato se unen como ligandos bidentados . El complejo [Ce(NO 3 ) 6 ] 2− es 12-coordinado, un alto número de coordinación que enfatiza el gran tamaño del ion Ce 4+ . CAN es un oxidante popular en síntesis orgánica , tanto como reactivo estequiométrico [26] como catalizador. [27] Es económico, estable en el aire, fácil de manipular y de baja toxicidad. [27] Opera por redox de un electrón. Los nitratos de cerio también forman complejos 4:3 y 1:1 con 18-corona-6 (la relación que se refiere a la entre el nitrato y el éter corona ). Clásicamente, CAN es un estándar primario para análisis cuantitativo. [9] [28] Las sales de cerio (IV), especialmente el sulfato de cerio (IV) , se utilizan a menudo como reactivos estándar para el análisis volumétrico en titulaciones cerimétricas . [29]

Un LED blanco en funcionamiento
Un LED blanco en funcionamiento: el diodo produce luz azul monocromática, pero el fósforo Ce:YAG convierte parte de ella en luz amarilla; el ojo humano percibe la combinación como blanca.

Debido a la transferencia de carga de ligando a metal , los iones de cerio (IV) acuoso son de color amarillo anaranjado. [30] El cerio (IV) acuoso es metaestable en agua [31] y es un agente oxidante fuerte que oxida el ácido clorhídrico para producir gas cloro . [15] En la reacción de Belousov-Zhabotinsky , el cerio oscila entre los estados de oxidación +4 y +3 para catalizar la reacción. [32]

Compuestos de organocerio

La química del organocerio es similar a la de los otros lantánidos , a menudo involucrando complejos de ligandos de ciclopentadienilo y ciclooctatetraenilo . El ceroceno (Ce(C 8 H 8 ) 2 ) adopta la estructura molecular del uranoceno . [33] El electrón 4f en el ceroceno está equilibrado ambiguamente entre estar localizado y deslocalizado y este compuesto se considera de valencia intermedia. [34] Los derivados de organocerio de alquilo , alquinilo y alquenilo se preparan a partir de la transmetalación de los respectivos reactivos de organolitio o Grignard , y son más nucleofílicos pero menos básicos que sus precursores. [35] [36]

Historia

El planeta enano Ceres.
El planeta enano y asteroide Ceres , que da nombre al cerio
Jöns Jakob Berzelius
Jöns Jakob Berzelius, uno de los descubridores del cerio

El cerio fue descubierto en Bastnäs , 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 asteroide Ceres , formalmente 1 Ceres, descubierto dos años antes. [37] [38] En ese momento, inicialmente se consideró que Ceres era un planeta . El asteroide lleva el nombre de la diosa romana Ceres , diosa de la agricultura, los cultivos de cereales, la fertilidad y las relaciones maternales. [37]

El cerio se aisló originalmente en forma de óxido, que se denominó ceria , un término que todavía se utiliza. El metal en sí era demasiado electropositivo para ser aislado mediante la tecnología de fundición de la época, 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 raras pronto produjeron los metales que contenían. La ceria, tal 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 la lantana y la "didimia" a fines de la década de 1830 que se obtuvo la ceria pura. Wilhelm Hisinger era un rico propietario de una mina y científico aficionado, y patrocinador de Berzelius. Él era el propietario y el controlador de la mina de Bastnäs, y había estado tratando durante años de averiguar la composición de la abundante roca ganga pesada (el "tungsteno de Bastnäs", que a pesar de su nombre no contenía tungsteno ), ahora conocida como cerita, que tenía en su mina. [38] Mosander y su familia vivieron durante muchos años en la misma casa que Berzelius, y sin duda Berzelius convenció a Mosander para que investigara más sobre la 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 para la 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 de la hija de Ames (ahora el 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 el 25º elemento más abundante, constituyendo 68  ppm de la corteza terrestre. [45] Este valor es el mismo del cobre , y el cerio es incluso más abundante que 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. [46] 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 presenta en varios minerales, pero las fuentes comerciales más importantes son los minerales de los grupos de la monacita y la bastnäsita , donde constituye aproximadamente la mitad del contenido de lantánidos. La monacita-(Ce) es el representante más común de las monacitas, siendo "-Ce" el sufijo de Levinson que informa sobre el predominio del elemento REE particular representante. [47] [48] [49] También la bastnäsita-(Ce), con predominio de cerio, es la más importante de las bastnäsitas. [50] [47] 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. [51] 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. [52] En casos extremos, el cerio (IV) puede formar sus propios minerales separados de los otros elementos de tierras raras, como la cerianita -(Ce) [53] [49] [47] y (Ce,Th)O 2 . [54]

Estructura cristalina de la basntäsita-(Ce).
Estructura cristalina de la bastnasita-(Ce). Código de colores: carbono, C, gris azulado; flúor, F, verde; cerio, Ce, blanco; oxígeno, O, rojo.

La bastnasita, Ln III CO 3 F, suele carecer de torio y de los lantánidos pesados ​​más allá del samario y el europio , y por lo tanto la extracción de cerio de ella es bastante directa. Primero, la bastnasita se purifica, utilizando ácido clorhídrico diluido para eliminar las impurezas de carbonato de calcio . Luego, el mineral se tuesta al 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. [51]

El procedimiento para la monacita , (Ln,Th)PO 4 , que normalmente contiene todas las tierras raras, así como el torio, es más complejo. La monacita, debido a sus propiedades magnéticas, se puede separar mediante separación electromagnética repetida. Después de la separación, se trata con ácido sulfúrico concentrado caliente para producir sulfatos solubles en agua de tierras raras. Los filtrados ácidos se neutralizan parcialmente con hidróxido de sodio a pH 3-4. El torio precipita de la solución como 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 mediante recocido. Los óxidos se disuelven en ácido nítrico, pero el óxido de cerio es insoluble en HNO 3 y, por lo tanto, precipita. [20] 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 gamma. [51]

Aplicaciones

Carl Auer von Welsbach
Carl Auer von Welsbach, quien descubrió muchas aplicaciones del cerio

El cerio tiene dos aplicaciones principales, ambas utilizan CeO 2 . La aplicación industrial del ceria es para el pulido, especialmente la planarización químico-mecánica (CMP). En su otra aplicación principal, el CeO 2 se utiliza para decolorar el vidrio. Funciona convirtiendo las impurezas ferrosas teñidas de verde en óxidos férricos casi incoloros. [55] El ceria también se ha utilizado como sustituto de su congénere radiactivo torio , por ejemplo en la fabricación de electrodos utilizados en la soldadura por arco de tungsteno con gas , donde el ceria como elemento de aleación mejora la estabilidad del arco y la facilidad de arranque al tiempo que disminuye la quema. [56]

Mantos de gas y aleaciones pirofóricas

El primer uso del cerio fue en los mantos de gas , inventados por el químico austríaco Carl Auer von Welsbach . En 1885, había experimentado previamente con mezclas de óxidos de magnesio , lantano e itrio, pero estos dieron luz de color verde y no tuvieron éxito. [57] Seis años después, descubrió que el óxido de torio puro producía una luz mucho mejor, aunque azul, y que al mezclarlo con dióxido de cerio se obtenía una luz blanca brillante. [58] El dióxido de cerio también actúa como catalizador para la combustión del óxido de torio. [ cita requerida ]

Esto resultó en un éxito comercial para von Welsbach y su invento, y creó una gran demanda de torio. Su producción dio como resultado una gran cantidad de lantánidos que se extrajeron simultáneamente como subproductos. [59] Pronto se encontraron aplicaciones para ellos, especialmente en la aleación pirofórica conocida como " mischmetal " compuesta por 50% de cerio, 25% de lantano y el resto siendo los otros lantánidos, que se usa ampliamente para pedernales de encendedores. [59] Por lo general, se agrega hierro para formar la aleación ferrocerio , también inventada por von Welsbach. [60] Debido a las similitudes químicas de los lantánidos, generalmente no se requiere separación química para sus aplicaciones, como la adición de mischmetal al acero como modificador de inclusión para mejorar las propiedades mecánicas o como catalizadores para el craqueo del petróleo. [51] 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 intercambió por comida. [61]

Pigmentos y fósforos

La fotoestabilidad de los pigmentos se puede mejorar mediante la adición de cerio, ya que proporciona a los pigmentos resistencia a la luz y evita que los polímeros transparentes se oscurezcan con la luz solar. [62] Un ejemplo de un compuesto de cerio utilizado por sí 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 basados ​​en seleniuro de cadmio, resistentes a la luz pero tóxicos . [38] La adición de óxido de cerio a las placas de vidrio de los televisores de tubo de rayos catódicos más antiguos 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 el funcionamiento. El cerio también es un componente esencial como dopante para los fósforos utilizados en las pantallas de TV CRT, las lámparas fluorescentes y, posteriormente, los diodos emisores de luz blanca . [63] [64] El ejemplo más comúnmente utilizado es el granate de itrio y aluminio dopado con cerio (III) (Ce:YAG), que emite luz verde a verde amarillento (550–530 nm) y también se comporta como un centelleador . [65]

Otros usos

Las sales de cerio, como los sulfuros Ce2S3 y Ce3S4 , se consideraron durante el Proyecto Manhattan como materiales refractarios avanzados para la construcción de crisoles que pudieran soportar 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 aluminio para crear aleaciones de aluminio eutéctico fundibles con 6–16 % en peso de Ce, a las que se pueden agregar otros elementos como Mg, Ni, Fe y Mn. Estas aleaciones de Al-Ce tienen una excelente resistencia a altas temperaturas y son adecuadas para aplicaciones automotrices (por ejemplo, en culatas de cilindros ). [66] Otras aleaciones de cerio incluyen las aleaciones de plutonio Pu-Ce y Pu-Ce-Co , que se han utilizado como combustible nuclear . [67]

Otras aplicaciones automotrices para el sesquióxido inferior son como convertidor catalítico para la oxidación de emisiones de CO y NOx en los gases de escape de los vehículos de motor. [68] [69]

Papel biológico y precauciones

Cerio
Peligros
Etiquetado SGA : [70]
GHS02: Inflamable
Peligro
H228
P210
NFPA 704 (rombo cortafuegos)
NFPA 704 diamante de cuatro coloresHealth 2: Intense or continued but not chronic exposure could cause temporary incapacitation or possible residual injury. E.g. chloroformFlammability 0: Will not burn. E.g. waterInstability 0: Normally stable, even under fire exposure conditions, and is not reactive with water. E.g. liquid nitrogenSpecial hazards (white): no code
2
0
0
Compuesto químico

Se ha descubierto que los primeros lantánidos son esenciales para algunas bacterias metanotróficas que viven en los lodazales volcánicos , como Methylacidiphilum fumariolicum : el lantano, el cerio, el praseodimio y el neodimio son aproximadamente igualmente eficaces. [71] [72] No se sabe que el cerio tenga un papel biológico en otros organismos, pero tampoco es muy tóxico; no se acumula en la cadena alimentaria en un grado apreciable. [73] [74] [75] Debido a que a menudo se presenta 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. [76]

El nitrato de cerio es un tratamiento antimicrobiano tópico eficaz para quemaduras de tercer grado , [38] [77] aunque dosis grandes pueden provocar intoxicación por cerio y metahemoglobinemia . [78] Los primeros lantánidos actúan como cofactores esenciales para la metanol deshidrogenasa de la bacteria metanotrófica Methylacidiphilum fumariolicum SolV, para la que el lantano, el cerio, el praseodimio y el neodimio por sí solos son aproximadamente igualmente eficaces. [79]

Como todos los metales de tierras raras, el cerio tiene una toxicidad baja a moderada. [80] Es un agente reductor fuerte y se enciende espontáneamente en el aire a una temperatura de 65 a 80 °C. Los humos de los incendios de cerio son tóxicos. [38] El cerio reacciona con el agua para producir gas hidrógeno, por lo que los incendios de cerio solo se pueden extinguir de manera efectiva utilizando medios de extinción de polvo seco de clase D. [81] Los trabajadores expuestos al cerio han experimentado picazón, sensibilidad al calor y lesiones en la piel. El cerio no es tóxico cuando se ingiere, pero los animales a los que se les inyectaron grandes dosis de cerio han muerto debido a colapso cardiovascular. El cerio es más peligroso para los organismos acuáticos porque daña las membranas celulares; no es muy soluble en agua y puede causar contaminación ambiental. [38]

El óxido de cerio, el compuesto de cerio más frecuente en aplicaciones industriales, no está regulado en los Estados Unidos por la Administración de Seguridad y Salud Ocupacional (OSHA) como una sustancia peligrosa. [82] En Rusia, su límite de exposición ocupacional es de 5 mg/m 3 . [80] El cerio elemental no tiene límites de exposición ocupacional o permisibles establecidos por la OSHA o la Conferencia Americana de Higienistas Industriales Gubernamentales , aunque está clasificado como un sólido inflamable y regulado como tal bajo el Sistema Globalmente Armonizado de Clasificación y Etiquetado de Productos Químicos . [83] Los informes toxicológicos sobre los compuestos de cerio han señalado su citotoxicidad [80] y contribuciones a la fibrosis intersticial pulmonar en los trabajadores. [84]

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Bibliografía

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