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Cerio

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Cerio
58 Ce
-

Ce

Th
lantanoceriopraseodimio
Apariencia
blanco plateado
Propiedades generales
Nombre, símbolo, número cerio, Ce, 58
Pronunciación / s ɪər yo ə m /
Categoría metálico lantánidos
Grupo, período, bloque n / a, 6, F
Peso atómico estándar 140.116
Configuración electrónica [ Xe ] 4f 1 5d 1 6s 2
2, 8, 18, 19, 9, 2
Capas de electrones de cerio (2, 8, 18, 19, 9, 2)
Historia
Descubrimiento Martin Heinrich Klaproth, Jöns Jakob Berzelius, Wilhelm Hisinger (1803)
Primer aislamiento Carl Gustaf Mosander (1839)
Propiedades físicas
Fase sólido
Densidad (cerca rt) 6,770 g · cm -3
Líquido densidad en mp 6,55 g · cm -3
Punto de fusion 1068 K , 795 ° C, 1463 ° F
Punto de ebullicion 3716 K, 3443 ° C, 6229 ° F
Calor de fusión 5.46 kJ · mol -1
El calor de vaporización 398 kJ · mol -1
Capacidad calorífica molar 26.94 J · mol -1 · K -1
Presión del vapor
P (Pa) 1 10 100 1 k 10 k 100 k
en T (K) 1992 2194 2442 2754 3159 3705
Propiedades atómicas
Estados de oxidación 4, 3, 2, 1
(Levemente óxido básico)
Electronegatividad 1,12 (escala de Pauling)
Energías de ionización Primero: 534.4 kJ · mol -1
Segundo: 1050 kJ · mol -1
Tercero: 1949 kJ · mol -1
Radio atómico 181.8 pm
Radio covalente 204 ± 21:00
Miscelánea
Estructura cristalina cara cúbica centrada
El cerio tiene una estructura cristalina cúbica centrada en las caras
Ordenamiento magnético paramagnético
La resistividad eléctrica ( rt) (β, poli) 828 nΩ · m
Conductividad térmica 11.3 W · m -1 · K -1
Expansión térmica ( rt) (γ, poli) 6,3 m / (m · K)
Velocidad del sonido (varilla delgada) (20 ° C) 2100 m · s -1
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 270 MPa
Dureza Brinell 412 MPa
Número de registro del CAS 7440-45-1
La mayoría de los isótopos estables
Artículo principal: Los isótopos de cerio
iso N / A media vida DM DE ( MeV) DP
134 Ce syn 3,16 d ε 0,500 134 La
136 Ce 0,185% > 3,8 × 10 16 y β + β + 2,419 136 Ba
138 Ce 0,251% > 1,5 × 10 14 y β + β + 0,694 138 Ba
139 Ce syn 137.640 d ε 0,278 139 La
140 Ce 88.450% 140 Ce es estable con 82 neutrones
141 Ce syn 32.501 d β - 0,581 141 Pr
142 Ce 11.114% > 5 × 10 16 y β - β - 1,417 142 Nd
α 1,298 138 Ba
144 Ce syn 284.893 d β - 0,319 144 Pr

El cerio es un elemento químico con el símbolo Ce y número atómico 58. Es un plateado de metal blando, dúctil que se oxida fácilmente en el aire. Cerio fue nombrado después de la planeta enano Ceres (sí el nombre de la Diosa romana de la agricultura). El cerio es el más abundante de la elementos de tierras raras, que constituyen aproximadamente 0,0046% de la corteza terrestre en peso. Se encuentra en una serie de minerales, el ser más importante monacita y bastnasita. Las aplicaciones comerciales de cerio son numerosos. Ellos incluyen catalizadores, aditivos para combustible para reducir emisiones y al vidrio y esmaltes para cambiar su color. El óxido de cerio es un componente importante de polvos y los fósforos usados en pantallas y lámparas fluorescentes de vidrio pulido. También se utiliza en el "flint" (en realidad ferrocerium) de encendedores.

Características

Propiedades físicas

El cerio es un metal plateado, perteneciente a la lantánido grupo. Se asemeja a hierro en color y brillo, pero es suave, y ambos maleable y dúctil. El cerio es el tercer más largo líquido alcance de cualquier elemento: 2648 C ° (795 ° C a 3443 ° C) o 4766 F ° (1463 ° F a 6229 ° F). (Sólo neptunio y torio tienen rangos más líquidos.)

Diagrama de fases de cerio

El cerio tiene una estructura electrónica variable. La energía del nivel 4f interior es casi la misma que la de los electrones exteriores o de valencia, y se requiere sólo una pequeña energía para cambiar la ocupación relativa de estos niveles electrónicos. Esto da lugar a estados de valencia duales. Por ejemplo, un cambio de volumen de alrededor de 10% de cerio se produce cuando se somete a presiones altas o bajas temperaturas. Parece que la valencia cambia de aproximadamente 3 a 4 cuando se enfría o se comprime. El comportamiento de cerio a baja temperatura es compleja. Cuatro modificaciones alotrópicas se cree que existe: de cerio a temperatura ambiente y a presión atmosférica se conoce como γ-cerio. Después de enfriar a -16 ° C, los cambios de cerio-γ a β-cerio. El resto de aperturas-γ cerio para cambiar a α-cerio cuando se enfría a -172 ° C, y la transformación es completa a -269 ° C. α-cerio tiene una densidad de 8,16; existe δ-cerio encima 726 ° C. A presión atmosférica, cerio líquido es más denso que su forma sólida en el punto de fusión.

El cerio metal es altamente pirofórico, lo que significa que cuando se pica o se raya, las virutas resultantes se incendian.

Propiedades químicas

El cerio metálico empaña lentamente en el aire y se quema fácilmente a 150 ° C para formar de cerio (IV) óxido de:

Ce + O 2CeO2

El cerio es muy electropositivo y reacciona lentamente con el agua fría y bastante rápidamente con agua caliente para formar hidróxido de cerio:

2 Ce (s) + 6 H2O (l) → 2 Ce (OH) 3 (ac) + 3 H 2 (g)

El cerio metálico reacciona con todos los halógenos:

2 Ce (s) + 3 F 2 (g) → 2 CEF 3 (s) [blanco]
2 Ce (s) + 3 Cl 2 (g) → 2 CeCl3 (s) [blanco]
2 Ce (s) + 3 Br 2 (g) → 2 CeBr 3 (s) [blanco]
2 Ce (s) + 3 I 2 (g) → 2 Cel 3 (s) [amarilla]

El cerio se disuelve fácilmente en diluida de ácido sulfúrico para formar soluciones que contienen el incoloro Ce (III) iones, que existen como un [Ce (OH 2) 9] 3+ complejos:

2 Ce (s) + 3 H 2 SO 4 (ac) → 2 Ce 3+ (ac) + 3 SO 2-
4 (aq) + 3 H 2 (g)

Compuestos

El cerio (IV) sulfato

El cerio (IV) (céricos) sales son rojo anaranjado o amarillento, mientras que de cerio (III) sales (cerosas) son generalmente de color blanco o incoloro. Ambos estados de oxidación absorben fuertemente la luz ultravioleta. El cerio (III) puede ser utilizado para hacer gafas que sean incoloras, pero absorber luz ultravioleta casi por completo. El cerio se puede detectar fácilmente en mezclas de tierras raras por una prueba cualitativa muy sensibles: adición de amoniaco y peróxido de hidrógeno a una solución acuosa de los lantánidos produce un color marrón oscuro característico de cerio si está presente.

Cerio exhibe tres estados de oxidación , 2, 3 y 4. El estado 2 es poco frecuente y se observa en CEH 2, Cel 2 y CES. El compuesto más común de cerio es de cerio (IV) óxido (CeO2), que se utiliza como " Colorete del joyero ", así como en las paredes de algunos auto-limpieza de hornos. Dos común agentes oxidantes utilizados en valoraciones son (IV) (sulfato de amonio cérico, (NH 4) 2 Ce (SO 4 3)) de amonio de cerio y sulfato de cerio amonio (IV) nitrato (nitrato de amonio cérico o CAN, (NH 4) 2 Ce (NO 3 6)). Cerio también forma una cloruro, CeCl 3 o cloruro de cerio (III), utilizada para facilitar las reacciones en grupos carbonilo en la química orgánica . Otros compuestos incluyen cerio (III) carbonato (Ce 2 (CO 3) 3), de cerio (III) de fluoruro (CEF 3), óxido de cerio (III) (Ce 2 O 3), así como (IV) de sulfato de cerio (sulfato cérico, Ce (SO 4) 2) y cerio (III) triflato (Ce (OSO 2 CF 3) 3).

Los dos estados de oxidación de cerio difieren enormemente en basicidad: de cerio (III) es una base fuerte, comparable a los otros lantánidos trivalentes, pero de cerio (IV) es débil. Esta diferencia ha permitido siempre cerio sea de lejos, la otra forma un grupo muy difícil aislado más fácilmente y purificado de todos los lantánidos, de elementos para separar. Una amplia gama de procedimientos han ideado lo largo de los años para explotar la diferencia. Éstas incluyen:

  1. Lixiviación los hidróxidos mixtos con ácido nítrico diluido: los lantánidos trivalentes se disuelven en perfectas condiciones de cerio libre, y de cerio tetravalente permanece en el residuo insoluble como un concentrado que se purificó adicionalmente por otros medios. Una variación de este utiliza el ácido clorhídrico y los óxidos calcinados de bastnasita, pero la separación es menos agudo.
  2. Precipitantes de cerio de una solución de nitrato o cloruro con permanganato de potasio y carbonato de sodio en una proporción de 1: 4 molar.
  3. Hervir soluciones de nitrato de tierras raras con bromato de potasio y de mármol fichas.

Anteriormente utilizado comercialmente fue un método por el cual se añadió una solución de cerio (IV) en ácido nítrico para diluir el ácido sulfúrico. Esto causó cerio (IV) para precipitar en gran parte como una sal básica, dejando lantánido trivalente en la solución. Sin embargo, el precipitado finamente dividido era difícil de filtrar desde el medio altamente corrosivo. El uso de los métodos clásicos de separación de tierras raras, había una ventaja considerable a una estrategia de eliminación de cerio de la mezcla al principio. El cerio compuesta típicamente 45% de la cerite o tierras raras monacita, y eliminar a tiempo reducido en gran medida la mayor parte de lo que había que ser tratados posteriormente (o el costo de los reactivos que se han asociado con dicho tratamiento). Sin embargo, no todos los métodos de purificación de cerio confiaron en basicidad. Nitrato de amonio cérico [hexanitratocerate de amonio (IV)] cristalización a partir de ácido nítrico era un método de purificación. El cerio (IV) nitrato (ácido hexanitratoceric) era más fácilmente extractable en ciertos disolventes (por ejemplo, fosfato de tri-n-butilo) que los lantánidos trivalentes. Sin embargo, la práctica moderna en China parece ser la de hacer la purificación de cerio por extracción por solvente en contracorriente, en su forma trivalente, al igual que los otros lantánidos.

El cerio (IV) es un oxidante fuerte en condiciones ácidas, pero estable en condiciones alcalinas, cuando es de cerio (III) que se convierte en un agente reductor fuerte, fácilmente oxidado por el oxígeno atmosférico (O 2). Esta facilidad de la oxidación en condiciones alcalinas conduce a la separación geoquímica ocasional de las formas entre cerio y los lantánidos de luz trivalente bajo supergénica intemperie condiciones, lo que lleva vario para la "negativa anomalía de cerio "o a la formación de la cerianite mineral. Aire-oxidación de cerio alcalina (III) es la forma más económica para llegar a cerio (IV), que luego puede ser manejado en solución ácida.

Isótopos

Hay cuatro isótopos de cerio que se producen naturalmente. Estos son 140 Ce, que constituye el 88,5% de cerio en la tierra; 142 Ce, que constituye el 11% de cerio en la tierra; 138 Ce, que constituye el 0,3% de cerio en la tierra; y 136 Ce, que representa el 0,2% de cerio en la Tierra. Sin embargo, sólo 140 Ce es estable. 142 Ce, 138 CE y 136 Ce tienen vidas medias de 5 × 10 16 años, el 1,5 × 10 15 años, y 70000000000000 años respectivamente. Además, algunos isótopos de cerio producen de forma natural en cantidades traza como el resultado de la fisión de uranio.

39 isótopos de cerio se han descubierto por completo. Que van desde 119 a 157 Ce Ce.

Historia

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. El cerio fue nombrado por Berzelius después de la planeta enano Ceres , descubierto dos años antes (1801). Como aislado originalmente, cerio era en forma de su óxido, y fue nombrado ceria, un término que todavía se utiliza. El metal en sí era demasiado electropositivo que ser aislado por tecnología de fundición vigente en ese momento, una característica de metales de tierras raras en general. Tras el desarrollo de Electroquímica por Humphry Davy cinco años más tarde, las tierras pronto cedieron los metales que contenían. Ceria, como aislado en 1803, contenía todos los lantánidos presentes en el mineral cerite de Bastnäs, Suecia, y por lo tanto sólo contenía un 45% de lo que hoy se sabe que es óxido de cerio puro. No fue hasta Carl Gustaf Mosander tuvo éxito en la eliminación de lantana y "didymia" a finales de los años 1830, que ceria se obtuvo puro. Wilhelm Hisinger era dueño de una rica mina y científico aficionado, y patrocinador de Berzelius. Era dueño o controla la mina en Bastnäs, y había estado intentando durante años para averiguar la composición de la roca abundante ganga pesado (el "Tungsteno de Bastnäs"), ahora conocido como cerite, que tenía en su mina. Mosander y su familia vivieron durante muchos años en la misma casa que Berzelius, y, sin duda, Mosander fue persuadido por Berzelius investigar ceria más.

Cuando las tierras raras se descubrió por primera vez, desde que eran bases fuertes como los óxidos de calcio o magnesio, que se pensaba que eran divalente. Por lo tanto, cerio "cérico" se pensaba que era trivalente, y por lo tanto la relación de estado de oxidación se pensaba que era 1,5. Berzelius estaba molesto para seguir recibiendo la proporción correcta 1.33.

A finales de 1950, la División Química de Lindsay americano potasa y Chemical Corporation de West Chicago, Illinois, el mayor productor de tierras raras en el mundo, estaba ofreciendo compuestos de cerio en dos rangos de pureza, "comercial" en el 94-97% de pureza, y "purificado", en un 99,9% de pureza + reportado. En su 01 de octubre 1958 la lista de precios, cantidades de una libra de los óxidos se tasa en $ 3.30 o $ 8.10, respectivamente, para los dos grados de pureza; el precio por libra para las cantidades de 50 libras fueron, respectivamente, $ 1.95 o $ 4.95 para los dos grados. Sales de cerio fueron proporcionalmente más barato, lo que refleja su contenido neto inferior de óxido.

Aparición

Allanita

El cerio es el más abundante de la elementos de tierras raras, que constituyen aproximadamente 0,0046% de la corteza terrestre en peso. Se encuentra en una serie de minerales incluyendo allanite (también conocido como orthite) - (Ca, Ce, La, Y) 2 (Al, Fe) 3 (SiO 4) 3 (OH), monacita (Ce, La, Th, Nd, Y) PO 4, bastnasita (Ce, La, Y) CO 3 F, hydroxylbastnasite (Ce, La, Nd) CO 3 (OH, F), rhabdophane (Ce, La, Nd) PO 4 -H 2 O, circón (ZrSiO4), y synchysite Ca (Ce, La, Nd, Y) (CO 3) 2 F. Monacita y bastnasita son actualmente las dos fuentes más importantes de cerio. Grandes depósitos de monacita, allanite y bastnasita suministrará cerio, torio y otros metales de las tierras raras durante muchos años por venir.

Contenido de cerio en el suelo varía entre 2 y 150 partes por millón (ppm), con un promedio de 50 ppm. El agua de mar contiene 1,5 partes por billón de cerio. Casi no hay cerio en la atmósfera.

Producción

Las mezclas de minerales se triturada, molida y tratados con concentrado caliente de ácido sulfúrico para producir sulfatos de solubles en agua de tierras raras. Los filtrados ácidos están parcialmente neutralizados con hidróxido de sodio a pH 3-4. El torio precipita de la solución como hidróxido y se retira. Después de que la solución se trata con oxalato de amonio para convertir tierras raras en su insoluble oxalatos. Los oxalatos se convierten en óxidos por recocido. Los óxidos se disuelven en ácido nítrico que excluye a uno de los componentes principales, cerio, cuyas sales son insolubles en HNO 3. De cerio metálico se prepara por técnicas de reducción metalotérmica, tales como mediante la reducción de fluoruro de cerio o cloruro con calcio , o por electrólisis de cloruro ceroso fundido o otros haluros cerosas. La técnica metalotérmica se utiliza para producir de cerio de alta pureza.

Aplicaciones

Una aplicación tecnológica importante para de cerio (III) es un óxido convertidor catalítico para la reducción de emisiones de CO en los gases de escape de vehículos de motor. En particular, se añade óxido de cerio en combustibles diesel. Otro uso importante del óxido de cerio es un hidrocarburo catalizador en hornos autolimpiables, incorporados en las paredes del horno y como catalizador de craqueo de petróleo en la refinación de petróleo.

El cerio (IV) óxido se considera uno de los agentes más eficaces para el pulido de precisión de componentes ópticos. Compuestos de cerio también se utilizan en la fabricación de vidrio , tanto como un componente y como decolorante. Por ejemplo, el cerio (IV) óxido en combinación con titanio (IV) óxido da un color amarillo dorado al cristal; también permite la absorción selectiva de la luz ultravioleta en vidrio. El óxido de cerio tiene un alto índice de refracción y se añade a esmalte para que sea más opaco.

El cerio (IV) óxido se utiliza en manguitos de incandescencia, como el Manto Welsbach, donde se combinó con torio, lantano , magnesio o itrio óxidos. Dopado con otros óxidos de tierras raras, que ha sido investigado como un electrolito sólido en óxido sólido de temperatura intermedia Las pilas de combustible: de cerio (IV) óxido de cerio-óxido de ciclo (III) o CeO2 / Ce 2 O 3 es un ciclo de dos pasos proceso termoquímico basado en cerio (IV) y óxido de cerio (III) de óxido de producción de hidrógeno.

La fotoestabilidad de los pigmentos se puede mejorar mediante la adición de cerio. Proporciona pigmentos con resistencia a la luz y evita polímeros claros de oscurecimiento de la luz solar. Placas de vidrio de televisión están sujetos a un bombardeo de electrones, que tiende a oscurecer ellos por la creación de Centros de color F-Center. Este efecto se suprimió mediante la adición de óxido de cerio. El cerio es también un componente esencial de los fósforos usados en las pantallas de televisión y las lámparas fluorescentes. Sulfuro de cerio forma un pigmento rojo que se mantiene estable a 350 ° C. El pigmento es una alternativa no tóxica a pigmentos de sulfuro de cadmio.

Un uso tradicional de cerio fue en el pyrophoric aleación de mischmetal utilizado para las piedras de luz. Debido a la alta afinidad de cerio a azufre y oxígeno, se utiliza en diversas aleaciones de aluminio, y aleaciones de hierro. En aceros , degasifies cerio y puede ayudar a reducir los sulfuros y óxidos, y es un agente de endurecimiento por precipitación en acero inoxidable. Adición de cerio a fundiciones opone grafitización y produce un hierro maleable. La adición de 3-4% de cerio a magnesio aleaciones, junto con 0,2 a 0,6% de circonio , ayuda refinar el grano y dar sonido fundición de formas complejas. También añade resistencia al calor de piezas fundidas de magnesio. Cerio metálico a veces se añade a la de aluminio para mejorar la resistencia a la corrosión del aluminio.

Aleaciones cerio se utilizan en imanes permanentes y en tungsteno electrodos para Soldadura TIG . El cerio se utiliza en -carbono de arco de iluminación, especialmente en la imagen en movimiento industria. Oxalato de cerio es una fármaco antiemético. El cerio (IV) sulfato se utiliza ampliamente como un volumétrica agente oxidante en el análisis cuantitativo. Nitrato de amonio cérico es un oxidante útil de un electrón en la química orgánica, que se utiliza para grabar oxidativamente componentes electrónicos, y como patrón primario para el análisis cuantitativo.

Papel biológico

Cerio puede actuar similar al calcio en los organismos, por lo que se acumula en huesos en pequeñas cantidades. El cerio se encuentra también en pequeñas cantidades en plantas de tabaco, cebada , y la madera de los árboles de haya . Sin embargo, muy poco de cerio se acumula en el cadena de comida. Human sangre contiene 0.001 ppm, huesos humanos contienen 3 ppm, y humana tejido contiene 0,3 ppm de cerio. Hay un total de 40 miligramos de cerio en un típico humano de 70 kilogramos. Los seres humanos suelen consumir menos de un miligramo por día de cerio. Cerio no tiene ninguna función biológica conocida, pero sales de cerio puede estimular el metabolismo.

Precauciones

Cerio, como todos los metales de las tierras raras, es de baja a moderada toxicidad. El cerio es un agente reductor fuerte y se inflama espontáneamente en el aire a 65 a 80 ° C. Los humos de incendios cerio son tóxicos. El agua no debe ser utilizado para detener los incendios de cerio, como cerio reacciona con el agua para producir gas hidrógeno. Los trabajadores expuestos a cerio han experimentado picazón, sensibilidad al calor, y lesiones de la piel. Cerio no es tóxico cuando se consumen por vía oral, pero los animales inyectados con grandes dosis de cerio han muerto debido al colapso cardiovascular. El cerio es más peligroso para los organismos acuáticos, a causa de ser perjudicial para las membranas celulares. El cerio (IV) óxido es un potente agente oxidante a altas temperaturas y reacciona con materiales orgánicos combustibles. Mientras cerio no es radiactivo, la calidad comercial impuro puede contener trazas de torio, que es ligeramente radiactivo.

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