Ceri

element químic amb nombre atòmic 58

El ceri, de símbol Ce i nombre atòmic 58, és un dels 14 elements químics que segueixen el lantani en la taula periòdica, denominats per això lantanoides. Pertany al 6è període i, també, al conjunt de les terres rares. És un metall tou i molt dúctil, de color gris metàl·lic, semblant al ferro, que es torna rogenc en exposar-se a l'aire, ja que s'oxida molt fàcilment. És un element escàs en l'escorça terrestre (0,0046 % en pes), que apareix dispers en diversos minerals. Tanmateix, el ceri és l'element més abundant entre els lantanoides.

Ceri
58Ce
lantaniceripraseodimi
-

Ce

Th
Aspecte
Blanc platejat



Línies espectrals del ceri
Propietats generals
Nom, símbol, nombre Ceri, Ce, 58
Categoria d'elements Lantànids
Grup, període, bloc n/d6, f
Pes atòmic estàndard 140,116
Configuració electrònica [Xe] 4f1 5d1 6s2[1]
2, 8, 18, 19, 9, 2
Configuració electrònica de Ceri
Propietats físiques
Fase Sòlid
Densitat
(prop de la t. a.)
6,770 g·cm−3
Densitat del
líquid en el p. f.
6,55 g·cm−3
Punt de fusió 1.068 K, 795 °C
Punt d'ebullició 3.716 K, 3.443 °C
Entalpia de fusió 5,46 kJ·mol−1
Entalpia de vaporització 398 kJ·mol−1
Capacitat calorífica molar 26,94 J·mol−1·K−1
Pressió de vapor
P (Pa) 1 10 100 1 k 10 k 100 k
a T (K) 1.992 2.194 2.442 2.754 3.159 3.705
Propietats atòmiques
Estats d'oxidació 4, 3, 2, 1


(òxid bàsic feble)

Electronegativitat 1,12 (escala de Pauling)
Energies d'ionització 1a: 534,4 kJ·mol−1
2a: 1.050 kJ·mol−1
3a: 1.949 kJ·mol−1
Radi atòmic 181,8 pm
Radi covalent 204±9 pm
Miscel·lània
Estructura cristal·lina Cúbica centrada en la cara
Ceri té una estructura cristal·lina cúbica centrada en la cara
Ordenació magnètica Paramagnètic[2]
Resistivitat elèctrica (t, a,) (β. poli) 828 nΩ·m
Conductivitat tèrmica 11,3 W·m−1·K−1
Dilatació tèrmica (t, a,) (γ. poli) 6,3 µm/(m·K)
Velocitat del so (barra prima) (20 °C) 2.100 m·s−1
Mòdul d'elasticitat (forma γ) 33,6 GPa
Mòdul de cisallament (forma γ) 13,5 GPa
Mòdul de compressibilitat (forma γ) 21,5 GPa
Coeficient de Poisson (forma γ) 0,24
Duresa de Mohs 2,5
Duresa de Vickers 270 MPa
Duresa de Brinell 412 MPa
Nombre CAS 7440-45-1
Isòtops més estables
Article principal: Isòtops del ceri
Iso AN Semivida MD ED (MeV) PD
134Ce sin 3,16 d ε 0,500 134La
136Ce 0,185% 136Ce és estable amb 78 neutrons
138Ce 0,251% 138Ce és estable amb 80 neutrons
139Ce sin 137,640 d ε 0,278 139La
140Ce 88,450% 140Ce és estable amb 82 neutrons
141Ce sin 32,501 d β 0,581 141Pr
142Ce 11,114% > 5×1016 a ββ 1,417 142Nd
144Ce sin 284,893 d β 0,319 144Pr

HistòriaModifica

El químic suec Jöns Jacob Berzelius i el geòleg suec Wilhelm Hisinger descobriren el ceri a l'hivern de 1803/4. També l'alemany Martin Heinrich Klaproth el descobrí de manera independent al mateix temps. L'anomenaren ceri com el nou planeta nan que s'havia descobert el 1801, Ceres. L'astre rebé el nom de Ceres, dea romana de les plantes i l'amor maternal i patrona de Sicília, des d'on fou descobert.[3]

Tot i que el ceri és un dels 14 elements lantanoides, es descobrí independentment d'ells. Hi ha alguns minerals que són gairebé exclusivament sals de ceri com la cerita, que és el silicat de ceri. El mineralogista i químic suec Axel Fredrik Cronstedt trobà una gran quantitat d'aquest mineral el 1751 en la mina Bastnäs prop de Riddarhyttan, al comtat de Väestmanland, Suècia. El geòleg Wilhelm Hisinger, el qual pare era el propietari de la finca on s'havia trobat la cerita, envià mostres al químic suec Carl Wilhelm Scheele per analitzar-lo pensant que podia contenir tungstè, descobert el 1783. Scheele comprovà que no en contenia però no se'n adonà que estava constituït un element nou. El 1803, Berzelius i Hisinger l'examinaren de nou i demostraren que contenia un element desconegut.[3]

No fou fins al 1875 que els químics estatunidencs William Francis Hillebrand i Thomas Norton obtingueren una mostra pura de ceri en passar un corrent elèctric a través del clorur de ceri fos.[3]

Estat naturalModifica

El ceri és tan abundant com el coure i gairebé tres vegades més abundant que el plom a les roques ígnies de l'escorça de la Terra.[4] La seva concentració mitjana a l'escorça terrestre és de 68 ppm i ocupa la posició 25 quant a abundància dels elements químics.[3]

El ceri és present en elevats percentatges en molts minerals. Els que el contenen amb més d'un 50 % són: hidroxilbastnäsita-(Ce) 64,53 %, fluocerita-(Ce) 64,02 %, bastnäsita-(Ce) 63,94 %, cerita-(Ce) 62,63 %, IMA2008-035 60,34 %, IMA2009-013 56,41 %, cerianita-(Ce) 53,86 %, sahamalita-(Ce) 50,72 % i gasparita-(Ce) 50,21 %.

L’òxid de ceri(III) es produeix escalfant els minerals del grup de la bastnäsita i tractament amb àcid clorhídric. Se'n produeixen més de 23 000 tones anuals en tot el mon.[3] El ceri metàl·lic es pot obtenir escalfant fluorur de ceri(III) amb calci o per l'electròlisi de l'òxid de ceri(III) fos:[5]

 

PropietatsModifica

Propietats físiquesModifica

És un metall tou i molt dúctil, de color gris metàl·lic, semblant al ferro, de densitat 6,770 g/cm³, punt de fusió 795 °C i punt d'ebullició 3 443 °C. El ceri té el tercer rang de líquid entre els elements químics: 2 648°C, només el neptuni i el tori tenen rangs de líquid més grans.[6]

La configuració electrònica del ceri és [Xe]4f26s2. L’energia del nivell 4f interior és gairebé la mateixa que la dels electrons externs o de valència, per la qual cosa és suficient una petita aportació d'energia per a que hi hagi traspàs d'electrons i tengui varis estats d'oxidació.[7]

Existeix en quatre formes al·lotròpiques. La fase α és cúbica centrada a la cara estable a 77 K (−196 °C). La fase β es forma just per sota de la temperatura ambient i és empaquetament doble hexagonal. La fase γ és la forma a temperatura ambient i és una estructura cúbica centrada en la cara. La fase δ és cúbica centrada en el cos a 757 °C.[4]

El metall presenta un paramagnetisme moderadament fort tant per sota com per sobre de la temperatura ambient i es converteix en antiferromagnètic per sota de 13 K (−260 °C). Es torna superconductor a temperatures properes als 0 K (varis mil·likelvins) a pressions superiors a 20 kbar.[4]

Propietats químiquesModifica

 
Òxid de ceri(IV)  

El ceri s'oxida lentament exposat a l’aire i es crema fàcilment per formar l'òxid de ceri(IV):[8]

 
És força electropositiu i actua majoritàriament com a trivalent. Reacciona lentament amb aigua freda i força ràpidament amb aigua calenta per formar hidròxid de ceri(III):[8]

 
 
Clorur de ceri(III)—aigua(1/7)  

Reacciona amb tots els halògens donant els corresponents halogenurs de ceri(3+):[8]

 
 
 
 

Es dissol fàcilment en àcid sulfúric diluït per formar solucions que contenen els ions ceri(3+), que existeixen com a complexos  .[8]

Altres composts de ceri(3+) són: l'acetat de ceri(III)—aigua(1/1,5)  , el nitrat de ceri(III)—aigua(1/6)  , el carbonat de ceri(III)—aigua(1/5)  , l'oxalat de ceri(III)aigua(1/9)  , l'òxid de ceri(III)  , el selenat de ceri(III)  , el sulfur de ceri(III)  , l'hidrur de ceri(III)  , l'hexaborur de ceri  , el nitrur de ceri   o el silicur de ceri  .[7]

 
Sulfat de ceri(IV)—aigua(1/4)  

La majoria de composts del ceri són compostos de ceri(3+), però també n'hi ha uns pocs de ceri(2+) com l'hidrur de ceri(II)  , el iodur de ceri(II)   i el sulfur de ceri(II)  ; i també de ceri(4+): fluorur de ceri(IV)  , hidròxid de ceri(IV)   i el sulfat de ceri(IV)—aigua(1/4)  , així com l'òxid de ceri(IV) ja esmentat.[7]

El ceri, el praseodimi i el terbi són els únics lantanoides, que formen compostos en què el seu estat d’oxidació és de +4; i és l'únic que presenta aquest estat d'oxidació en solució.[4]

IsòtopsModifica

Article principal: Isòtops del ceri

A la natura hom troba quatre isòtops: l'estable ceri 140 (88,48 %) i els radioactius ceri 142 (11,08 %), ceri 138 (0,25%) i ceri 136 (0,19%). Exclosos els isòmers nuclears, hom ha caracteritzat un total de 38 isòtops radioactius de ceri. Van en nombre màssic des de 119 a 157 amb semivides des d'1,02 segons pel ceri 151 i fins a 5×1016 anys per a ceri 142.[4]

AplicacionsModifica

Indústria de l'automòbilModifica

 
Esquema d'un catalitzador d'un cotxe

L'òxid de ceri(IV)   forma part del suport ceràmic dels convertidors catalítics que transformen les emissions dels gasos d'escapament dels vehicles amb motor de combustió en CO2 i H2O i redueixen la contaminació ambiental.[9]

Indústria del vidre i la ceràmicaModifica

L'òxid de ceri(IV), combinat amb l'òxid d'estany, és utilitzat en la fabricació de vidres per a automòbils i de panells solars per a absorbir les radiacions ultraviolades.

L'òxid de ceri(IV) serveix per a polir la superfície del vidre frontal dels vehicles, de les pantalles de cristall líquid (LCD) i de plasma, i dels càtodes dels tubs de raigs X. També serveix per a polir pedres precioses i lents.

A més, s'empra com a colorant, ja que la combinació de ceri amb titani aporta un color groc daurat al vidre.

S'utilitza en la fabricació de pròtesis dentals.[9]

Indústria electrònicaModifica

 
LED blanc

Combinat amb l'itri s'usa en la fabricació de làmpades LED de llum blanca.[9]

Indústria químicaModifica

El ceri, afegit al gasoil, permet al combustible cremar-se d'una forma més neta i amb un grau més baix de contaminació.[9]

Altres campsModifica

El ferroceri, un material de ferro, ceri, lantani, neodimi, ceri i magnesi, s'usa per a fabricar pedres d'encenedor, ja que en rascar-lo espurneja.[9]

Les sals de ceri(4+) són agents oxidants potents però estables, s’utilitzen en química analítica per determinar substàncies oxidables com el ferro(2+) .[4]

ReferènciesModifica

  1. Ground levels and ionization energies for the neutral atoms, NIST (anglès)
  2. Magnetic susceptibility of the elements and inorganic compounds, a Handbook of Chemistry and Physics, 81a edició, CRC press (anglès)
  3. 3,0 3,1 3,2 3,3 3,4 Emsley, John.. Nature's building blocks : an A-Z guide to the elements. Oxford: Oxford University Press, 2001. ISBN 0-19-850341-5. 
  4. 4,0 4,1 4,2 4,3 4,4 4,5 «Cerium | chemical element» (en anglès). Encyclopædia Britannica. Encyclopædia Britannica, inc., 12-11-2013. [Consulta: 15 gener 2020].
  5. «Mineral Species sorted by the element Ce Cerium». [Consulta: 15 gener 2020].
  6. Jackson, Mark. Periodic Table Advanced. Barcharts Incorporated, 2002. ISBN 1572225424. 
  7. 7,0 7,1 7,2 William M. Haynes. CRC handbook of chemistry and physics : a ready-reference book of chemical and physical data. 94th edition. Boca Raton, Florida: CRC Press, 2016. ISBN 978-1-4665-7114-3. 
  8. 8,0 8,1 8,2 8,3 «WebElements Periodic Table » Cerium » reactions of elements». [Consulta: 15 gener 2020].
  9. 9,0 9,1 9,2 9,3 9,4 Sanz Balagué, J.; Tomasa Guix, O. Elements i recursos minerals : aplicacions i reciclatge. Tercera edició, revisada i actualitzada. [Manresa]: Iniciativa Digital Politècnica, 2017. ISBN 978-84-9880-666-3.