Cerio: estructura, propiedades, obtención, usos
El cerio es un metal perteneciente a la serie lantánida, cuyo símbolo químico es Ce. Pese a ser un elemento de las tierras raras, lo cierto es que su abundancia es muy similar a la del cobre, y todavía mayor que la del plomo o el estaño, teniendo una concentración de 66 ppm en la corteza terrestre.
El cerio es explotado económicamente a partir de los minerales monacita y bastnasita, de los cuales se obtienen también varios de los otros lantánidos. En estos minerales es necesario separar los iones Ce4+ presentes en su óxido CeO2, llamado ceria. Es el único lantánido que forma un óxido muy estable con un estado de oxidación de +4 y no +3 (Ce2O3).
El cerio es un metal que tiene numerosas aplicaciones industriales, así como en el mejoramiento del medio ambiente. Algunos de sus usos más importantes son los siguientes: como pedernal de los encendedores de los cigarros, catalizador de la destilación del petróleo, controlador de las emanaciones de gases de los automóviles, etc.
Este metal tiene gran relevancia en química analítica. Es tanto así, que la técnica posee su propio nombre: cerimetría. Los iones Ce4+, en medio ácido, son agentes oxidantes fuertes, reduciéndose a Ce3+. En el proceso se oxidan y cuantifican analitos tales como: Fe2+, NO2, Sn2+, As3+, etc.
Respecto a la parte biológica, el cerio está presente en líquidos corporales humanos, tales como saliva, sudor, sangre, orina y líquidos cefalorraquídeo. Asimismo está presente en algunos alimentos, por ejemplo la nuez negra y el pimiento verde. Por lo tanto, es el lantánido con más presencia (más no participación) bioquímica.
Índice del artículo
- 1 Descubrimiento
- 2 Estructura del cerio
- 3 Configuración electrónica
- 4 Propiedades del cerio
- 5 Obtención
- 6 Usos/aplicaciones
- 7 Referencias
El cerio fue descubierto por Jacob Berzelius y Wilhelm von Hisinger en Suecia el año de 1803, e independientemente por Martin Klaproth, ese mismo año, en Alemania.
Berzelius e Hisinger descubrieron el cerio en un mineral marrón rojizo conocido como cerita: un silicato de cerio-lántano. En realidad, ellos no aislaron el metal puro, pero sí observaron que el metal tenía dos estados de oxidación. Uno de ellos producía sales incoloras; mientras que el otro producía sales de color rojo amarillento.
Denominaron al metal recién descubierto ‘cerio’ en honor de Ceres, un asteroide descubierto por Giuseppe Piazzi en 1801. El nombre de Ceres también corresponde al dios de la agricultura en la mitología romana.
Klaproth también determinó que el nuevo elemento presente en la cerita, se encontraba bajo la forma de un óxido, al que denominó óxido de ockroita por su color rojo amarillento.
Carl G. Mossandre, en 1825, logró preparar el cerio metálico usando la misma metodología utilizada para el aislamiento del aluminio ese mismo año.
Mossandre hizo reaccionar el sulfuro de cerio con cloro para producir cloruro de cerio, reduciendo este último mediante su reacción con potasio. El resultado fue cloruro de potasio y cerio metálico, observándose que el metal obtenido presentaba un color gris con brillo metálico opaco.
El cerio posee muchas estructuras cristalinas, teniendo hasta cuatro formas alotrópicas solamente bajo presión atmosférica.
En caliente, el cerio adopta una estructura cúbica centrada en el cuerpo (bcc), la cual existe solo por encima de los 726 ºC, y se simboliza como δ-Ce.
Por debajo de los 726 ºC hasta la temperatura ambiente, el cerio adopta una estructura cúbica centrada en las caras (fcc), representada como γ-Ce.
En frío, por otro lado, el cerio cristaliza con una estructura dhcp, la cual existe en el rango de temperaturas comprendido entre -150 ºC hasta 25 ºC aproximadamente. Esta fase o alótropo se representa como β-Ce; y es, junto con el γ-Ce, las fases más predominantes del cerio.
Y por último, tenemos otra estructura fcc, más densa, que existe por debajo de los -150 ºC, y que se representa como α-Ce.
Una característica inusual en el cerio es que sus fases cristalinas poseen diferentes velocidades de transición. Es decir, que al enfriarse un cristal de cerio, no toda su estructura pasa por ejemplo a la fase α-Ce, sino que consistirá en una mezcla α-Ce y β-Ce, ya que la transformación de β-Ce a α-Ce, es más lenta que la de γ-Ce a α-Ce.
La configuración electrónica abreviada del cerio es la siguiente:
[Xe] 4f1 5d1 6s2
Nótese que están presentes tres niveles energéticos en sus orbitales de valencia: 4f, 5d y 6s. Además, sus cuatro electrones poseen energías electrónicas relativamente similares, lo cual explica otra particularidad estructural del cerio: puede oxidarse o reducirse bajo altas presiones o intensos enfriamientos.
El catión Ce4+ existe y es muy estable debido a que, como se mencionó arriba, los cuatros electrones tienen energías similares; por lo tanto, pueden “perderse” sin dificultad mediante formación de enlaces químicos. Por otra parte, el Ce4+ es isoelectrónico al gas xenón, ganando así una estabilidad extra.
Sólido blanco plateado
140.116 g/mol
58
795 ºC
Punto de ebullición
3.443 ºC
6.770 g/cm3
5,46 kJ/mol
398 kJ/mol
26,94 J/(mol·K)
Escala Mohs: 2,5
Los estados de oxidación del cerio son +1 (Ce+), +2 (Ce2+), +3 (Ce3+), +4 (Ce4+), siendo los últimos dos los más predominantes.
1,2 en la escala de Pauling
Primera: 534 kJ/mol
Segunda: 1.050 kJ/mol
Tercera: 1.949 kJ/mol
El cerio se oxida en el aire formando una capa de óxido. Este proceso es acelerado por calentamiento formándose el dióxido de cerio, CeO2, de color amarillo, también conocido como ceria:
Ce + O2 → CeO2
El cerio es un metal pirofórico, es decir, cuando se raspa las virutas que se originan se encienden inmediatamente. Asimismo es un metal electropositivo, que reacciona con el agua débilmente, reacción que se incrementa con la temperatura, produciendo hidróxido de cerio (III) e hidrógeno gaseoso:
2 Ce + 6 H2O → 2 Ce(OH)3 + 3 H2
El cerio es atacado por los ácidos y bases, fuertes o débiles, a excepción del ácido fluorhídrico, con el cual forma una capa protectora de fluoruro de cerio sobre la superficie del metal.
Por otro lado, el cerio es un agente reductor fuerte, capaz de reaccionar en forma violenta con el zinc, el antimonio y el fósforo a 400 ºC.
El cerio está presente en varios minerales, entre ellos: la monacita, la bastnäsita, la allanita, la cerita y la samarskita, siendo los minerales de mayor importancia económica la monacita y la bastnäsita.
La bastnäsita, por ejemplo, luego de ser recogida recibe un tratamiento con ácido clorhídrico para limpiarla de impurezas, como el carbonato de calcio. Posteriormente, es calcinada al aire libre para oxidarla a óxido.
La mayoría de los lantánidos son oxidados para formar sesquióxidos (Ln2O3). Los sesquióxidos corresponden a óxidos formados por tres átomos de oxígeno y dos átomos de otro elemento. Sin embargo, el cerio es oxidado a dióxido de cerio, el cual es insoluble en agua, pudiéndose lixiviar o extraer con ácido clorhídrico 0.5 M, separándose así de los otros lantánidos.
El cerio metálico puede obtenerse mediante electrólisis del cloruro de cerio (III) fundido, o mediante la reducción del fluoruro de cerio (III) con el uso del calcio o el magnesio. También es producido por la fisión nuclear de uranio, plutonio y torio.
El cerio se usa en combinación con varios elementos químicos, como el lantano, el neomidio y el praseomidio, además de los óxidos de hierro y magnesio, para actuar como pedernal en los encendedores de cigarrillos y gas.
El cerio se usa en la iluminación de arco de carbono, empleada en la industria cinematográfica, y también como fósforo en la iluminación fluorescente y en la televisión en colores.
El cerio se emplea en la metalurgia como estabilizador de aleaciones y electrodos de soldadura.
El óxido de cerio se utiliza como un compuesto de pulido que produce superficies ópticas de alta calidad, empleándose además como agente decolorante del vidrio, con lo cual se torna opaco a la radiación cercana al ultravioleta.
El cerio se utiliza en el manto de luz inventado por el químico austríaco Carl Auer von Welsbach, usándose el dióxido de cerio mezclado con el óxido de torio para la producción de una luz blanca brillante. El óxido de cerio evita que las placas de vidrio de la televisión se oscurezcan por el bombardeo de electrones.
El cerio es usado como catalizador en el proceso de destilación fraccionada del petróleo.
El óxido de cerio se emplea como convertidor catalítico para reducir las emisiones de monóxido de carbono y óxidos de nitrógeno en los gases de los escapes de los vehículos automotores. Estos óxidos son muy tóxicos para los seres humanos.
El óxido de cerio, agregado al combustible diesel, sirve como catalizador para la combustión y eliminación de las partículas de carbono, evitando así su emisión a la atmósfera en forma de hollín.
El oxalato de cerio ha sido utilizado en el tratamiento de las náuseas y vómitos, especialmente de aquellos que ocurren durante el embarazo.
El cerio es usado en el tratamiento de las heridas producidas en las quemaduras de tercer grado, no solo por su efecto antiséptico, sino que además ayuda a la prevención de las complicaciones sépticas y sistémicas, las cuales ocurren después de las quemaduras al fijarse las toxinas liberadas.
El Flammacerium (nitrato de cerio – sulfadiazina de plata) es usado como crema para prevenir las infecciones de las heridas por quemaduras importantes, reduciendo el nitrato de cerio la aparición de la inmunosupresión.
El cerio fue usado como antineoplásico, una práctica desechada. Sin embargo, se han reiniciado estudios para su uso.
Pequeñas cantidades de cerio se encuentran en los seres humanos, principalmente en los huesos debido a su similitud con el calcio.
Ha sido señalado que el cerio podría intervenir en el metabolismo, con algunos efectos positivos. Por ejemplo, el cerio actuaría en el metabolismo produciendo un descenso en la presión sanguínea, en los niveles de colesterol, en el apetito y en el riesgo de coagulación sanguínea.
- Shiver & Atkins. (2008). Química Inorgánica. (cuarta edición). Mc Graw Hill.
- Jakupec, M. A., Unfried, P. y Keppler, B. P. (2005). Pharmacological properties of cerium compounds. Rev. Physiol. Biochem. Pharmacol. 153:101-111
- Wikipedia. (2020). Cerium. Recuperado de: en.wikipedia.org
- Dr. Doug Stewart. (2020). Cerium Element Facts. Recuperado de: chemicool.com
- Mohammad Reza Ganjali et al. (2016). Lanthanides Series Determination by Various Analytical Methods. ScienceDirect.
- National Center for Biotechnology Information (2020). Cerium. PubChem Compound Summary for CID 23974,. Recuperado de: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov