Cério: estrutura, propriedades, obtenção, usos - Ciência - 2023

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o cério É um metal pertencente à série dos lantanídeos, cujo símbolo químico é Ce. Apesar de ser um elemento terra rara, a verdade é que sua abundância é muito semelhante à do cobre, e ainda maior que a do chumbo ou do estanho, tendo uma concentração de 66 ppm na crosta terrestre.

O cério é explorado economicamente a partir dos minerais monazita e bastnasita, dos quais vários dos outros lantanídeos também são obtidos. Nestes minerais é necessário separar os íons Ce⁴⁺ presente em seu óxido CeO₂, chamada ceria. É o único lantanídeo que forma um óxido muito estável com um estado de oxidação de +4 e não +3 (Ce₂OU₃).

O cério é um metal que possui inúmeras aplicações industriais, bem como na melhoria do meio ambiente. Alguns de seus usos mais importantes são os seguintes: como pederneira para isqueiros, catalisador para destilação de petróleo, controlador de emissões de gases automotivos, etc.

Este metal tem grande relevância na química analítica. Tanto é assim que a técnica tem nome próprio: cerimônia. Ce ions⁴⁺, em meio ácido, são fortes agentes oxidantes, reduzindo a Ce³⁺. No processo, analitos como: Fe são oxidados e quantificados²⁺, NÃO₂, Sn²⁺, Como³⁺etc.

Na parte biológica, o cério está presente nos fluidos corporais humanos, como saliva, suor, sangue, urina e fluido cerebroespinhal. Também está presente em alguns alimentos, por exemplo, nogueira preta e pimenta verde. Portanto, é o lantanídeo com maior presença bioquímica (mais a não participação).

Descoberta

O cério foi descoberto por Jacob Berzelius e Wilhelm von Hisinger na Suécia em 1803, e independentemente por Martin Klaproth, no mesmo ano, na Alemanha.

Berzelius e Hisinger descobriram o cério em um mineral marrom-avermelhado conhecido como cerita: um silicato de cério-lantânio. Eles não isolaram realmente o metal puro, mas observaram que o metal tinha dois estados de oxidação. Um deles produziu sais incolores; enquanto o outro produzia sais vermelho-amarelados.

Eles chamaram o metal recém-descoberto de "cério" em homenagem a Ceres, um asteróide descoberto por Giuseppe Piazzi em 1801. O nome Ceres também corresponde ao deus da agricultura na mitologia romana.

Klaproth também determinou que o novo elemento presente na cera estava na forma de um óxido, que ele chamou de óxido de ockroite por causa de sua cor vermelha amarelada.

Carl G. Mossandre, em 1825, conseguiu preparar o cério metálico usando a mesma metodologia usada para o isolamento do alumínio nesse mesmo ano.

Mossandre fez reagir o sulfeto de cério com cloro para produzir cloreto de cério, reduzindo este último ao reagir com o potássio. O resultado foi cloreto de potássio e cério metálico, observando-se que o metal obtido era de cor cinza com brilho metálico opaco.

Estrutura de cério

O cério possui muitas estruturas cristalinas, tendo até quatro formas alotrópicas apenas sob pressão atmosférica.

Quando quente, o cério adota uma estrutura cúbica de corpo centrado (bcc), que existe apenas acima de 726 ºC, e é simbolizado como δ-Ce.

Abaixo de 726 ° C à temperatura ambiente, o cério assume uma estrutura cúbica de face centrada (fcc), representada como γ-Ce.

Por outro lado, no frio, o cério cristaliza com uma estrutura dhcp, que existe na faixa de temperatura entre -150 ° C e aproximadamente 25 ° C. Esta fase ou alótropo é representado como β-Ce; e é, junto com γ-Ce, as fases mais predominantes do cério.

E, por fim, temos outra estrutura fcc, mais densa, que existe abaixo de -150 ºC, e que é representada como α-Ce.

Uma característica incomum do cério é que suas fases cristalinas têm diferentes velocidades de transição. Ou seja, quando um cristal de cério resfria, nem toda sua estrutura passa para a fase α-Ce, por exemplo, mas será constituída de uma mistura de α-Ce e β-Ce, desde a transformação de β-Ce em α- Ce, é mais lento do que de γ-Ce a α-Ce.

Configuração eletronica

A configuração eletrônica abreviada do cério é a seguinte:

[Xe] 4f¹ 5 d¹ 6s²

Observe que três níveis de energia estão presentes em seus orbitais de valência: 4f, 5d e 6s. Além disso, seus quatro elétrons têm energias eletrônicas relativamente semelhantes, o que explica outra peculiaridade estrutural do cério: ele pode ser oxidado ou reduzido sob alta pressão ou resfriamento intenso.

Ce cação⁴⁺ ele existe e é muito estável porque, como mencionado acima, todos os quatro elétrons têm energias semelhantes; portanto, eles podem ser "perdidos" sem dificuldade por meio da ligação química. Por outro lado, o Ce⁴⁺ É isoeletrônico ao gás xenônio, ganhando estabilidade extra.

Propriedades do cério

Aparência física

Prata sólida branca

Massa molar

140,116 g / mol

Número atômico

Ponto de fusão

795 ºC

Ponto de ebulição

3.443 ºC

Densidade

6,770 g / cm³

Calor de fusão

5,46 kJ / mol

Calor da vaporização

398 kJ / mol

Capacidade calórica molar

26,94 J / (mol K)

Dureza

Escala de Mohs: 2,5

Estados de oxidação

Os estados de oxidação do cério são +1 (Ce⁺), +2 (Ce²⁺), +3 (Ce³⁺), +4 (Ce⁴⁺), sendo os dois últimos os mais predominantes.

Eletro-negatividade

1,2 na escala de Pauling

Energia de ionização

Primeiro: 534 kJ / mol

Segundo: 1.050 kJ / mol

Terceiro: 1.949 kJ / mol

Reatividade

O cério se oxida no ar para formar uma camada de óxido. Este processo é acelerado por aquecimento, formando dióxido de cério, CeO₂, amarelo, também conhecido como céria:

Ce + O₂ → CeO₂

O cério é um metal pirofórico, ou seja, ao ser raspado, os cavacos que se originam se inflamam imediatamente. É também um metal eletropositivo, que reage fracamente com a água, reação que aumenta com a temperatura, produzindo hidróxido de cério (III) e hidrogênio gasoso:

2 Ce + 6 H₂O → 2 Ce (OH)₃ + 3 H₂

O cério é atacado por ácidos e bases, fortes ou fracos, com exceção do ácido fluorídrico, com o qual forma uma camada protetora de fluoreto de cério na superfície do metal.

Por outro lado, o cério é um forte agente redutor, capaz de reagir violentamente com o zinco, antimônio e fósforo a 400ºC.

Obtendo

O cério está presente em vários minerais, incluindo: monazita, bastnásita, alanita, cerita e samarskita, sendo os minerais mais importantes economicamente a monazita e a bastnásita.

Bastnäsite, por exemplo, após ser coletado, recebe um tratamento com ácido clorídrico para limpeza de impurezas, como carbonato de cálcio. Mais tarde, é calcinado ao ar livre para ser oxidado até a ferrugem.

A maioria dos lantanídeos são oxidados para formar sesquióxidos (Ln₂OU₃) Os sesquióxidos correspondem a óxidos compostos de três átomos de oxigênio e dois átomos de outro elemento. No entanto, o cério é oxidado a dióxido de cério, que é insolúvel em água e pode ser lixiviado ou extraído com ácido clorídrico 0,5 M, separando-se assim dos demais lantanídeos.

O cério metálico pode ser obtido por eletrólise do cloreto de cério (III) fundido ou pela redução do fluoreto de cério (III) com o uso de cálcio ou magnésio. Também é produzido pela fissão nuclear de urânio, plutônio e tório.

Usos / aplicações

Isqueiros

O cério é usado em combinação com vários elementos químicos, como lantânio, neomídio e praseomídio, além de óxidos de ferro e magnésio, para atuar como pederneira em isqueiros a gás e isqueiros.

iluminação

O cério é usado na iluminação de arco de carbono, usado na indústria cinematográfica e também como fósforo em iluminação fluorescente e televisão em cores.

Metalurgia

O cério é utilizado na metalurgia como estabilizador de ligas e eletrodos de soldagem.

Óculos

O óxido de cério é usado como um composto de polimento que produz superfícies ópticas de alta qualidade e também é usado como agente de branqueamento de vidro, tornando-o opaco à radiação quase ultravioleta.

Cério é usado na manta de luz inventada pelo químico austríaco Carl Auer von Welsbach, com dióxido de cério misturado com óxido de tório sendo usado para produzir luz branca brilhante. O óxido de cério evita que as placas de vidro da televisão escurecem com o bombardeio de elétrons.

Indústria de petróleo

O cério é usado como catalisador na destilação fracionada do petróleo.

Meio Ambiente

O óxido de cério é usado como conversor catalítico para reduzir as emissões de monóxido de carbono e óxidos de nitrogênio nos gases de escapamento dos veículos motorizados. Esses óxidos são muito tóxicos para os humanos.

O óxido de cério, adicionado ao óleo diesel, serve como catalisador para a combustão e remoção das partículas de carbono, evitando sua emissão na atmosfera na forma de fuligem.

Remédio

O oxalato de cério tem sido usado para tratar náuseas e vômitos, especialmente aqueles que ocorrem durante a gravidez.

O cério é utilizado no tratamento de feridas produzidas em queimaduras de terceiro grau, não só pelo seu efeito anti-séptico, mas também ajuda a prevenir complicações sépticas e sistêmicas, que ocorrem após queimaduras por fixação de toxinas liberado.

Flammacerium (nitrato de cério - sulfadiazina de prata) é usado como um creme para prevenir infecções de feridas devido a grandes queimaduras, com nitrato de cério reduzindo o início da imunossupressão.

O cério era usado como antineoplásico, prática descartada. No entanto, os estudos para seu uso foram reiniciados.

Pequenas quantidades de cério são encontradas em humanos, principalmente nos ossos, devido à sua semelhança com o cálcio.

Foi sugerido que o cério poderia intervir no metabolismo, com alguns efeitos positivos. Por exemplo, o cério atuaria no metabolismo, causando queda da pressão arterial, níveis de colesterol, apetite e risco de coagulação do sangue.

Referências

Shiver & Atkins. (2008). Química Inorgânica. (quarta edição). Mc Graw Hill.
Jakupec, M. A., Unfried, P. e Keppler, B. P. (2005). Propriedades farmacológicas dos compostos de cério. Rev. Physiol. Biochem. Pharmacol. 153: 101-111
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