Cerio

Il cerio è l'elemento chimico di numero atomico 58 e il suo simbolo è Ce.

Cerio
58 Ce                                                                                                                                                                                                                                               lantanio ← cerio → praseodimio
Aspetto
Aspetto dell'elemento
Linea spettrale Linea spettrale dell'elemento
Generalità
Nome, simbolo, numero atomico	cerio, Ce, 58
Serie	lantanidi
Gruppo, periodo, blocco	—, 6, f
Densità	6 689 kg/m³
Durezza	2,5
Configurazione elettronica	Configurazione elettronica
Termine spettroscopico	1Go4
Proprietà atomiche
Peso atomico	140,116
Raggio atomico (calc.)	181,8 pm
Raggio covalente	204±9 pm
Configurazione elettronica	[Xe]4f15d16s2
e− per livello energetico	2, 8, 18, 19, 9, 2
Stati di ossidazione	3, 4 (debolmente basico)
Struttura cristallina	cubica a facce centrate
Proprietà fisiche
Stato della materia	solido
Punto di fusione	1 068 K (795 °C)
Punto di ebollizione	3 716 K (3 443 °C)
Volume molare	20,69×10−6 m3/mol
Entalpia di vaporizzazione	414 kJ/mol
Calore di fusione	5,46 kJ/mol
Velocità del suono	2100 m/s a 20 °C
Altre proprietà
Numero CAS	7440-45-1
Elettronegatività	1,12 (scala di Pauling)
Calore specifico	190 J/(kg·K)
Conducibilità elettrica	1,15×106 /m·Ω
Conducibilità termica	11,4 W/(m·K)
Energia di prima ionizzazione	534,4 kJ/mol
Energia di seconda ionizzazione	1 050 kJ/mol
Energia di terza ionizzazione	1 949 kJ/mol
Energia di quarta ionizzazione	3 547 kJ/mol
Energia di quinta ionizzazione	6 325 kJ/mol
Isotopi più stabili
iso NA TD DM DE DP 134Ce sintetico 3,16 giorni ε 0,500 134La 136Ce 0,19% 136Ce è stabile con 78 neutroni 138Ce 0,25% 138Ce è stabile con 80 neutroni 139Ce sintetico 137,640 giorni ε 0,278 139La 140Ce 88,48% 140Ce è stabile con 82 neutroni 141Ce sintetico 32,501 giorni β− 0,581 141Pr 142Ce 11,08% >5×1016 anni β− sconosciuta 142Nd 144Ce sintetico 284,893 giorni β− 0,319 144Pr
iso: isotopo NA: abbondanza in natura TD: tempo di dimezzamento DM: modalità di decadimento DE: energia di decadimento in MeV DP: prodotto del decadimento

Si tratta di un metallo, duttile, di colore bianco-argenteo. Si ossida rapidamente quando esposto all'aria ed è abbastanza morbido da essere tagliato con un coltello. Il cerio è il secondo elemento della serie dei lantanidi e, mentre spesso mostra lo stato di ossidazione +3 caratteristico della serie, eccezionalmente si presenta anche con uno stato di ossidazione +4 che non si ossida in acqua. È anche tradizionalmente considerato uno degli elementi delle terre rare. Analogamente ad altri lantanoidi di inizio serie quali lantanio, praseodimio e neodimio, il cerio ha un ruolo biologico essenziale nell'ambito del metabolismo di alcuni batteri. Non ha alcun ruolo noto nella biochimica degli eucarioti e quindi anche dell'uomo, per il quale è moderatamente tossico.

Nonostante si trovi sempre in combinazione con gli altri elementi delle terre rare, in minerali come la monazite e la bastnäsite, il cerio è facile da estrarre, grazie alla sua capacità unica tra i lantanidi di essere ossidato allo stato +4. È il più comune dei lantanidi, seguito dal neodimio, dal lantanio e dal praseodimio. È il 26º elemento più abbondante, costituendo 66 ppm (parti per milione) della crosta terrestre, la metà del totale del cloro e il quintuplo del piombo.

Il cerio è stato il primo dei lantanidi ad essere scoperto nel 1803, grazie al lavoro degli svedesi Jöns Jacob Berzelius e Wilhelm Hisinger e indipendentemente da Martin Heinrich Klaproth in Germania, nel 1839 è stato isolato da Carl Gustav Mosander. Il cerio e suoi composti hanno una varietà di impieghi: ad esempio, l'ossido di cerio viene utilizzato per lucidare il vetro ed è una parte importante dei convertitori catalitici. Si trova anche negli accendini per le sue proprietà piroforiche.

Caratteristiche

Il cerio è un elemento metallico, argenteo, appartenente al gruppo dei lantanoidi. Utilizzato in alcune leghe a base di terre rare, per colore e lucentezza somiglia al ferro ma è più tenero, duttile e malleabile; all'aria si ossida rapidamente.

Fra gli elementi delle terre rare, solo l'europio è più reattivo del cerio. È attaccato rapidamente da soluzioni alcaline e da acidi, sia diluiti sia concentrati. Il metallo puro può facilmente prender fuoco se graffiato con una lama.

A causa della relativa vicinanza dell'orbitale 4f con gli orbitali più esterni, il cerio presenta interessanti caratteristiche chimiche variabili. Ad esempio la compressione o il raffreddamento di questo metallo ne cambiano lo stato di ossidazione, che passa approssimativamente da 3 a 4.
Nello stato di ossidazione +3, è denominato ceroso mentre nello stato di ossidazione +4 è detto cerico.

I sali cerici del cerio (IV) sono giallastri o rosso-arancioni mentre i sali cerosi del cerio (III) sono normalmente bianchi.

Applicazioni

Utilizzi del cerio:

In metallurgia

• il cerio è utilizzato nella produzione delle leghe di alluminio e di alcuni acciai.
• L'aggiunta di cerio alle fusioni in ghisa evita la grafitizzazione e consente la produzione di ghisa malleabile.
• Negli acciai, può aiutare a ridurre solfuri e ossidi, inoltre consente la degasazione.
• Viene utilizzato nella produzione degli acciai inossidabili come agente indurente per precipitazione.
• Nelle leghe di magnesio, una percentuale di cerio fra il 3 ed il 4%, insieme allo 0,2-0,6% di zirconio, aiuta a ridurre la granularità e consente la realizzazione di fusioni di forme complesse, aumentando inoltre la resistenza al calore.
• Viene utilizzato in leghe per magneti permanenti.
• È un componente del Mischmetal, abbondantemente utilizzato nella produzione di leghe ad alta piroforicità per accendisigari.

Inoltre:

• Il cerio è anche utilizzato nelle lampade ad arco voltaico, particolarmente nell'industria del cinema.
• Il solfato cerico è ampiamente utilizzato come agente ossidante volumetrico nell'analisi quantitativa.
• Composti di cerio sono utilizzati nella produzione del vetro, sia come componenti sia come decoloranti.
• Composti di cerio sono anche utilizzati per produrre smalti colorati.
• Composti del cerio(III) e cerio(IV) hanno un utilizzo come catalizzatori nella sintesi di composti organici.

Ossido di cerio

Vedi Ossido di cerio(III) e Ossido di cerio(IV)

Storia

Il cerio fu scoperto nel 1803 in Svezia da Jöns Jacob Berzelius e Wilhelm Hisinger ed in Germania, indipendentemente, da Martin Heinrich Klaproth.
Il nome cerio venne dato da Berzelius dal nome del pianeta nano Cerere, scoperto due anni prima (1801).

Disponibilità

Fra gli elementi delle terre rare, il cerio è l'elemento più abbondante nella crosta terrestre, nella percentuale approssimativa dello 0,0046% (ovvero 49 ppm).

È contenuto in un certo numero di minerali, i più importanti dei quali sono l'allanite (Ca, Ce, La, Y)₂(Al, Fe)₃(SiO₄)₃(OH), la monazite (Ce, La, Th, Nd, Y)PO₄, la bastnasite (Ce, La, Y)CO₃F, l'hydroxylbastnasite (Ce, La, Nd)CO₃(OH, F), il rhabdophane (Ce, La, Nd)PO₄-H₂O e la synchysite Ca(Ce, La, Nd, Y)(CO₃)₂F.

Fra tutti questi, i più importanti industrialmente sono la monazite (prevalentemente sotto forma di giacimenti di sabbie monazitiche) e la bastnasite. Nella maggior parte dei casi, la preparazione del cerio avviene per mezzo di processi di separazione a scambio ionico. Si prevede che i depositi di monazite, allanite e bastnasite saranno in grado di fornire cerio, torio ed altri elementi delle terre rare ancora per molti anni.

Composti

Il cerio è caratterizzato da due comuni stati di ossidazione +3 e +4.
Il composto più comune è l'ossido di cerio(IV) (CeO₂), utilizzato come agente lucidante oltre che come catalizzatore, incorporato nelle pareti dei forni autopulenti. Il solfato di cerio(IV) e ammonio (NH₄)₂Ce(SO₄)₃ e il nitrato di cerio(IV) e ammonio (ceric ammonium nitrate o CAN, (NH₄)₂Ce(NO₃)₆) sono due comuni reagenti ossidanti utilizzati nelle titolazioni.

Il cloruro di cerio(III), CeCl₃, viene impiegato per facilitare le reazioni sui gruppi carbonili in chimica organica. Altri composti importanti sono il carbonato di cerio(III) (Ce₂(CO₃)₃), il fluoruro di cerio(III) (CeF₃) e il solfato di cerio(IV) (solfato cerico, Ce(SO₄)₂).

Isotopi

In natura il cerio è composto dall'isotopo stabile ¹⁴⁰Ce (88,45%) e tre isotopi debolissimamente radioattivi: ¹³⁶Ce (0,185%), ¹³⁸Ce (0,251%), e ¹⁴²Ce (11,114%).

Il ¹³⁶Ce, avente emivita di 7×10¹³ anni, è soggetto al doppio decadimento β+ (374,2 keV) per dare il ¹³⁶Ba, stabile.

Il ¹³⁸Ce, avente emivita di 9×10¹³ anni, è soggetto a doppia cattura elettronica (693 keV) per dare il ¹³⁸Ba, stabile.

Il ¹⁴²Ce, avente emivita di 5×10¹⁶ anni è soggetto a doppio decadimento β- (1417 keV) per dare il ¹⁴²Nd (stabile), ma è anche soggetto a decadimento α (1298 keV), per dare il ¹³⁸Ba, stabile.

Sono noti altri 35 radioisotopi, con numeri di massa che vanno dal 119 (¹¹⁹Ce) al 157 (¹⁵⁷Ce): i più stabili fra essi sono ¹⁴⁴Ce con emivita di 284,893 giorni, ¹³⁹Ce con 137,640 giorni e ¹⁴¹Ce con 32,501 giorni. Tutti gli altri radioisotopi hanno emivite di meno di 4 giorni e la gran parte di essi non arriva a 10 minuti. Di questo elemento si conoscono anche due stati metastabili.

Precauzioni

Il cerio, come tutte le terre rare, è moderatamente tossico. È un forte riducente e si incendia spontaneamente all'aria se riscaldato fino a 65-80 °C. Il cerio può reagire con lo zinco in modo esplosivo e la sua reazione con il bismuto e l'antimonio è molto esotermica. I fumi esalanti da incendi di cerio sono tossici. Non si deve usare acqua per spegnere incendi di cerio, perché dalla reazione chimica fra cerio e acqua si sprigiona idrogeno, che è altamente infiammabile. Lavoratori esposti al cerio hanno accusato prurito, sensibilità al calore e lesioni cutanee; animali cui sono state iniettate forti dosi di cerio sono morti per collasso cardiovascolare.

L'ossido di cerio (IV) è un potente ossidante ad alte temperature e reagisce con materiale organico combustibile. Anche se il cerio in sé non è radioattivo, il cerio commercialmente disponibile può contenere tracce di torio, che invece lo è. Il cerio non svolge alcun ruolo biologico noto negli organismi viventi.

Bibliografia

• Francesco Borgese, Gli elementi della tavola periodica. Rinvenimento, proprietà, usi. Prontuario chimico, fisico, geologico, Roma, CISU, 1993, ISBN 88-7975-077-1.
• R. Barbucci, A. Sabatini e P. Dapporto, Tavola periodica e proprietà degli elementi, Firenze, Edizioni V. Morelli, 1998 (archiviato dall'url originale il 22 ottobre 2010).

Voci correlate

• Lantanoidi
• Fluoruro ceroso
• Solfato cerico ammonico
• Ossido di cerio
• Cerimetria

Altri progetti

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• Wikizionario
• Wikimedia Commons

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Collegamenti esterni

• cerio, su Treccani.it – Enciclopedie on line, Istituto dell'Enciclopedia Italiana.
• (EN) cerium, su Enciclopedia Britannica, Encyclopædia Britannica, Inc.
• (EN) Cerio, su periodic.lanl.gov, Los Alamos National Laboratory. URL consultato il 25 marzo 2005 (archiviato dall'url originale il 14 gennaio 2007).
• (EN) Cerio, su WebElements.com.
• (EN) Cerio, su EnvironmentalChemistry.com.
• (EN) It's Elemental – il cerio, su education.jlab.org.
• (EN) Proprietà ed applicazioni, su azom.com.