Óxido de cerio(IV)

El óxido de cerio(IV) , también conocido como óxido cérico , dióxido cérico , ceria , óxido de cerio o dióxido de cerio , es un óxido del metal de tierras raras cerio . Es un polvo blanco amarillento pálido con la fórmula química CeO₂ _. Es un producto comercial importante y un intermediario en la purificación del elemento a partir de los minerales. ^{[ 3 ]} La propiedad distintiva de este material es su conversión reversible a un óxido no estequiométrico .

El cerio se presenta de forma natural como óxidos, siempre mezclado con otros elementos de tierras raras. Sus principales menas son la bastnaesita y la monacita . Tras la extracción de los iones metálicos en una base acuosa, el Ce se separa de dicha mezcla mediante la adición de un oxidante y el posterior ajuste del pH. Este paso aprovecha la baja solubilidad del CeO₂ _y la resistencia a la oxidación de otros elementos de tierras raras. ^{[ 3 ]}

El óxido de cerio(IV) se forma por calcinación de oxalato de cerio o hidróxido de cerio .

El cerio también forma óxido de cerio(III) , Ce₂ O₃ , que se oxida en el aire a óxido de cerio(IV). ^{[ 3 ] [ 4 ]}

El óxido de cerio adopta la estructura de fluorita , grupo espacial Fm 3 m, #225, que contiene Ce ⁴⁺ de 8 coordenadas y O ²⁻ de 4 coordenadas . A altas temperaturas libera oxígeno para dar una forma no estequiométrica, deficiente en aniones , que conserva la red de fluorita. ^{[ 5 ]} Este material tiene la fórmula CeO _{(2− x )} , donde 0 < x < 0,28. ^{[ 6 ]} El valor de x depende tanto de la temperatura, la terminación de la superficie como de la presión parcial de oxígeno. La ecuación

${\displaystyle {\frac {x}{0.35-x}}=\left({\frac {106\,000{\text{ Pa}}}{P_{\mathrm {O} _{2}}}}\right)^{0.217}\exp \left({\frac {-195.6{\text{ kJ/mol}}}{RT}}\right)}$

Se ha demostrado que predice la no estequiometría de equilibrio x en un amplio rango de presiones parciales de oxígeno (10 ³ –10 ⁻⁴ Pa) y temperaturas (1000–1900  °C). ^{[ 7 ]}

La forma no estequiométrica, que tiene una apariencia de azul a negro, exhibe conducción tanto iónica como electrónica, siendo la iónica la más significativa a temperaturas > 500  °C. ^{[ 8 ]}

El número de vacantes de oxígeno se mide frecuentemente mediante espectroscopia de fotoelectrones de rayos X para comparar la proporción de Ce ³⁺a Ce ⁴⁺.

La pérdida de oxígeno continúa en el estado líquido fundido, donde el número de coordinación local Ce-O disminuye predominantemente a 6, en comparación con 8 en la estructura de fluorita estequiométrica. Se ha demostrado que esto es directamente análogo a los óxidos de plutonio, una vez que se tienen en cuenta las diferencias en el potencial de oxígeno. ^{[ 9 ]}

El óxido de cerio(IV) se presenta naturalmente como el mineral cerianita-(Ce) . ^{[ 14 ] [ 15 ]} Es un ejemplo poco común de mineral de cerio tetravalente, siendo los otros ejemplos la estetindita-(Ce) y la dyrnaesita-(La) . El sufijo "-(Ce)" se conoce como modificador de Levinson y se utiliza para mostrar qué elemento predomina en un sitio particular de la estructura. ^{[ 16 ]} Se encuentra frecuentemente en nombres de minerales que contienen elementos de tierras raras (REE). La presencia de cerianita-(Ce) está relacionada con algunos ejemplos de anomalía de cerio , donde el Ce - que se oxida fácilmente - se separa de otros REE que permanecen trivalentes y, por lo tanto, se ajustan a estructuras de otros minerales distintos de la cerianita-(Ce). ^{[ 17 ] [ 14 ] [ 15 ]}

La principal aplicación industrial de la ceria es el pulido, especialmente la planarización químico-mecánica (CMP). ^{[ 3 ]} Para este fin, ha sustituido a muchos otros óxidos que se utilizaban anteriormente, como el óxido de hierro y la zirconia . Entre los aficionados, también se la conoce como «rojo de óptico». ^{[ 18 ] [ 19 ]}

En su otra aplicación principal, el CeO₂ _se utiliza para decolorar el vidrio. Funciona convirtiendo las impurezas ferrosas de color verde en óxidos férricos casi incoloros. ^{[ 3 ]}

Otras aplicaciones de nicho y emergentes

Catálisis

_El CeO₂ ha atraído la atención en el área de la catálisis heterogénea . Cataliza la reacción de desplazamiento del gas de agua . Oxida el monóxido de carbono . Su derivado reducido, Ce₂O₃, reduce _{el agua} , con liberación de hidrógeno. ^{[ 20 ] [ 21 ] [ 22 ] [ 23 ]}

La interconvertibilidad de los materiales CeO _x es la base del uso de la ceria como catalizador de oxidación. Un ejemplo pequeño pero ilustrativo es su uso en las paredes de hornos autolimpiantes como catalizador de oxidación de hidrocarburos durante el proceso de limpieza a alta temperatura. Otro ejemplo a pequeña escala pero conocido es su papel en la oxidación del gas natural en las camisas de gas . ^{[ 24 ]}

Aprovechando sus interacciones superficiales distintivas, la ceria encuentra además otro uso como sensor en convertidores catalíticos en aplicaciones automotrices, controlando la relación aire-escape para reducir las emisiones de NO _x y monóxido de carbono . ^{[ 25 ]}

Energía y combustibles

Debido a la importante conductividad iónica y electrónica del óxido de cerio, es muy adecuado para ser utilizado como conductor mixto . ^{[ 26 ]} Por lo tanto, el óxido de cerio es un material de interés para las celdas de combustible de óxido sólido (SOFC) en comparación con el óxido de circonio . ^{[ 27 ]}

Termoquímicamente, el ciclo óxido de cerio(IV)–óxido de cerio(III) _o ciclo CeO₂ _/ Ce₂O₃ _es un proceso de división del agua en dos etapas que se ha utilizado para la producción de hidrógeno . ^{[ 28 ] [ 29 ]} Debido a que aprovecha las vacantes de oxígeno entre sistemas, esto permite que la ceria en agua forme grupos hidroxilo (OH). ^{[ 30 ]} Los grupos hidroxilo pueden luego liberarse cuando el oxígeno se oxida, proporcionando así una fuente de energía limpia.

Óptica

El óxido de cerio es muy valorado en la industria óptica por sus excepcionales capacidades de pulido. ^{[ 31 ]} Elimina eficazmente pequeños arañazos e imperfecciones de las superficies de vidrio mediante abrasión mecánica e interacción química, produciendo un acabado liso y de alto brillo. ^{[ 32 ]} El óxido de cerio también puede mejorar la durabilidad de las superficies ópticas al formar una capa protectora que aumenta la resistencia a los arañazos y al desgaste ambiental. ^{[ 33 ]}

El óxido de cerio también se ha utilizado en filtros infrarrojos y como sustituto del dióxido de torio en camisas incandescentes ^{[ 34 ].}

Soldadura

El óxido de cerio se utiliza como aditivo en los electrodos de tungsteno para la soldadura TIG (soldadura por arco de tungsteno con gas). Ofrece ventajas sobre los electrodos de tungsteno puro, como la reducción del consumo de electrodo y una mayor facilidad de arranque y estabilidad del arco. Los electrodos de óxido de cerio se introdujeron por primera vez en el mercado estadounidense en 1987 y son útiles en corriente alterna (CA), corriente continua (CC) con polaridad positiva y corriente continua (CC) con polaridad negativa.

Se han investigado las nanopartículas de óxido de cerio (nanoceria) por su actividad antibacteriana y antioxidante. ^{[ 35 ] [ 36 ] [ 37 ]}

La nanoceria es un posible sustituto del óxido de zinc y del dióxido de titanio en los protectores solares , ya que tiene una menor actividad fotocatalítica . ^{[ 38 ]}

• Cerio
• Anomalía de cerio
• Circón

• Elementos web en la Universidad de Sheffield
• Síntesis y propiedades de la ceria (en inglés/ruso)