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Cerio.

Elemento chimico di numero atomico 58, peso atomico 140,12 e simbolo Ce. Nella tavola periodica degli elementi si colloca nella serie dei lantanidi o terre rare, dei quali costituisce il secondo termine, seguendo il lantanio. Fu scoperto nel 1803 da M.H. Klaproth e indipendentemente, da J. J. Berzehus e W. Hisinger. Deriva il suo nome da Ceres o Cerere, un asteroide scoperto tre anni prima dell'elemento. Il c., pur non avendo applicazioni quantitativamente molto grandi, è un elemento prezioso in diversi campi. ║ Stato naturale. Il c. è un elemento relativamente raro nella crosta terrestre, della quale costituisce solo lo 0,0043% circa; è invece leggermente più abbondante nell'universo, dove si stima che esistano 2,26 atomi di c. ogni milione di atomi di silicio. È quindi l'elemento più abbondante fra quelli che sono classificati come terre rare o lantanidi; la sua abbondanza è dell'ordine di quella del cobalto, dell'ittrio, del tungsteno e del piombo. In natura esistono quattro suoi isotopi stabili, precisamente (tra parentesi sono indicate le abbondanze relative): il 136Ce (0,19%), il 138Ce (0,26%), il 140Ce (88,47%) e il 142Ce (11,08%). Sono stati preparati per via sintetica anche tutti gli altri isotopi, dal 133 al 146: sono però tutti instabili e si trasformano per decadimento radioattivo, con dei tempi di semitrasformazione (tempo nel quale una certa massa di un isotopo radioattivo si riduce alla metà per decadimento spontaneo) compresi fra i 3 minuti del Ce―145 e i 285 giorni del Ce―144. Il c. è contenuto in quantità variabili praticamente in tutti i minerali delle terre rare. I maggiori tenori si hanno nella cerite, un silicato complesso di formula H3(Ca, Fe)Ce3Si3013, alquanto raro che si trova soprattutto in Svezia e contiene dal 51 al 72% di c. Un altro minerale importante è la monazite, che è essenzialmente un fosfato di c., lantanio e disprosio, cui si può attribuire la formula (Ce, La, Dy)PO4, che si trova nei monti Ilmen, in Francia, in Norvegia, negli Stati Uniti (Virginia e North Carolina) e in Canada (Quebec). Questo minerale e la principale fonte per l'estrazione del c. Quantità sensibili di questo elemento si trovano anche fra i prodotti di fissione di uranio, torio e plutonio e quindi fra i prodotti esistenti negli elementi esausti dei reattori nucleari: esse però contengono quantità sensibili di isotopi radioattivi per cui il loro impiego non è possibile se non in campi particolari. ║ Proprietà fisiche: il c. puro si presenta come un metallo grigio acciaio, lucente, duttile e malleabile, relativamente molle, tanto da poter essere tagliato con un coltello. Fonde a 795 °C e bolle a 3.468 °C; in condizioni ambiente ha peso specifico 6,67 g/cm3 ed è cristallizzato nel sistema cubico a facce centrate. A temperature molto basse o a pressioni molto elevate si trasforma in una modificazione gamma cubica a facce centrate che ha densità superiore del 18% a quella esistente a temperatura ambiente. Ne esiste anche una forma esagonale, stabile a temperature elevate, che ha peso specifico non molto diverso dalla forma normale. Si è quindi in presenza di un fenomeno di allotropia, cioè esistenza di un elemento in diverse forme cristalline, alquanto comune per molti metalli. Fra le altre sue caratteristiche fisiche ricordiamo che ha un calore specifico di 6,37 cal/(mole °C) a temperatura ambiente, un calore di fusione di 1,24 kcal/mole e un calore di vaporizzazione di 92,9 kcal/mole. La sua conducibilità termica è di 0,026 cal/(cm·sec·°C) cioè alquanto bassa, pari a circa 1/10 di quella dello zinco, mentre la sua resistività elettrica è di 75 microohm-cm, cioè alquanto alta. La sua sezione di cattura di neutroni termici è di soli 0,7 barns, una delle più basse fra quelle di tutti i metalli. Le sue proprietà meccaniche sono alquanto scadenti. A temperatura ambiente il carico di rottura a trazione ammonta a circa 21 kg/mm2 mentre il carico di snervamento, ammonta a circa 12 kg/mm2; l'allungamento a rottura è del 16,5% e la durezza di circa 48 vickers. Questi valori sono relativi ad un metallo lavorato a freddo; nello stato colato le proprietà sono inferiori (carico di rottura 10,5 kg/mm2, carico di snervamento 9 kg/mm2, allungamento a rottura 23,4%). ║ Proprietà chimiche e composti: il c. presenta, come tutti i lantanidi, un comportamento tipicamente metallico dal punto di vista chimico. La sua elettronegatività nella scala di Pauling è infatti 1,1, valore intermedio fra quello del sodio e del magnesio. Le valenze presentate sono la +3 e la +4: la prima è la più stabile e dà origine ai sali cerosi, mentre la +4 dà origine ai sali cerici. La valenza +4 è anche molto utile nella separazione chimica del c. dagli altri elementi presenti nella miscela delle terre rare, perché è presentata da pochissimi lantanidi. Corrispondentemente a queste due valenze si hanno i due ossidi: quello ceroso Ce2O3 e quello cerico CeO2. Il Ce2O3 si presenta come una polvere bianca con peso specifico fra 6,9 e 7 g/cm3 insolubile in acqua ma solubile in acido solforico con formazione del solfato Ce2(SO4)3. L'ossido cerico CeO2 si presenta come un solido bianco o giallo chiaro, di peso specifico 7,3 g/cm3 che fonde a 2.600 °C ed è insolubile in acqua sia fredda che calda, mentre si scioglie bene negli acidi forti, come lo H2SO4 e lo HCl, formando i relativi sali. Esiste anche un perossido cerico CeO3, in forma di un solido rosso; in esso il c. ha valenza 4 (e non 6) in quanto si tratta di un vero perossido. Mentre i sali cerosi sono tutti incolori, i sali cerici sono variamente colorati dal giallo all'arancio e al bruno, sia allo stato solido che in soluzione, cosa che permette un facile riconoscimento dello stato di ossidazione di questo elemento. Per tale motivo certi sali di c. e ammonio, sono impiegati in chimica analitica in reazioni di ossidimetria. Tutti i sali cerici infatti tendono a ridursi a sali cerosi in presenza di un agente riducente, comportandosi come energici ossidanti. ║ Preparazione: non esistono processi che permettano di produrre c. puro dai suoi minerali; in tutti i casi si ottiene una miscela di terre rare, nella quale esso predomina e dalla quale esso deve essere separato. Il frazionamento può essere fatto in diversi modi, ma sempre per via chimica; in tal modo si giunge ad un composto di c. sufficientemente puro dal quale si ottiene poi il metallo. I processi di estrazione di questo sono diversi: lo si può ottenere ad es. per elettrolisi di sali fusi come una soluzione di CeO2 in CeF3 fuso. Alternativamente si può preparare il c. metallico per via metallotermica, riducendo il fluoruro ceroso CeF3 con litio metallico. Un ulteriore metodo consiste nella riduzione del cloruro CeCl3 con magnesio: si ottiene una lega c.-magnesio dalla quale si elimina quest'ultimo per distillazione, eventualmente a pressione ridotta. ║ Usi: il c. non trova applicazione alcuna come materiale da costruzione, sia per le sue scadenti caratteristiche meccaniche e di resistenza agli agenti chimici e atmosferici, sia per la sua rarità, che ne rende elevato il costo. Esso viene però usato nella preparazione di diverse leghe, sia da solo che in miscela con gli altri lantanidi nel cosiddetto mixmetal. Sensibili quantità di c. vengono usate nella produzione di ghisa nodulare o sferoidale, nella quale il c. sostituisce talvolta vantaggiosamente il magnesio come agente nodulizzante. Allo stato fuso il c. è praticamente immiscibile con l'uranio per cui è impiegato come mezzo di estrazione liquido-liquido degli elementi estranei dall'uranio del combustibile nucleare esausto. La lega ferro-c. è fortemente piroforica e viene utilizzata ampiamente nella preparazione di pietrine per accendisigari col nome di lega di Auer. Una lega di c. con altre terre rare, principalmente lantanio, nota come c. tecnico, viene diffusamente usata come agente riducente e disossidante in metallurgia. L'addizione di c. a certi acciai ne ostacola la ricristallizzazione, mentre l'alligazione di c. a leghe di alluminio e magnesio ne migliora certe caratteristiche come la durezza, la resistenza a trazione e al creep, soprattutto a caldo. L'ossido di c. CeO2 è uno dei componenti dei filamenti delle lampade ad incandescenza, dato che ne migliora l'emissione luminosa e la qualità della luce. Alcuni sali di c. vengono impiegati anche nella preparazione delle reticelle per lampade a gas. Altri vengono invece impastati negli elettrodi delle lampade ad arco per migliorare la stabilità e la luminosità dell'arco. L'ossido cerico CeO2 è anche impiegato nella preparazione di vetri a bassa conducibilità termica utilizzati in diversi campi, inclusa la fabbricazione di cucine economiche per impiego domestico. Certi sali cerici sono usati come coloranti, decoloranti e opacizzanti di vetri speciali. Ossidi di c., eventualmente in miscela con quelli di altre terre rare, sono anche impiegati come abrasivi nella lucidatura di lenti di qualità; secondo il tipo di preparazione che hanno subito essi presentano una diversa durezza, cosa assai utile. Il c. è anche impiegato: 1) come mezzo di raffreddamento di reattori nucleari, 2) per la preparazione di certi tipi di cellule fotoelettriche, 3) in forma di ossalato in medicina come antiemetico, 4) in forma di solfato o altri sali, in chimica analitica e 5) in forma di metallo come getter nei tubi a vuoto (includendo una piccola quantità all'atto della chiusura del tubo esso assorbe poi i gas non inerti eventualmente rimasti dentro).