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 H
3(Ca,
Fe)Ce
3Si
30
13, 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)PO
4, 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/cm
3 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/mm
2 mentre il carico di snervamento, ammonta a
circa 12 kg/mm
2; 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/mm
2, carico di snervamento 9 kg/mm
2,
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 Ce
2O
3 e quello
cerico CeO
2. Il Ce
2O
3 si presenta come
una polvere bianca con peso specifico fra 6,9 e 7 g/cm
3 insolubile in
acqua ma solubile in acido solforico con formazione del solfato
Ce
2(SO
4)
3. L'ossido cerico CeO
2 si
presenta come un solido bianco o giallo chiaro, di peso specifico 7,3
g/cm
3 che fonde a 2.600 °C ed è insolubile in acqua sia
fredda che calda, mentre si scioglie bene negli acidi forti, come lo
H
2SO
4 e lo HCl, formando i relativi sali. Esiste anche un
perossido cerico CeO
3, 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 CeO
2 in
CeF
3 fuso. Alternativamente si può preparare il
c.
metallico per via metallotermica, riducendo il fluoruro ceroso CeF
3
con litio metallico. Un ulteriore metodo consiste nella riduzione del cloruro
CeCl
3 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. CeO
2
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 CeO
2 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).