CERIU (IV) OXID: STRUCTURĂ, PROPRIETĂȚI, UTILIZĂRI - CHIMIE - 2025

Oxid de ceriu (IV) oxid sau Ceric este un alb sau galben pal solid anorganic produs prin oxidarea ceriu (Ce) pentru oxigen pentru valență 4+. Formula chimică a oxidului de ceriu este CeO ₂ și este cel mai stabil oxid de ceriu.

Cerium (Ce) este un element din seria lantanidelor, care sunt incluse în grupul pământurilor rare. Sursa naturală a acestui oxid este bastnasitul mineral. În concentratul comercial al acestui mineral, CeO ₂ pot fi găsite într - o proporție aproximativă de până la 30% în greutate.

O probă de oxid de ceriu (IV). Imagine realizată în august 2005 de către utilizator: Walkerma. {{PD-self}} Sursa: Wikipedia Commons

CeO ₂ poate fi ușor obținut prin încălzirea ceriu hidroxid (III), Ce (OH) ₃ , sau orice sare de ceriu (III), cum ar fi oxalat, carbonat sau nitrat, în aer sau oxigen .

Stoechiometric CeO ₂ poate fi obținut prin reacția temperatură ridicată de oxid de ceriu (III) cu oxigen elementar. Oxigenul trebuie să depășească și trebuie să i se permită suficient timp pentru a finaliza conversia diferitelor faze nestecoichiometrice care se formează.

Aceste faze cuprind produse multicolore cu formula CeO _x (unde x variază între 1,5 și 2,0). Se mai numesc CeO _2-x , unde x poate avea o valoare de până la 0,3. CeO ₂ este cea mai utilizată formă de Ce în industrie. Are o clasificare scăzută a toxicității, în special datorită solubilității sale reduse în apă.

Probă de minerale Bastnasite. Rob Lavinsky, iRocks.com - CC-BY-SA-3.0 Sursa: Wikipedia Commons

Structura

Ceriu stoichiometric (IV) oxid cristalizeaza în rețeaua cubică de tip fluorină (CaF ₂ ), cu 8 O ^2- ioni într - o structură cubică coordonată cu 4 de Ce ⁴⁺ ionii .

Structura cristalină de oxid de ceriu (IV). Benjah-bmm27 Sursa: Wikipedia Commons

Nomenclatură

- Oxid de ceriu (IV).

- Oxid ceric.

- Dioxidul de ceriu.

- Ceria.

- oxid de ceriu stoechiometric: materialul format în întregime de CeO ₂ .

- oxid de ceriu non-stoichiometric: materialul format prin amestecuri de oxizi de la CeO ₂ la CeO _1.5

Proprietăți

Stare fizică

Solid galben pal. Culoarea este sensibilă la stoechiometrie și la prezența altor lantanide. Oxizii nestoechiometrici sunt adesea albaștri.

Duritate Mohs

6-6.1 aproximativ.

Greutate moleculară

172,12 g / mol.

Punct de topire

2600 ºC aproximativ.

Densitate

7.132 g / cm ³

Solubilitate

Insolubil în apă caldă și rece. Solubil în acid sulfuric concentrat și acid azotic concentrat. Insolubil în acizi diluati.

Indicele de refracție

2.2.

Alte proprietăți

CeO ₂ este o substanță inertă, nu este atacat de acizi puternici sau alcali. Cu toate acestea, ea poate fi dizolvat de acizi în prezența unor agenți de reducere, cum ar fi peroxid de hidrogen (H ₂ O ₂ ) sau de staniu (II), printre altele, generarea de soluții ceriu (III).

Are stabilitate termică ridicată. Nu suferă modificări cristalografice în intervalele obișnuite de încălzire.

Derivatul său hidratat ( CeO2 _. NH ₂ O) este un precipitat galben și gelatinos care se obține prin tratarea soluțiilor de ceriu (IV) cu baze.

CeO ₂ este slab absorbit din tractul gastrointestinal, deci nu are efecte toxice.

Aplicații

- În industria metalurgică

CeO ₂ este utilizat în electrozii anumitor tehnologii de sudare, cum ar fi sudarea cu arc de tungsten cu gaz inert.

Oxidul este dispersat fin în întreaga matrice de tungsten. La tensiuni scăzute, aceste particule CeO ₂ conferă o fiabilitate mai mare decât tungstenul singur.

- În industria sticlei

Lustruirea sticlei

CeO ₂ poate decolora pahare de sodă-lime pentru sticle, ulcioare și altele asemenea. Ce (IV) oxidează impuritățile Fe (II), care oferă o culoare verde-albăstrui, la Fe (III), care dă o culoare galbenă de 10 ori mai slabă.

Sticlă rezistentă la radiații

Adăugarea de 1% CeO ₂ la sticlă suprimă decolorarea sau întunecarea sticlei cauzată de bombardarea electronilor cu energie mare în ochelarii TV. Același lucru este valabil și pentru sticla folosită în ferestrele din celulele fierbinți din industria nucleară, deoarece suprimă decolorarea indusă de raze gamma.

Se crede că mecanismul de suprimare depinde de prezența ionilor Ce ⁴⁺ și Ce ³⁺ în zăbrele de sticlă.

Ochelari fotosensibili

Unele formulări din sticlă pot dezvolta imagini latente care pot fi apoi transformate într-o structură sau culoare permanentă.

Acest tip de sticlă conține CeO ₂ care absoarbe radiațiile UV și eliberează electroni în matricea de sticlă.

După tratament, creșterea cristalelor altor compuși din sticlă este generată, creând modele detaliate pentru utilizări electronice sau decorative.

- În emailuri

Datorită indicelui de refracție ridicat, CeO ₂ este un opacifiere agent în compozițiile de smalț utilizate ca acoperiri protectoare pe metale.

Stabilitatea sa termică ridicată și forma sa cristalină unică pe întreaga gamă de temperaturi atinse în timpul procesului de glazură, îl fac potrivit pentru utilizarea în glazuri de porțelan.

În această aplicație, CeO ₂ asigură acoperirea albă dorită în timpul arderii smaltului. Este ingredientul care oferă opacitate.

- În ceramică de zirconiu

Zirconia ceramică este un izolator termic și este utilizată în aplicații la temperaturi ridicate. Necesită un aditiv pentru a avea rezistență și rezistență ridicate. Adăugarea CeO ₂ la zirconiu produce un material cu o rezistență excepțională și rezistență bună.

CeO ₂ dopat cu oxid de zirconiu este utilizat în acoperirile pentru a acționa ca o barieră termică pe suprafețe metalice.

De exemplu, în piesele motorului aeronavelor aceste acoperiri protejează de temperaturile ridicate la care ar fi expuse metalele.

Motor turboreactor. Jeff Dahl, traducere din spaniolă de Xavigivax Sursa: Wikipedia Commons

- În catalizatori pentru controlul emisiilor vehiculului

CeO ₂ este o componentă activă în eliminarea poluanților din emisiile vehiculului. Acest lucru se datorează în mare măsură capacității sale de a stoca sau elibera oxigen în funcție de condițiile din jurul său.

Convertizorul catalitic al autovehiculelor este situat între motor și ieșirea gazelor de eșapament. Are un catalizator care trebuie să oxideze hidrocarburi nearse, conversia CO la CO ₂ și reducerea oxizilor de azot, NO _x , la N ₂ și O ₂ .

Convertizor catalitic pentru gazele de eșapament din motorul cu ardere internă a unui vehicul cu motor. Ahanix1989 la Wikipedia Wikipedia Sursa: Wikipedia Commons

Pe lângă platină și alte metale catalitice, principala componentă activă a acestor sisteme multifuncționale este CeO ₂ .

Fiecare convertor catalitic conține 50-100 g de fin divizat CeO ₂ , care servește mai multe funcții. Cele mai importante sunt:

Acționează ca un stabilizator pentru alumina cu suprafață ridicată

Alumina cu suprafață ridicată tinde să se sinterizeze, pierzând suprafața ridicată în timpul funcționării la temperaturi ridicate. Acest lucru este întârziată de prezența CeO ₂ .

Se comportă ca un agent de eliberare-tampon de oxigen

Datorită capacității sale de a forma oxizi nestoichiometrici CeO _2-x , oxidul de ceriu (IV) furnizează oxigen elementar al structurii proprii în perioada ciclului bogat în oxigen / combustibil.

Astfel, oxidarea hidrocarburilor arse provenite de la motor și transformarea CO în CO _{2 poate continua} , chiar și atunci când oxigenul gazos este insuficient.

Apoi, în perioada ciclului bogat în oxigen, preia oxigenul și se oxidează, recuperându-și forma stoichiometrică CeO ₂ .

Alții

Funcționează ca un îmbunătățitor al capacității catalitice a rodiului în reducerea oxizilor de azot NO _x la azot și oxigen.

- În cataliza reacțiilor chimice

În procesele de cracare catalitică a rafinării, CeO ₂ acționează ca un oxidant catalitic , care ajută la conversia SO ₂ SO ₃ și promovează formarea de sulfați în anumite capcane ale procesului.

CeO ₂ îmbunătățește activitatea catalizatorului pe bază de oxid de fier , care este utilizat pentru obținerea de stiren pornind de la etilbenzen. Acest lucru este posibil datorită interacțiunii pozitive dintre perechile de reducere a oxidului de Fe (II) - Fe (III) și Ce (III) - Ce (IV).

- În aplicații biologice și biomedicale

S-a descoperit că nanoparticulele CeO ₂ acționează prin eliminarea radicalilor liberi, cum ar fi superoxidul, peroxidul de hidrogen, hidroxilul și radicalul de oxid nitric.

Acestea pot proteja țesuturile biologice de deteriorarea indusă de radiații, leziunile retiniene induse de laser, pot crește durata de viață a celulelor fotoreceptorilor, reduc leziunile coloanei vertebrale, reduc inflamațiile cronice și promovează angiogeneza sau formarea vaselor de sânge.

În plus, anumite nanofibre care conțin nanoparticule CeO ₂ s-au dovedit a fi toxice împotriva tulpinilor bacteriene, fiind candidați promițători pentru aplicații bactericide.

- Alte utilizări

CeO ₂ este un material izolant electric datorită stabilității sale chimice excelente, permisivității relative ridicate (are o tendință ridicată de polarizare atunci când se aplică un câmp electric) și a unei rețele cristaline similare cu siliconul.

A găsit aplicație în condensatoare și straturi de amortizare a materialelor supraconductoare.

De asemenea, este utilizat în senzori de gaz, materiale electrod cu celule de combustibil solid, pompe de oxigen și monitoare de oxigen.

Referințe

1. Cotton, F. Albert și Wilkinson, Geoffrey. (1980). Chimie anorganică avansată. A patra editie. John Wiley & Sons.
2. Dans, JC; Emeléus, HJ; Sir Ronald Nyholm și Trotman-Dickenson, AF (1973). Chimie anorganică cuprinzătoare. Volumul 4. Pergamon Press.
3. Kirk-Othmer (1994). Enciclopedia tehnologiei chimice. Volumul 5. Ediția a patra. John Wiley & Sons.
4. Enciclopedia de chimie industrială a lui Ullmann. (1990). Ediția a cincea. Volumul A6. VCH Verlagsgesellschaft mbH.
5. Casals, Eudald și colab. (2012). Analiza și riscul nanomaterialelor în probe de mediu și alimente. În chimie analitică completă. Recuperat de la sciencedirect.com.
6. Mailadil T. Sebastian. (2008). Alumina, Titania, Ceria, silicat, tungstat și alte materiale. În Materiale Dielectrice pentru comunicații fără fir. Recuperat de la sciencedirect.com.
7. Afeesh Rajan Unnithan și colab. (2015). Schele cu proprietăți antibacteriene. În aplicații Nanotehnologie pentru Ingineria țesuturilor. Recuperat de la sciencedirect.com.
8. Gottardi V. și colab. (1979). Lustruirea suprafeței unui pahar cercetat cu o tehnică nucleară. Buletinul societății spaniole de ceramică și sticlă, vol. 18, nr. 3. recuperat din boletines.secv.es.