Falando em ciência do professor Hanington: elemento raro cério

Apr 27, 2023

LED branco feito com cério

Como prometido há algumas semanas, estamos analisando os elementos de terras raras este mês por dois motivos. Uma, infelizmente, é: ultimamente não há muitas notícias interessantes sobre ciências físicas nas manchetes nos Estados Unidos nem no mundo e, como a maioria dos leitores sabe, não cubro nada relacionado à biologia. Deixo isso para Hannah, que está trabalhando duro no MIT atualmente.

A segunda razão é: o assunto dos elementos de terras raras logo se tornará um tema muito quente porque a China começou a limitar a exportação desses importantes elementos, especialmente nos últimos meses. De fato, alguns dos clientes da AHV encaminharam questionários para saber se a AHV usa tais terras raras em algum de seus produtos e se seremos afetados. Embora motores, ímãs e eletrônicos exóticos especiais possam, não somos realmente afetados por esse embargo comercial. Portanto, com base no exposto, continuamos nosso estudo com o elemento terras raras cério.

O cério, com um número atômico de 58, é um metal macio, dúctil e branco-prateado que, assim como a prata, desenvolve uma mancha de óxido quando exposto ao ar. Você pode ter ouvido falar sobre cério pela primeira vez ao comprar um forno elétrico autolimpante. Durante décadas, dentro do fogão, o óxido de Cério(III) é usado nas paredes para ajudar a prevenir o acúmulo de gordura de cozinha, agindo como um catalisador para a oxidação de hidrocarbonetos. Ou, se você é um faz-você-mesmo e está fazendo um telescópio, descobrirá que o processo de retificação do espelho usa óxido de cério. Este composto reduz a energia da superfície do vidro formando um material de silicone de oxigênio de cério que é mais macio do que o vidro subjacente e permite que a superfície assuma um polimento suave; geralmente é a última etapa concluída antes de aluminizar o espelho.

O cério também é o principal metal da liga chamada: mischmetal. Este sólido metálico tem a interessante propriedade de faiscar facilmente quando atingido ou raspado com ferro e é freqüentemente usado como pederneira mais leve. Mischmetal, alemão para "metal misto" também contém vários outros elementos de terras raras: 55% de cério, 25% de lantânio e até 18% de neodímio. Você pode agradecer ao químico alemão Carl Auer von Welsbach por descobrir esta estranha liga em sua busca para tentar aperfeiçoar os sistemas de iluminação de manto de gás de rua em sua cidade natal. Pense nele na próxima vez que usar um acendedor de faíscas como tocha.

A estabilidade dos pigmentos quando expostos à luz intensa pode ser aumentada pela adição de cério. O pó de sulfeto de cério é geralmente usado onde a cor vermelha escura é necessária porque tem boa estabilidade térmica e não é tóxico. Oferece uma tonalidade resistente ao escurecimento causado pela luz solar. Você pode considerar uma boa aposta que muitos sinais de trânsito incorporam cério durante sua fabricação.

Outro uso para o elemento é como um aditivo (16% Ce por peso) com alumínio para criar uma liga eutética fundível que possui excelente resistência a altas temperaturas. Esta liga é utilizada principalmente na fundição de cabeçotes de motores de alto desempenho. Ao permitir que o motor funcione mais quente, a potência pode ser aumentada drasticamente. Outras aplicações automotivas para o cério são em conversores catalíticos para a oxidação das emissões de CO e NOx nos gases de escapamento.

O cério é o mais abundante de todos os elementos de terras raras que compõem 66 ppm da crosta terrestre, um valor ligeiramente inferior ao do cobre (68 ppm), tornando sua classificação como uma terra rara realmente não tão rara. O cério ocorre em vários minerais, sendo as fontes comerciais importantes a monazita e a bastnäsite e é considerada uma das terras raras mais fáceis de extrair devido ao estado estável de oxidação +4 em soluções aquosas. Para aqueles que desejam refinar o cério da bastnäsite, basta lavar com ácido clorídrico para remover o carbonato de cálcio, aquecer ao ar para converter em dióxido de cério que agora pode ser lixiviado com ácido muriático.

Um dos usos mais recentes do cério na última década foi na construção de LEDs brancos. A maioria dos LEDs "brancos" em produção hoje usa um LED de nitreto de gálio azul de 460 nm coberto por um revestimento de fósforo amarelado geralmente feito de cristais de granada de alumínio e ítrio dopados com cério que foram pulverizados e ligados em um tipo de adesivo viscoso transparente. O chip de LED emite luz azul, parte da qual é convertida em amarelo pelo YAG:Ce. Como a luz amarela estimula os receptores vermelhos e verdes do olho, a mistura resultante de luz azul e amarela dá a aparência de branco.