El cerio se sintetiza en las estrellas principalmente mediante el proceso s (captura lenta de neutrones) en estrellas de la rama asintótica de las gigantes (AGB), con contribuciones del proceso r (captura rápida de neutrones) durante las supernovas y las fusiones de estrellas de neutrones. El cerio es un producto significativo de ambos procesos de nucleosíntesis, lo que explica su abundancia relativamente alta entre las tierras raras.
La abundancia cósmica del cerio es de aproximadamente 1,2×10⁻⁹ veces la del hidrógeno en número de átomos, lo que lo convierte en la tierra rara más abundante del universo. Esta alta abundancia se debe a la posición favorable del cerio en la curva de estabilidad nuclear, particularmente el isótopo Ce-140, que tiene un número mágico de neutrones (82), lo que le confiere una estabilidad excepcional.
Las líneas espectrales del cerio neutro (Ce I) y ionizado (Ce II) son observables en los espectros estelares, aunque menos prominentes que las de elementos más ligeros. El cerio se utiliza como trazador del enriquecimiento químico estelar y galáctico. La relación cerio/hierro en estrellas pobres en metales ayuda a limitar las contribuciones relativas de los procesos s y r en la historia de la nucleosíntesis galáctica.
Algunas estrellas químicamente peculiares, en particular las estrellas Ap y las enanas blancas altamente magnéticas, muestran anomalías en la abundancia de cerio. Estas variaciones se atribuyen a procesos de difusión atómica en las atmósferas estelares bajo la influencia de campos magnéticos intensos y presiones radiativas. El estudio de estas anomalías proporciona información sobre los procesos físicos en atmósferas estelares extremas.
El cerio recibe su nombre del asteroide Ceres, descubierto en 1801 por Giuseppe Piazzi. El descubrimiento casi simultáneo del asteroide y del elemento llevó a esta denominación. El cerio fue el primer elemento de tierras raras identificado y aislado, allanando el camino para el descubrimiento posterior de todos los lantánidos.
En 1803, Jöns Jacob Berzelius (1779-1848) y Wilhelm Hisinger (1766-1852) en Suecia, e independientemente Martin Heinrich Klaproth (1743-1817) en Alemania, descubrieron un nuevo óxido terroso en el mineral de cerita encontrado en Bastnäs, Suecia. Demostraron que se trataba de un elemento desconocido, al que llamaron cerio. El descubrimiento paralelo e independiente en dos lugares refleja la intensa actividad científica de la época.
El aislamiento del cerio metálico resultó difícil debido a su reactividad y tendencia a formar aleaciones. En 1825, Carl Gustav Mosander (1797-1858), alumno de Berzelius, obtuvo cerio metálico impuro mediante la reducción del cloruro de cerio con potasio. No fue hasta principios del siglo XX que los métodos de reducción electrolítica y metalotérmica permitieron la producción de cerio metálico puro en cantidades industriales.
El cerio está presente en la corteza terrestre con una concentración media de aproximadamente 66 ppm, lo que lo convierte en el 25º elemento más abundante en la Tierra, más abundante que el cobre o el plomo. Es con diferencia la tierra rara más abundante, representando alrededor del 50% de la masa total de tierras raras en la corteza terrestre. Los principales minerales de cerio son la bastnasita ((Ce,La)CO₃F), que contiene entre un 40-75% de óxidos de tierras raras, y la monacita ((Ce,La,Th)PO₄), que contiene entre un 50-70% de óxidos de tierras raras.
La producción mundial de óxidos de cerio es de aproximadamente 80.000 a 100.000 toneladas por año. China domina la producción con alrededor del 85-90% del total mundial, seguida por Estados Unidos, Australia, Myanmar e India. Esta extrema concentración geográfica hace del cerio un elemento estratégicamente crítico a pesar de su abundancia geológica.
El cerio metálico se produce principalmente mediante la reducción del óxido de cerio (CeO₂) con calcio metálico a alta temperatura (reducción calciotérmica), o por electrólisis del cloruro de cerio fundido. La producción anual mundial de cerio metálico es de aproximadamente 20.000 toneladas. El reciclaje del cerio sigue siendo limitado, representando menos del 1% de la oferta, aunque los esfuerzos para recuperar el cerio de los catalizadores automotrices usados y las lámparas fluorescentes se están intensificando.
El cerio (símbolo Ce, número atómico 58) es el primer elemento de la serie de los lantánidos, perteneciente a las tierras raras del bloque f de la tabla periódica. Su átomo tiene 58 protones, generalmente 82 neutrones (para el isótopo más abundante \(\,^{140}\mathrm{Ce}\)) y 58 electrones con la configuración electrónica [Xe] 4f¹ 5d¹ 6s² o [Xe] 4f² 6s², según el estado.
El cerio es un metal dúctil de color gris plateado brillante que se oxida rápidamente en el aire, formando una capa de óxido que no protege eficazmente al metal subyacente. El cerio presenta la propiedad única entre las tierras raras de exhibir un polimorfismo complejo con cuatro formas alotrópicas. La transición de α-cerio a γ-cerio bajo presión va acompañada de una espectacular contracción volumétrica del 14-17%, un fenómeno excepcional entre los elementos.
El cerio se funde a 798 °C (1071 K) y hierve a 3443 °C (3716 K). Su densidad varía según la forma alotrópica: el γ-cerio (forma estable a temperatura ambiente) tiene una densidad de 6,77 g/cm³, mientras que el α-cerio tiene una densidad de 8,16 g/cm³. El cerio es un buen conductor de electricidad y calor, con una conductividad eléctrica aproximadamente 7 veces menor que la del cobre.
El cerio es un metal altamente reactivo, especialmente a altas temperaturas. Se enciende espontáneamente en el aire húmedo a temperatura ambiente y arde vigorosamente cuando se calienta, produciendo una llama blanca brillante. El cerio reacciona vigorosamente con el agua, produciendo hidróxido de cerio y gas hidrógeno. El cerio en polvo fino o en virutas es pirofórico y se enciende espontáneamente en el aire.
Punto de fusión del cerio: 1071 K (798 °C).
Punto de ebullición del cerio: 3716 K (3443 °C).
El cerio presenta una transición alotrópica bajo presión con una contracción volumétrica excepcional del 14-17%.
| Isótopo / Notación | Protones (Z) | Neutrones (N) | Masa atómica (u) | Abundancia natural | Vida media / Estabilidad | Desintegración / Observaciones |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Cerio-136 — \(\,^{136}\mathrm{Ce}\,\) | 58 | 78 | 135,907172 u | ≈ 0,185 % | Estable | Isótopo estable raro del cerio, que representa aproximadamente el 0,2% del total natural. |
| Cerio-138 — \(\,^{138}\mathrm{Ce}\,\) | 58 | 80 | 137,905991 u | ≈ 0,251 % | Estable | Isótopo estable raro, ligeramente más abundante que el Ce-136. |
| Cerio-140 — \(\,^{140}\mathrm{Ce}\,\) | 58 | 82 | 139,905439 u | ≈ 88,450 % | Estable | Isótopo ultra-dominante del cerio, que representa casi el 88,5% del total. Número mágico de neutrones (82). |
| Cerio-142 — \(\,^{142}\mathrm{Ce}\,\) | 58 | 84 | 141,909244 u | ≈ 11,114 % | ≈ 5×10¹⁶ años | Radiactivo (doble β⁻), vida media extremadamente larga, prácticamente estable a escala humana. |
| Cerio-141 — \(\,^{141}\mathrm{Ce}\,\) | 58 | 83 | 140,908276 u | Sintético | ≈ 32,5 días | Radiactivo (β⁻). Producto de fisión importante, utilizado como trazador en medicina nuclear y en investigación. |
| Cerio-144 — \(\,^{144}\mathrm{Ce}\,\) | 58 | 86 | 143,913647 u | Sintético | ≈ 284,9 días | Radiactivo (β⁻). Producto de fisión significativo, utilizado como fuente de calor en generadores termoeléctricos de radioisótopos. |
N.B.:
Capas electrónicas: Cómo están organizados los electrones alrededor del núcleo.
El cerio tiene 58 electrones distribuidos en seis capas electrónicas. Su configuración electrónica es inusual y puede escribirse como [Xe] 4f¹ 5d¹ 6s² o [Xe] 4f² 6s², dependiendo del estado energético. Esta ambigüedad resulta de la proximidad energética excepcional de los orbitales 4f y 5d en el cerio, lo que lleva a configuraciones electrónicas variables según el entorno químico. Esta configuración también puede escribirse como: K(2) L(8) M(18) N(18) O(19-20) P(2-3).
Capa K (n=1): contiene 2 electrones en la subcapa 1s. Esta capa interna está completa y es muy estable.
Capa L (n=2): contiene 8 electrones distribuidos como 2s² 2p⁶. Esta capa también está completa, formando una configuración de gas noble (neón).
Capa M (n=3): contiene 18 electrones distribuidos como 3s² 3p⁶ 3d¹⁰. Esta capa completa contribuye al blindaje electrónico.
Capa N (n=4): contiene 18 electrones distribuidos como 4s² 4p⁶ 4d¹⁰. Esta capa forma una estructura estable y completa.
Capa O (n=5): contiene 19 o 20 electrones según la configuración: 5s² 5p⁶ 4f¹ 5d¹⁰ o 5s² 5p⁶ 4f² 5d⁹. La subcapa 4f comienza a llenarse.
Capa P (n=6): contiene 2 o 3 electrones en las subcapas 6s² o 6s² 6p¹. Estos electrones son los electrones de valencia del cerio.
El cerio tiene típicamente 4 electrones de valencia, aunque este número puede variar. Los principales estados de oxidación son +3 y +4. El estado +3 es característico de todos los lantánidos, donde el cerio pierde tres electrones para formar el ion Ce³⁺ con la configuración [Xe] 4f¹. El estado +4 es único entre los lantánidos ligeros y particularmente estable para el cerio, formando el ion Ce⁴⁺ con la configuración [Xe], isoelectrónico con el xenón.
El estado +4 aparece en muchos compuestos importantes del cerio, notablemente el dióxido de cerio (CeO₂ o ceria), que es el compuesto de cerio más importante industrialmente. Esta capacidad de existir fácilmente en dos estados de oxidación hace del cerio un excelente agente oxidante y un catalizador redox excepcional. La fácil interconversión entre Ce³⁺ y Ce⁴⁺ subyace en muchas aplicaciones catalíticas del cerio.
Se han sintetizado compuestos de cerio con estado de oxidación +2 en condiciones extremas, pero estos compuestos son extremadamente inestables y se oxidan rápidamente. La química del cerio está, por lo tanto, esencialmente dominada por los estados +3 y +4, con una preferencia por el estado +4 en condiciones oxidantes.
El cerio es altamente reactivo con el oxígeno y se oxida rápidamente en el aire, formando una capa de óxido de cerio que no protege eficazmente al metal. A altas temperaturas, el cerio se enciende espontáneamente en el aire y arde con una llama blanca brillante intensa, produciendo dióxido de cerio (CeO₂): Ce + O₂ → CeO₂. El polvo fino de cerio es pirofórico y se enciende espontáneamente a temperatura ambiente, requiriendo manipulación en una atmósfera inerte.
El cerio reacciona lentamente con el agua fría pero vigorosamente con el agua caliente o el vapor, produciendo hidróxido de cerio(III) y liberando gas hidrógeno: 2Ce + 6H₂O → 2Ce(OH)₃ + 3H₂↑. Esta reacción se acelera significativamente a altas temperaturas. El hidróxido de cerio(III) es una base moderadamente fuerte que precipita fácilmente de las soluciones acuosas.
El cerio reacciona vigorosamente con los halógenos para formar trihaluros o tetrahaluros: 2Ce + 3Cl₂ → 2CeCl₃ o Ce + 2F₂ → CeF₄. El cerio se disuelve fácilmente en ácidos, incluso diluidos, con liberación de hidrógeno: 2Ce + 6HCl → 2CeCl₃ + 3H₂↑. También reacciona con el azufre para formar sulfuro de cerio (Ce₂S₃), con el nitrógeno a altas temperaturas para formar nitruro de cerio (CeN), y con el carbono para formar carburo de cerio (CeC₂).
La propiedad química más notable del cerio es su capacidad para oscilar fácilmente entre los estados de oxidación +3 y +4. El cerio(IV) es un oxidante potente en soluciones ácidas, capaz de oxidar muchos compuestos orgánicos e inorgánicos. Esta propiedad redox se explota en numerosas aplicaciones catalíticas, particularmente en los convertidores catalíticos automotrices donde el cerio facilita la oxidación de los contaminantes y la reducción de los óxidos de nitrógeno.
La aplicación dominante del cerio, que representa aproximadamente el 40-50% del consumo mundial, es su uso en convertidores catalíticos automotrices en forma de óxido de cerio (CeO₂ o ceria). El cerio juega un papel crucial en la reducción de las emisiones contaminantes de los vehículos, contribuyendo significativamente a la mejora de la calidad del aire urbano desde la década de 1980.
La función principal del cerio en los catalizadores de tres vías (TWC) es el almacenamiento y liberación de oxígeno. El cerio oscila entre los estados Ce³⁺ (óxido CeO₁,₅) y Ce⁴⁺ (óxido CeO₂), capturando el oxígeno excedente en condiciones ricas en combustible y liberándolo en condiciones pobres, manteniendo así una relación aire-combustible óptima para la conversión simultánea de monóxido de carbono, hidrocarburos no quemados y óxidos de nitrógeno.
Los convertidores catalíticos modernos contienen típicamente entre un 10-30% de óxido de cerio en masa, a menudo combinado con circona (CeO₂-ZrO₂) para mejorar la estabilidad térmica y la capacidad de almacenamiento de oxígeno. Un vehículo automóvil típico contiene entre 30-100 gramos de cerio en su catalizador. Las investigaciones actuales apuntan a aumentar la eficiencia catalítica mientras se reduce el contenido de metales preciosos (platino, paladio, rodio) mediante formulaciones optimizadas de cerio.
El dióxido de cerio ultrafino (CeO₂) es el material de pulido estándar para vidrios ópticos de alta precisión desde hace más de un siglo. Su combinación única de dureza moderada, química de superficie activa y tamaño de partícula controlado permite obtener superficies ópticas de una planitud y acabado excepcionales, inigualables por otros abrasivos.
El pulido con cerio es esencial para la fabricación de lentes fotográficas de alta gama, ópticas astronómicas, espejos de telescopios, componentes láser, lentes para litografía UV profunda en la fabricación de semiconductores y vidrios para pantallas planas de alta resolución. El mecanismo de pulido combina una acción mecánica (abrasión suave) y una acción química (hidrólisis superficial del vidrio), produciendo superficies con una rugosidad inferior a 0,5 nanómetros.
La industria óptica mundial consume aproximadamente entre 10.000 y 15.000 toneladas de óxido de cerio anualmente para el pulido, representando alrededor del 10-15% de la demanda total de cerio. Un espejo de telescopio de 8 metros de diámetro requiere varios cientos de kilogramos de óxido de cerio para alcanzar el acabado óptico requerido. A pesar de las investigaciones sobre alternativas, ningún material ha igualado aún el rendimiento del cerio para el pulido óptico de precisión extrema.
El mischmetal es una aleación de tierras raras ligeras que contiene típicamente entre un 45-50% de cerio, un 25% de lantano, un 15-18% de neodimio, un 5% de praseodimio y trazas de otros lantánidos. Esta aleación tiene propiedades pirofóricas notables: produce chispas intensas cuando se frota contra una superficie rugosa, debido a la ignición de virutas microscópicas arrancadas por fricción.
La aplicación histórica mayor del mischmetal fueron las piedras de encendedor, inventadas en la década de 1900. Los mecheros modernos aún utilizan este principio, con el mischmetal produciendo las chispas necesarias para encender el gas. Esta aplicación de consumo representó una demanda significativa de cerio durante décadas. El mischmetal también se utiliza como aditivo metalúrgico para desulfurar aceros y mejorar sus propiedades mecánicas, así como agente de nucleación en aleaciones ligeras de aluminio y magnesio.
El cerio y sus compuestos presentan una toxicidad de baja a moderada. Los compuestos solubles de cerio pueden causar irritación en la piel, los ojos y las vías respiratorias. La exposición crónica al polvo de cerio puede provocar neumoconiosis ocupacional (ceriosis) en trabajadores expuestos en las industrias de pulido y metalurgia, aunque esta condición es rara y generalmente benigna.
La ingestión de compuestos solubles de cerio puede causar trastornos gastrointestinales, náuseas y vómitos. El cerio se acumula principalmente en el hígado y el esqueleto óseo en casos de exposición crónica. Estudios toxicológicos en animales sugieren toxicidad hepática y alteración del metabolismo del calcio a dosis altas. Sin embargo, la exposición humana significativa al cerio sigue siendo relativamente rara fuera de entornos ocupacionales especializados.
Las nanopartículas de óxido de cerio, cada vez más utilizadas en combustibles diésel, catalizadores y recubrimientos, plantean preocupaciones ambientales y de salud emergentes. Su pequeño tamaño les permite penetrar profundamente en los pulmones y potencialmente atravesar barreras biológicas. Estudios in vitro muestran efectos prooxidantes y daño celular a ciertas concentraciones, aunque las nanopartículas de cerio también exhiben propiedades antioxidantes paradójicas bajo otras condiciones.
La exposición ambiental al cerio proviene principalmente de la minería de tierras raras, el refinamiento metalúrgico y la emisión de nanopartículas de cerio de aditivos diésel y el desgaste de los convertidores catalíticos. Las concentraciones de cerio en suelos cerca de minas de tierras raras pueden ser significativamente elevadas, alcanzando varios cientos de ppm. Los estándares de exposición ocupacional suelen establecer el límite en 3-5 mg/m³ para el polvo respirable. No existen aún normas específicas para las nanopartículas de cerio en el medio ambiente, lo que refleja el estado temprano del conocimiento sobre sus impactos ecotoxicológicos.
