Il discorso della scienza del professor Hanington: l'elemento raro cerio

Apr 27, 2023

LED bianco realizzato con cerio

Come promesso qualche settimana fa, questo mese esamineremo gli elementi delle terre rare per due motivi. Uno, purtroppo, è: ultimamente non ci sono molte notizie interessanti sulla scienza fisica che fanno notizia negli Stati Uniti né nel mondo e, come la maggior parte dei lettori sa, non mi occupo di nulla relativo alla biologia. Lo lascio ad Hannah che in questi giorni sta lavorando duramente al MIT.

La seconda ragione è: il tema delle terre rare diventerà presto un argomento molto caldo perché la Cina ha iniziato a limitare l’esportazione di questi importanti elementi, soprattutto negli ultimi mesi. In effetti, alcuni clienti di AHV hanno inoltrato questionari per verificare se AHV utilizza tali terre rare in qualcuno dei suoi prodotti e se ne risentiranno. Sebbene i motori, i magneti e l'elettronica speciale esotica possano, non siamo realmente toccati da questo embargo commerciale. Pertanto, sulla base di quanto sopra, continuiamo il nostro studio con il cerio, elemento delle terre rare.

Il cerio, con un numero atomico di 58, è un metallo morbido, duttile e bianco-argenteo che, proprio come l'argento, svilupperà un ossido quando esposto all'aria. Potresti aver sentito parlare di cerio per la prima volta quando hai acquistato un forno elettrico autopulente. Da decenni all'interno dei fornelli viene utilizzato nelle pareti l'ossido di Cerio(III) che aiuta a prevenire l'accumulo dei grassi di cottura agendo da catalizzatore per l'ossidazione degli idrocarburi. Oppure, se sei un fai-da-te e stai costruendo un telescopio, scoprirai che il processo di macinazione dello specchio utilizza l'ossido di cerio. Questo composto abbassa l'energia superficiale del vetro formando un materiale siliconico di ossigeno cerio che è più morbido del vetro sottostante e consente alla superficie di assumere una lucidatura liscia. Di solito è l'ultimo passaggio completato prima dell'alluminizzazione dello specchio.

Il cerio è anche il metallo principale della lega chiamata: mischmetal. Questo solido metallico ha l'interessante proprietà di scintillare facilmente se colpito o raschiato con il ferro ed è spesso usato come selce più leggera. Mischmetal, tedesco per "metallo misto", contiene anche molti altri elementi delle terre rare: 55% cerio, 25% lantanio e fino al 18% neodimio. Puoi ringraziare il chimico tedesco Carl Auer von Welsbach per aver scoperto questa strana lega nel suo tentativo di perfezionare i sistemi di illuminazione stradale a gas nella sua città natale. Pensa a lui la prossima volta che usi una scintilla come torcia.

La stabilità dei pigmenti quando esposti alla luce intensa può essere migliorata con l'aggiunta di cerio. La polvere di solfuro di cerio viene solitamente utilizzata dove è richiesto il colore rosso scuro perché ha una buona stabilità termica e non è tossica. Offre una tonalità resistente allo scurimento causato dalla luce solare. Potresti considerare una buona scommessa il fatto che molti segnali stradali incorporino cerio durante la loro produzione.

Un altro utilizzo dell'elemento è come additivo (16% Ce in peso) con alluminio per creare una lega eutettica colabile che ha un'eccellente resistenza alle alte temperature. Questa lega viene utilizzata soprattutto nella fusione delle testate dei motori ad alte prestazioni. Consentendo al motore di raggiungere temperature più elevate, la potenza erogata può essere aumentata notevolmente. Altre applicazioni automobilistiche del cerio riguardano i convertitori catalitici per l'ossidazione delle emissioni di CO e NOx nei gas di scarico.

Il cerio è il più abbondante di tutti gli elementi delle terre rare e costituisce 66 ppm della crosta terrestre, un valore leggermente inferiore a quello del rame (68 ppm), rendendo la sua classificazione come terra rara in realtà non così rara. Il cerio è presente in vari minerali, le principali fonti commerciali sono la monazite e la bastnäsite ed è considerata una delle terre rare più facili da estrarre grazie allo stato di ossidazione stabile +4 in soluzioni acquose. Per coloro che vogliono raffinare il cerio dalla bastnäsite, basta lavare con acido cloridrico per rimuovere il carbonato di calcio, arrostire all'aria per convertirlo in biossido di cerio che può ora essere lisciviato con acido muriatico.

Uno degli usi più recenti del cerio è stato nell'ultimo decennio nella costruzione di LED bianchi. La maggior parte dei LED "bianchi" oggi in produzione utilizza un LED al nitruro di gallio blu da 460 nm coperto da un rivestimento di fosforo giallastro solitamente costituito da cristalli di granato di ittrio e alluminio drogati con cerio che sono stati polverizzati e legati in un tipo di adesivo viscoso trasparente. Il chip LED emette luce blu, parte della quale viene convertita in gialla dallo YAG:Ce. Poiché la luce gialla stimola i recettori rossi e verdi dell'occhio, la miscela risultante di luce blu e gialla dà l'aspetto del bianco.