As terras raras são um grupo de 17 elementos químicos, dos quais 15 pertencem ao grupo dos lantanídeos, desde o lantânio até o lutécio, aos quais se adiciona o escândio e o ítrio, elementos que possuem propriedades físico-químicas similares, principalmente, características espectroscópicas e magnéticas. A industrialização das terras raras começou com a fabricação de camisas de lampião, que é um dispositivo para a geração de luz branca brilhante quando aquecida. Com o tempo, esses compostos começaram a ser mais utilizados, por exemplo, na produção da liga metálica “mischmetal” usada para a confecção de pedras-de-isqueiro. Outra aplicação é na fabricação de baterias recarregáveis do tipo níquel – hidreto metálico, na síntese orgânica e na catalise.
A configuração eletrônica proporciona propriedades físico-químicas semelhantes entre os lantanídeos. Os átomos neutros possuem uma configuração 6s2 e uma ocupação variável do nível 4f, com exceção do lantânio. Contudo, para os íons trivalentes este efeito não é observado e ocorre um aumento regular na configuração 4fn (n = 1- 14). Dessa forma, a configuração desses elementos pode ser escrita como [Xe] 4fn 5s2 5p6 5d0-1 6s2, podendo observar que os orbitais 4f estão blindados pelos orbitais 5s, 5p, 5d, 6s.
Uma das principais propriedades das terras raras é a ocorrência da contração lantanídica, na qual ocorre uma redução uniforme no tamanho atômico e iônico com crescimento do número atômico. A principal razão dessas contrações é o efeito eletrostático associado com o aumento da carga nuclear, a qual não é completamente blindada por elétrons do orbital 4f.
Por essa razão, as terras raras possuem muitas aplicações na indústria, tal como na catalise em que são usados geralmente na forma de óxidos. Esses têm sido amplamente utilizados como co-catalisadores em aplicação comercial, uma vez que sua adição melhora a atividade, a seletividade e aumenta a estabilidade térmica, sendo muito utilizada no tratamento de emissão de gases, principalmente, no tratamento de emissões automotivas.
Para o tratamento de emissões automotivas é utilizado, normalmente, um catalisador formado por óxido de cério, em que consiste de um sólido não estequiométrico de duas fases formadas por óxidos de Ce3+ e Ce4+, possuindo características de oxirredução, de alta mobilidade de oxigênio e por ser um estabilizador. Esse catalisador é montado dentro de uma carcaça de aço inoxidável, dando princípio ao “conversor catalítico”. Esse é constituído por um suporte no qual é depositado o material catalítico compostos de alumínio, com uma área de superfície elevada, e de diferentes metais, como óxidos de lantânio. Desta forma, ocorrem oxidação de CO e de hidrocarbonetos, além da redução de NO, como visto nas seguintes reações 1,2 e 3:
CeO2 + x CO à CeO2-x + x CO2 (1)
CeO2 + CxHy à CeO2-(2x + 0,5y) + x CO2 + 0,5y H2O (2)
CeO2-x + x NO à CeO2 + 0,5x N2 (3)
Essas reações ocorrem de forma simultânea. Ademais, é importante que as concentrações dos poluentes e do oxigênio estejam próximas aos valores estequiométricos, por isso o Cério também tem a função de fornecer oxigênio da sua rede cristalina.
Bibliografia:
MARTINS, Tereza S.; ISOLANI, Paulo Celso. Terras raras: aplicações industriais e biológicas. Química Nova, v. 28, n. 1, p. 111-117, 2005.
LEE, John David. Química inorgânica não tão concisa. Editora Blucher, 1999.
TROVARELLI, Alessandro et al. The utilization of ceria in industrial catalysis. Catalysis today, v. 50, n. 2, p. 353-367, 1999.