En las últimas semanas en los medios de comunicación se alude con mucha frecuencia a las tierras raras, se ha convertido en un tema de moda. En las redes sociales usan el anglicismo “trending topic” para manifestar que es un tema del momento, para ello ha contribuido especialmente las declaraciones del presidente Donald Trump en su intento de sellar un acuerdo con Ucrania sobre las tierras raras a cambio de garantías de seguridad.
Pese a que se habla mucho sobre las tierras raras, hay cierta confusión y merece la pena realizar una descripción divulgativa sobre lo que son y para que sirven sin perder un mínimo de rigor científico.
Se conocen los primeros elementos de las tierras raras desde finales del siglo XVIII. Realmente, no son ni tierras ni raras, en la naturaleza se presentan en forma de óxidos y algunos de sus elementos son más numerosos que el oro o el cobalto. El término “raras” se debe a que es muy difícil encontrarlos en una forma pura y la denominación “tierra” era la que se empleaba a los óxidos, recordemos que un óxido es un compuesto químico formado por al menos un átomo de oxígeno y un átomo de algún otro elemento. Inicialmente las tierras raras se encontraron en los países escandinavos.
Para realizar un acercamiento y comprender lo que son las tierras raras, sería conveniente recordar algunos conceptos básicos de la química.
La materia es todo lo que constituye el mundo físico que nos rodea, posee la característica de ocupar un lugar en el espacio y tener masa. Si subdividimos la materia en dos partes iguales y de forma sucesiva continuáramos realizando otra división, llegaríamos a obtener una unidad mínima de esa sustancia que conserva sus propiedades químicas, a esa unidad mínima se le conoce como molécula. La molécula puede estar formada átomos iguales o diferentes. Si estos átomos son idénticos entre sí, la sustancia de que se obtienen es un elemento químico; mientras que, si son distintos, la sustancia es un compuesto químico.
Un átomo es la partícula más pequeña de un elemento. Está compuesto por un núcleo y una corteza. El núcleo está compuesto a su vez por neutrones, sin carga eléctrica, y protones, con carga positiva. La corteza está compuesta por electrones cuya carga es negativa. El átomo es eléctricamente neutro, por lo que para cada elemento el número de electrones es igual al número de protones, a este número se le denomina número atómico (Z). La masa del electrón es despreciable frente a la del protón, y la del protón es igual a la del neutrón; por lo que, la masa atómica es igual a la suma de la del protón y neutrón.
La masa molecular es la suma de las masas de los átomos que compone la molécula. Se define un mol como la masa molecular expresada en gramos. El físico italiano Amedeo Avogadro (1776-1856) demostró que en un mol de cualquier sustancia contiene 6,022 1023 moléculas (número de Avogadro).
El número de Avogadro es tan enorme, que difícilmente puede concebirse. Para ayudar a su comprensión hay dos ejemplos clásicos. El primero es que si dividimos toda la Tierra en bolas de unos 15 centímetros de diámetro daría el número de Avogadro. El segundo ejemplo, sabemos que las cataratas del Niágara vierten algo más de 6500 m3 (1 m3 son 1000 litros) de agua por segundo. No obstante, en una gota de agua hay más moléculas que gotas de agua caen en 400 años en las cataratas del Niágara.
Dmitri Mendeléyev (1834-1907), famoso químico ruso publicó en 1869 la primera versión de tabla periódica que fue ampliamente reconocida, ordenó los elementos entonces conocidos basándose en sus propiedades químicas.
La tabla periódica de los elementos es una disposición de los elementos químicos en forma de tabla, ordenados por su número atómico. La tabla periódica está formada por siete filas y dieciocho columnas. Las filas se denominan períodos, y las columnas se denominan grupos.
Descubrimiento de los elementos de las tierras raras
Las tierras raras forman el subgrupo III de la Tabla periódica. Estos elementos químicos se suelen dividir tres familias: la del cerio (La, Ce, Pr, Nd, Pm y Sm), que forman sulfatos dobles insolubles; la del terbio (Eu, Gd y Tb), que dan sulfatos dobles moderadamente solubles; y la del ytrio (Y, Dy, Ho, Er, Tm, Yb y Lu), cuyos sulfatos dobles son muy solubles.
Veamos quiénes lo descubrieron y el origen de sus nombres:
El escandio (Sc), predicho por Mendelejew, fue descubierto por el químico sueco Fredik Nilson en 1879. El nombre de este elemento procede del latín Scandio (Escandinavia). En la naturaleza se encuentra como óxido Sc2O3 y como carbonato Sc2(CO3)3.
El itrio (Y), descubierto por el químico finlandés Johan Gadolin en 1794, que debe su nombre a la villa de Ytterby ubicada a 30 km de Estocolmo. Se presenta como un óxido Y2O3.
El Lantano (La), fue descubierto por el médico y farmacéutico sueco Gustav Monsander en 1836. Su nombre deriva del griego, que significa oculto. Se obtiene por electrólisis formando el óxido La2O3.
El Cerio (Ce), Es uno de los 14 elementos químicos que siguen al lantano en la tabla periódica, denominados por ello lantánidos. El cerio es el más abundante de los elementos de las tierras raras. El cerio fue el primero de los lantánidos en ser descubierto, en Bastnäs, Suecia, por Jöns Jakob Berzelius y Wilhelm Hisinger en 1803, e independientemente por Martin Heinrich Klaproth en Alemania en el mismo año. Su nombre proviene del de Ceres, asteroide descubierto dos años antes. El cerio se aisló originalmente en forma de su óxido. En la Tierra el cerio es casi tan abundante como el cobre.
El praseodimio (Pr), su nombre proviene de las palabras griegas prasios didymos, que significan gemelo verde. El praseodimio y el neodimio (Nd) se descubrieron juntos y por eso se les llamó gemelos, al ver que formaba una capa de óxido verde al contacto del aire, se le añadió a su nombre ese color. Estos dos elementos fueron descubiertos simultáneamente por el químico austriaco Carl Welsbach en 1885. A partir del didimio, que es una aleación o mezcla de los elementos praseodimio y neodimino.
El prometio (Pm), es un elemento químico sintético, es decir, una sustancia química creada artificialmente en laboratorio. Se produjo y caracterizó por primera vez en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge en 1945 mediante la separación y el análisis de los productos de fisión del combustible de uranio irradiado en un reactor de grafito. Inicialmente se le denominó “Prometeo” derivado del titán de la mitología griega quien robó el fuego del monte Olimpo y se lo llevó a los humanos.
El samario (Sm), fue descubierto en 1853 por el químico suizo Jean Charles Galissard de Marignac. El mineral se encontró inicialmente en los montes Urales, su nombre honra la memoria de un coronel ruso, Vasili SamamarsKy. Es una sustancia radiactiva.
El europio (Eu), descubierto en 1980 por el químico francés Paul Emile Lecoq de Boisbaudran. En 1901, Demarçay consiguió aislarlo por cristalización fraccionada de las sales dobles de nitrato de samario/europio de magnesio. Llamó al elemento europio por el continente de Europa.
El gadolinio (Gd), fue descubierto en 1880 por el químico suizo Jean Charles de Marignac, que detectó su óxido mediante espectroscopia. Su nombre deriva del mineral gadolinita, uno de los minerales en los que se encuentra el gadolinio, que a su vez lleva el nombre del químico finlandés Johan Gadolin.
El terbio (Tb), fue descubierto en 1843 por el químico sueco Carl Gustaf Mosander, que lo detectó como impureza en óxido de itrio. Su nombre se debe a la localidad sueca Ytterby en Suecia.
El disprosio (Dy), fue descubierto en 1886 por Paul el químico francés Émile Lecoq de Boisbaudran. En la naturaleza el disprosio se encuentra formado por 7 isótopos (156Dy, 158Dy, 160Dy, 161Dy, 162Dy, 163Dy, y 164Dy), y no existe en la corteza terrestre en forma aislada sino en compuestos junto con otros lantánidos. Recibe su nombre del latín dysprosium, y este del griego dysprósitos “difícil de alcanzar, inaccesible”.
El holmio (Ho), en la naturaleza el holmio se encuentra junto con otros metales de tierras raras (como el tulio). Fue descubierto a través de su aislamiento por el químico sueco Per Theodor Cleve e independientemente por Jacques-Louis Soret y Marc Delafontaine, que lo observaron espectroscópicamente en 1878. Su nombre proviene de Holmia, que es el nombre latino de la ciudad de Estocolmo.
El erbio (Er), es un elemento trivalente, maleable, relativamente estable en el aire y no se oxida tan rápidamente como otros metales de las tierras raras. El erbio (de Ytterby, una ciudad sueca) fue descubierto por Carl Gustaf Mosander en 1843.
El tulio (Tm), es el segundo elemento de las tierras raras menos abundante después del prometio. Descubierto en 1879 por el químico sueco Teodor Cleve, separó del óxido de tierras raras erbia otros dos componentes hasta entonces desconocidos, se trataba de los óxidos de holmio y de tulio, respectivamente. Su nombre procede del antiguo nombre griego de Escandinavia en latín, Thulium.
El iterbio (Yb), descubierto en 1878 por el químico suizo Jean Charles Galissard de Marignac separando de la tierra rara «erbia» otro componente independiente, al que llamó «ytterbia», por Ytterby, el pueblo de Suecia.
El lutecio (Lu), pese a que el lutecio no es un elemento particularmente abundante, es más común que la plata en la corteza terrestre. Fue descubierto de forma independiente en 1907 por el científico francés Georges Urbain, el mineralogista austríaco Barón Carol Auer von Welsbach, y el químico estadounidense Charles James. Su nombre procede del latín “Lutetia” que fue el primer nombre de París.
Para qué sirven
En la actualidad, las aplicaciones de las tierras raras son numerosas y claves en la industria del automóvil, electrónica, telecomunicaciones, aeroespacial, medicina, militar, … por tal motivo las tierras raras son consideradas minerales críticos.
Veamos las utilidades de las tierras raras por cada uno de sus elementos:
El escandio (Sc), sus aplicaciones principales son: lámparas de vapor de mercurio, el isótopo radiactivo (los isótopos de un elemento tienen el mismo número atómico pero distinto número másico, es decir, un isótopo tiene el mismo número de protones, pero un número diferente de neutrones) 46Sc se usa como trazador en la industria petrolífera, industria aeroespacial.
El itrio (Y), tiene las siguientes aplicaciones: radares, equipos de telecomunicación, led, industria del metal (aleaciones), filtros de microondas, rayos X, baterías eléctricas, lentes que tienen que resistir altas temperaturas, láseres y pantallas de televisión.
El lantano (La), aplicaciones: aleado se utiliza para fabricar piedras de encendedor, fabricación de vidrios ópticos especiales, rayos X, en medicina para el tratamiento de la insuficiencia renal crónica, baterías, televisión y sistemas de iluminación.
El cerio (Ce), aplicaciones: convertidores catalíticos para motores de explosión, pulidos de lentes, instrumentos ópticos, semiconductores, imanes permanentes, vidrios y luces.
El praseodimio (Pr), sus aplicaciones principales son: motores de avión, iluminación, vidrios, esmaltes y efectos magnetocalóricos.
El Neodimio (Nd), sus aplicaciones principales son: tintes de vidrio, gafas de protección para los soldadores, calibración espectrómetros, láseres, sustitución pintura metalizada coches, colorantes de esmaltes, imanes permanentes, fertilizantes y magnetoterapia.
El prometio (Pm), Su aplicación principal es en la industria de sustancias fosforescentes, generadores de potencia para usos espaciales y fuentes de rayos X.
El samario (Sm), aplicaciones: en óptica para absorber la luz infrarroja, imanes, en medicina para tratar el cáncer de hueso y otros cánceres.
El europio (Eu), El europio se utiliza en forma de sus sales para el revestimiento de tubos de rayos catódicos y en forma de derivados orgánicos como reactivos de desplazamiento en la espectroscopia de RMN.
El gadolinio (Gd), aplicaciones: refrigeración magnética y resonancia magnética nuclear.
El terbio (Tb), se utiliza como agente dopante en materiales lumínicos empleados en pantallas de TV, móviles o fibras ópticas.
El disprosio (Dy), se usa para: componente para láseres, barras de control en reactores nucleares, fuente de radiación infrarroja y en la fabricación de discos compactos.
El holmio (Ho), tiene pocas aplicaciones prácticas, aunque se ha usado como catalizador en reacciones químicas industriales y también para la fabricación de algunos dispositivos electrónicos. En medicina se utiliza el láser de holmio.
El erbio (Er), aplicaciones: filtro fotográfico, fibra óptica, vidrios, esmaltes para porcelanas, gafas de sol y joyería.
El tulio (Tm), aplicaciones: láser, rayos X y superconductores.
El iterbio (Yb), aplicaciones: láseres, rayos X y relojes atómicos.
El lutecio (Lu), debido a la dificultad de producción y su elevado precio, su principal aplicación es el tratamiento en medicina de distintos tumores.
Yacimientos de tierras raras
Las tierras raras están distribuidas de manera desigual en el planeta. Los países con mayor concentración de tierras raras son:
- China → 44 millones de toneladas de tierras raras.
- Vietnam → 22 millones de toneladas de tierras raras.
- Brasil → 21 millones de toneladas de tierras raras.
- Rusia → 10 millones de toneladas de tierras raras.
- EEUU → 1,8 millones de toneladas de tierras raras.
- Groenlandia → 1,5 millones de toneladas de tierras raras.
Las reservas mundiales de tierras raras ascienden a aproximadamente 130 millones de toneladas métricas, de las cuales una tercera parte se encuentran en China.
