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Todo sobre las tierras raras

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Las Tierras Raras no son tan conocidas como tal vez debieran, pocas veces escuchamos mencionarles, las Tierras Raras están “atrapadas” cerca de la parte inferior de la tabla periódica de los elementos, la mayoría de la gente usa productos hechos con Tierras Raras todos los días . De hecho, sin ellas, nuestra vida no sería igual, pues se encuentran en la mayoría de los aparatos de alta tecnología como son teléfonos celulares, computadoras, solo por mencionar algunos.

Como puedes ver, con lo antes mencionado, los metales de Tierras Raras en realidad no son tan raros como su nombre indica, las tierras raras son simplemente más difíciles de extraer que la mayoría de los metales y generalmente no se acumulan en minerales.

Esta “rareza”, combinada con la demanda de los metales en aplicaciones de alta tecnología, genera complicaciones económicas y políticas que hacen que las tierras raras sean más interesantes.

Una ilustración de elementos de tierras raras en la tabla periódica.
Tabla periodica, tierras raras

🤷‍♂️ ¿Qué son las tierras raras?

Las tierras raras son una serie de elementos químicos que se encuentran en la corteza terrestre y que son vitales para muchas tecnologías modernas, como electrónica de consumo, computadoras y redes, comunicaciones, energía limpia, transporte avanzado, atención médica, mitigación ambiental, defensa nacional y muchas otras.

Debido a sus propiedades magnéticas, luminiscentes y electroquímicas únicas, estos elementos ayudan a que muchas tecnologías rindan con peso reducido, emisiones reducidas y consumo de energía; o darles una mayor eficiencia, rendimiento, miniaturización, velocidad, durabilidad y estabilidad térmica.

Los productos y tecnologías de tierras raras ayudan a impulsar el crecimiento económico global, mantener altos estándares de vida e incluso salvar vidas.

praseodimio, cerio, lantano, neodimio, samario y gadolinio.
Óxidos de tierras raras (en sentido de las manecillas del reloj desde la parte superior central): praseodimio, cerio, lantano, neodimio, samario y gadolinio.

¿Qué tan raras son?

El término “tierras raras” se utilizó por primera vez a finales del Siglo XVIII y principios del XIX, para referirse a Minerales que contienen elementos de tierras raras y y algunos otros metales, cuyos depósitos conocidos eran raros, solo posteriormente se asoció el nombre «elementos de tierras raras» (REE) únicamente al conjunto específico de elementos que denota hoy.

De hecho, en términos de su abundancia en la corteza terrestre, los REE no son particularmente raros. En promedio, como proporción de la corteza continental de la Tierra, el Cerio (Ce) es el más abundante, con 43 partes por millón (ppm), seguido por el lantano (20 ppm) y el neodimio (Nd, 20 ppm). El REE más raro es el tulio (Tm, 0.28 ppm), excepto el prometio (Pm) que está prácticamente ausente, ya que es radioactivo con una vida media corta. El itrio se produce a 19 ppm. Por lo tanto, sus abundancias generales no son diferentes de muchos otros elementos importantes como el litio (17 ppm), el germanio (1.3 ppm), el cobre (27 ppm), el estaño (1.7 ppm) y el uranio (1.3 ppm).

¿Cómo se comportan los elementos de las tierras raras?

Las propiedades distintivas de la REE se deben a su estructura atómica, especialmente a la configuración de sus electrones, que es diferente a la de otros elementos. Si bien todas las tierras raras comparten muchas propiedades importantes, otras son específicas de elementos particulares. Debido a sus similitudes químicas, aparecen juntas en minerales y rocas y son difíciles de separar entre sí (a veces se denomina “coherencia química”). Sin embargo, los numerosos usos prácticos de las tierras raras a menudo dependen de las propiedades físicas (eléctricas, magnéticas, espectroscópicas y térmicas) que son específicas de elementos particulares, por lo que el desafío de separarlos debe superarse.

Tierras raras ligeras y tierras raras pesadas

Sus propiedades químicas dependen no solo de su estructura atómica, sino también de su tamaño. Inusualmente, el tamaño atómico de los lantánidos disminuye al aumentar el número atómico, y esto resulta en que las tierras raras ligeras y y las tierras raras pesadas se producen en diferentes minerales. Por ejemplo, el lutecio puede sustituir más fácilmente por otros elementos en minerales donde los sitios disponibles son relativamente pequeños, donde el ion lantano más grande no cabe. Los compuestos de tierras raras son generalmente iónicos y a menudo muy estables, como en el caso de los óxidos. Los compuestos geológicos tienden a ser óxidos, haluros, carbonatos, fosfatos y silicatos, pero no sulfuros. La mayoría de los lantánidos exhiben un estado trivalente (es decir, Ln3 +, donde Ln es el símbolo genérico de los lantánidos), pero el cerio también puede ser cuadrivalente (Ce4 +) y el europio a menudo es divalente (Eu2 +). Cinco de las tierras raras (excluyendo promethium) contienen cada una una proporción de un isótopo radioactivo (138La, 144Nd, 147Sm, 152Gd, 176Lu)

Por lo tanto tenemos:

  • Los lantanoides suelen clasificarse en tierras raras ligeras
    • lantano
    • cerio
    • praseodimio
    • neodimio
    • promecio
    • samario
  • tierras raras pesadas
    • europio
    • gadolinio
    • terbio
    • disprosio
    • holmio
    • erbio
    • tulio
    • iterbio
    • lutecio

El único que no se halla naturalmente en la tierra es el promecio porque todos sus isótopos son radiactivos; se forma en los reactores nucleares.

😲 Elementos considerados tierras raras y su uso

Hay 17 elementos que se consideran elementos de tierras raras: 15 elementos en la serie de lantánidos y dos elementos adicionales que comparten propiedades químicas similares. En el siguiente listado te mostramos los usos de las tierras raras. Se enumeran a continuación por orden de número atómico (Z):

Escandio o Sc (21)

Scandium, un metal blanco plateado, es una tierra rara no lantánida. Se utiliza en muchos productos de consumo populares, como televisores y lámparas fluorescentes o de bajo consumo. En la industria, el uso principal de scandium es fortalecer los compuestos metálicos. Las únicas fuentes concentradas de escandio actualmente conocidas se encuentran en minerales raros tales como tortveitita, euxenita y gadolinita de Escandinavia y Madagascar.

Ficha de Escandio
Escandio

Itrio o Y (39)

El itrio es un elemento de tierras raras no lantánido que se utiliza en muchas aplicaciones vitales, como los superconductores, los poderosos láseres pulsados, los medicamentos para el tratamiento del cáncer, los medicamentos para la artritis reumatoide y los suministros quirúrgicos. Un metal plateado, también se usa en muchos productos de consumo popular, como televisores en color y lentes de cámara.

Itrio
Itrio

Lantano o La (57)

Este metal blanco plateado es uno de los elementos de tierras raras más reactivos. Se utiliza para fabricar gafas ópticas especiales, que incluyen lentes que absorben el cristal, la cámara y el telescopio, y también se pueden usar para hacer que el acero sea más maleable. Otras aplicaciones para el lantano incluyen el tratamiento de aguas residuales y la refinación de petróleo.

Lantano
Lantano

Cerio o Ce (58)

Llamado así por la diosa romana de la agricultura, Ceres, el cerio es un metal blanco plateado que se oxida fácilmente en el aire. Es el más abundante de los elementos de tierras raras y tiene muchos usos. Por ejemplo, el óxido de cerio se utiliza como catalizador en convertidores catalíticos en sistemas de escape de automóviles para reducir las emisiones, y es muy deseable para el pulido de vidrio de precisión. El cerio también se puede usar en aleaciones de hierro, magnesio y aluminio, imanes, ciertos tipos de electrodos e iluminación de arco de carbono.

Cerio
Cerio

Praseodimio o Pr (59)

Este metal suave y plateado se usó por primera vez para crear una mancha amarillo-naranja para la cerámica. Aunque todavía se usa para colorear ciertos tipos de vidrios y gemas, el praseodimio se usa principalmente en imanes de tierras raras. También se puede encontrar en aplicaciones tan diversas como la creación de metales de alta resistencia que se encuentran en motores de aviones y en pedernal para iniciar incendios.

Praseodimio
Praseodimio

Neodimio o Nd (60)

Otro neodimio suave de metal plateado se usa con praseodimio para crear algunos de los imanes permanentes más fuertes disponibles. Dichos imanes se encuentran en la mayoría de los vehículos y aeronaves modernos, así como en productos electrónicos de consumo populares como auriculares, micrófonos y discos de computadora. El neodimio también se usa para fabricar láseres infrarrojos de alta potencia para aplicaciones industriales y de defensa.

Neodimio
Neodimio

Prometio o Pm (61)

Aunque la búsqueda del elemento con el número atómico 61 comenzó en 1902, no fue sino hasta 1947 que los científicos produjeron y caracterizaron definitivamente el promethium, que lleva el nombre de un personaje de la mitología griega. Es el único elemento de tierras raras naturalmente radiactivo, y prácticamente todo el promethium en la corteza terrestre se descompuso hace tiempo en otros elementos. Hoy en día, está creado en gran parte artificialmente, y se usa en relojes, marcapasos y en investigación científica.

Prometio
Prometio

Samario o Sm (62)

Este metal plateado se puede usar de varias maneras vitales. En primer lugar, es parte de imanes muy potentes que se utilizan en muchas tecnologías de transporte, defensa y comerciales. En segundo lugar, junto con otros compuestos para la radioterapia intravenosa, puede destruir las células cancerosas y se usa para tratar el cáncer de los pulmones, la próstata, los senos y algunas formas de cáncer de los huesos. Debido a que es un absorbente de neutrones estable, el samario se usa para controlar varillas de reactores nucleares, lo que contribuye a su uso seguro.

Europio o Eu (63)

Nombrado para el continente de Europa, el europio es un metal duro utilizado para crear luz visible en bombillas fluorescentes compactas y en pantallas a color. Los fósforos de Europium ayudan a traer pantallas de color rojo brillante a color y ayudaron a impulsar la popularidad de las primeras generaciones de televisores en color. Oportunamente, se utiliza para hacer las marcas especiales de fósforos en billetes de euros que impiden la falsificación.

Europio
Europio

Gadolinio o Di-s (64)

El gadolinio tiene propiedades particulares que lo hacen especialmente adecuado para funciones importantes, como el blindaje en reactores nucleares y la radiografía de neutrones. Puede dirigirse a los tumores en la terapia neuronal y puede mejorar las imágenes por resonancia magnética (MRI), ayudando tanto en el tratamiento como en el diagnóstico del cáncer. Los rayos X y las pruebas de densidad ósea también pueden usar gadolinio, lo que hace que este elemento de tierras raras sea un importante contribuyente a las soluciones modernas de atención médica.

Gadolinio
Gadolinio

Terbio o Tb (65)

Este metal plateado de tierras raras es tan suave que se puede cortar con un cuchillo. El terbio se usa a menudo en iluminación fluorescente compacta, pantallas a color y como un aditivo a los imanes permanentes de tierras raras para permitirles funcionar mejor a temperaturas más altas. Se puede encontrar en celdas de combustible diseñadas para operar a temperaturas elevadas, en algunos dispositivos electrónicos y en sistemas de sonar navales. Descubierto en 1843, el terbio en su forma de aleación tiene la magnetoestricción más alta de cualquier sustancia, lo que significa que cambia su forma debido a la magnetización más que cualquier otra aleación. Esta propiedad hace que el terbio sea un componente vital de Terfenol-D, que tiene muchos usos importantes en defensa y tecnologías comerciales.

Terbio
Terbio

Disprosio o Dy (66)

Otro disprosio suave de metal plateado tiene una de las más altas fuerzas magnéticas de los elementos, combinada solo con holmio. El dysprosium a menudo se agrega a imanes permanentes de tierras raras para ayudarlos a operar más eficientemente a temperaturas más altas. Los láseres y la iluminación comercial pueden usar disprosio, que también se puede usar para crear discos duros de computadoras y otros componentes electrónicos que requieren ciertas propiedades magnéticas. El disprosio también se puede usar en reactores nucleares y vehículos modernos con consumo eficiente de energía.

Disprosio
Disprosio

Holmio u Ho (67)

El holmio fue descubierto en 1878 y recibió el nombre de la ciudad de Estocolmo. Junto con el disprosio, el holmio tiene propiedades magnéticas increíbles. De hecho, algunos de los campos magnéticos más fuertes creados artificialmente son el resultado de concentradores de flujo magnético hechos con aleaciones de holmio. Además de proporcionar coloración a zirconia cúbica y vidrio, el holmio se puede utilizar en barras de control nuclear y equipos de microondas.

Holmio
Holmio

Erbio o Er (68)

Otra tierra rara con aplicaciones nucleares, el erbio se puede encontrar en barras de control que absorben neutrones. Es un componente clave de los sistemas de comunicaciones de fibra óptica de alto rendimiento, y también se puede utilizar para dar al vidrio y otros materiales un color rosado, que tiene fines tanto estéticos como industriales. Erbium también puede ayudar a crear láseres, incluidos algunos utilizados con fines médicos.

Erbio
Erbio

Tulio o Tm (69)

Un metal gris plateado, el tulio es una de las tierras raras menos abundantes. Sus isótopos se usan ampliamente como el dispositivo de radiación en rayos X portátiles, lo que hace que el tulio sea un material altamente útil. El tulio también es un componente de los láseres altamente eficientes con diversos usos en defensa, medicina y meteorología.

Tulio
Tulio

Iterbio o Yb (70)

Este elemento, llamado así por un pueblo en Suecia asociado con su descubrimiento, tiene varios usos importantes en la atención médica, incluso en ciertos tratamientos contra el cáncer. El iterbio también puede mejorar el acero inoxidable y usarse para monitorear los efectos de los terremotos y las explosiones en el suelo.

Iterbio
Iterbio

Lutecio o Lu (71)

El último de los elementos de tierras raras (en orden de su número atómico) tiene varios usos interesantes. Por ejemplo, los isótopos del lutecio pueden ayudar a revelar la edad de los objetos antiguos, como los meteoritos. También tiene aplicaciones relacionadas con la refinación de petróleo y la tomografía por emisión de positrones. Experimentalmente, los isótopos de lutecio se han utilizado para dirigirse a ciertos tipos de tumores.

Lutecio
Lutecio

Colectivamente, los elementos de tierras raras contribuyen a las tecnologías vitales en las que confiamos hoy para la seguridad, la salud y la comodidad. Todos los elementos de tierras raras contribuyen al avance de las tecnologías modernas y a los descubrimientos prometedores por venir.

🤷‍♀️ ¿Qué son los lantánidos?

Los lantánidos son bastante comunes en la corteza terrestre, tienden a ser muy difíciles de extraer en cantidades utilizables. Estos elementos son brillantes y usualmente plateados, al menos hasta que estén expuestos al oxígeno. Son altamente reactivos, y aunque no son explosivos, se empañan rápidamente, lo que los hace susceptibles a la contaminación de otros elementos.

No todos los lantánidos se empañan a la misma velocidad. El lutecio y el gadolinio, por ejemplo, pueden exponerse al aire durante largos períodos sin manchar, mientras que elementos como el lantano, el neodimio y el europio son muy reactivos y deben almacenarse en aceite mineral para evitar el empañamiento.

Los Lanthanides tienen tres electrones de valencia: dos en el orbital 6s y uno en el orbital 5d. Su configuración electrónica cambia a medida que Z aumenta porque los nuevos electrones que entran en la nube de electrones se colocan en los siete orbitales 4f.El lantano no tiene electrones 4f, el Cerio tiene uno, Praseodimium tiene dos, etc., hasta el Lutecio que tiene catorce electrones que llenan completamente los orbitales 4f.Los tres electrones de valencia hacen que REE3+ sea el ión más estable que se encuentra en la naturaleza excepto el Eupio, que es principalmente como Eu2 +, y el Cerio que puede estar parcialmente oxidado a Ce4 +.

Todos los miembros del grupo de lantánidos son extremadamente suaves. La mayoría se pueden cortar fácilmente con un cuchillo y no requieren herramientas pesadas para quitarlos de la tierra.

Estos elementos no se consideran raros porque son difíciles de encontrar. Son raros porque es difícil extraer cantidades suficientes de la forma pura de cada elemento para satisfacer todas y cada una de las necesidades industriales.

⚠️ Tierras raras en el mercado (y el peligro de tener un productor dominante)

Según el Servicio Geológico de los Estados Unidos, a partir de 2000, China producía más del 90% de la demanda mundial de metales de tierras raras. Sus minerales son ricos en itrio, lantano y neodimio.

En agosto de 2010, los temores persistentes sobre el dominio chino de los suministros cruciales de tierras raras pusieron los ojos del mundo cuando China restringió las cuotas de exportación de los metales sin explicación oficial, lo que de inmediato desencadenó un debate sobre la descentralización de la producción mundial de tierras raras.

Distribución de tierras raras en el mundo

China tiene la mayoría de las reservas de tierras raras del mundo con alrededor del 36%, las naciones de la Commonwealth rusa tienen el 19% (la Comunidad de Estados Independientes, naciones post-soviéticas), los Estados Unidos tienen el 13% y Australia el 5% de las tierras raras reservas [1]. China tiene algunas de las concentraciones más importantes de tierras raras en el mundo, incluida la mina Bayan Obo en Mongolia Interior. La exposición muestra el aumento en la producción del resto del mundo a medida que aumenta la competencia por la extracción y el suministro de óxido de tierras raras (REO).

Producción de tierras raras
Producción anual y producción prevista de materiales de tierras raras. Adaptado de [2].
Si bien China extrae la mayoría de las tierras raras en el mundo, el país solo posee alrededor de un tercio de la reserva restante y es menos dominante en la extracción de otros minerales críticos. China solo produce el 7 por ciento del litio mundial, con solo el 20 por ciento de las reservas recuperables. Beijing también tiene menos dominio sobre la producción de cobalto, que es más raro. Aproximadamente el 60 por ciento de todo el cobalto se extrae en la República Democrática del Congo, que posee la mitad de las reservas económicamente recuperables a nivel mundial. Del mismo modo, los países del sur y este de África ofrecen uno de los mayores potenciales para la extracción de tierras raras. A diferencia de los EE. UU., China tiene menos escrúpulos para invertir en estas minas, donde se ha identificado la trata de personas y el trabajo infantil.

Dependencia de Estados Unidos

Mientras que China ha estado avanzando en su búsqueda de dominar las tierras raras, Estados Unidos solo se ha vuelto más dependiente de las importaciones de tierras raras: las tierras raras no se extrajeron en absoluto en los EE. UU. En 2017, con China suministrando el 78 por ciento de las importaciones entre 2013 y 2016 Estos elementos son necesarios para fabricar no solo turbinas eólicas y paneles solares, sino también misiles de crucero y aviones sigilosos.

Los altos funcionarios de la administración Trump ya han destacado la dependencia de Estados Unidos de los elementos importados de tierras raras. Testificando al Congreso sobre las amenazas mundiales a los Estados Unidos, el entonces Director de la CIA, Mike Pompeo, destacó la necesidad de que Estados Unidos desarrolle un método para reducir dicha dependencia. Una vez, China redujo sus exportaciones de Tierras Raras a un peso político exacto.

El Congreso también debe tomar medidas aprobando la Ley de tecnologías avanzadas de carbón del elemento de tierras raras, que asigna dinero al secretario adjunto de energía fósil para crear un programa para desarrollar técnicas avanzadas de refinación y extracción para hacer económicamente más depósitos locales de Tierras Raras e identificar y mitigar interrupciones en la cadena de suministro global de Tierras Raras. Sin embargo, el proyecto de ley también debería permitir que el Servicio Geológico de Estados Unidos brinde información sobre los suministros y las vulnerabilidades nacionales de Tierras Raras.

El Congreso también puede intensificar los fondos para el Instituto de Minerales Críticos del Departamento de Energía, lo que le permite invertir más en investigación y desarrollo, competir por más concursos de premios e iniciar asociaciones público-privadas con compañías para desarrollar baterías que utilicen minerales menos críticos o eliminen ellos por completo. El desarrollo de técnicas más avanzadas para reciclar baterías usadas o defectuosas también podría compensar una porción significativa de la demanda estadounidense. Por último, los Estados Unidos pueden aliviar razonablemente las restricciones para extraer minerales críticos en tierras públicas para impulsar la producción nacional

Se conocen grandes cantidades de minerales de tierras raras en California, pero la minería actual no es lo suficientemente significativa como para controlar estratégicamente cualquier porción del mercado global de tierras raras.

Las tierras raras se negocian en la Bolsa de Nueva York en forma de ETF que representan una canasta de acciones de proveedores y mineras, en lugar de negociar en los metales mismos. Esto se debe a su rareza y precio, así como a su consumo casi estrictamente industrial. Los metales de tierras raras no se consideran una buena inversión física, como los metales preciosos, que tienen un valor intrínseco de baja tecnología.

🌎 Recursos minerales mundiales de tierras raras

Las tierras raras son relativamente abundantes en la corteza terrestre, pero las concentraciones detectables son menos comunes que en la mayoría de los otros minerales. Los recursos de los EE. UU. Y del mundo están principalmente en bastnäsite y monazita. Los depósitos de Bastnäsit en China y los Estados Unidos constituyen el mayor porcentaje del los recursos económicos mundiales de tierras raras, mientras que los depósitos de monacita en Australia, Brasil, China, India, Malasia, Sudáfrica, Sri Lanka, Tailandia y los Estados Unidos constituyen el segundo segmento más grande.

La mayoría de los recursos restantes son la apatita, la queralita, el eudialyte, la loparita, las fosforitas, las arcillas que contienen tierras raras (adsorción de iones), la monacita secundaria, las soluciones de uranio gastadas y la xenotime. Se cree que los recursos no descubiertos son muy grandes en relación con la demanda esperada. Esto según el Resumen de productos minerales del Estudio Geológico de los Estados Unidos en 2017

🤔 Perspectiva de elementos de tierras raras

Se espera que la demanda mundial de automóviles, electrónica de consumo, iluminación de bajo consumo y catalizadores aumente rápidamente durante la próxima década. Se espera que la demanda de imanes de tierras raras aumente, al igual que la demanda de baterías recargables. Se espera que los nuevos desarrollos en tecnología médica aumenten el uso de los láseres quirúrgicos, la resonancia magnética y los detectores de centelleo por tomografía por emisión de positrones.

Los elementos de tierras raras son muy utilizados en todas estas industrias, por lo que la demanda de ellos debe mantenerse alta.

Referencias

  • [1] “Statista – The Statisitics Portal.” [Online]. Available: https://www.statista.com/statistics/279953/rare-earth-production-in-china-and-outside/. [Accessed: 31-Aug-2018].
    [2] A. Kumari, M. K. Sinha, S. Pramanik, and S. K. Sahu, “Recovery of rare earths from spent NdFeB magnets of wind turbine: Leaching and kinetic aspects,” Waste Manag., vol. 75, pp. 486–498, 2018.
  • [3] REE Background (Webpage), Wyoming State Geological Survey
    A precise definition of rare earth elements (REEs) and in-depth discussion of how common REEs are, worldwide REE production, and current REE production.
  • [4] Rare Earths Statistics and Information (Website), U.S. Geological Survey Portal for information on annual production, price, and use of rare earth elements since 1997, plus links to further information.
  • [5] The Rare Earth Elements – Vital to Modern Technologies and Lifestyles (Factsheet), U.S. Geological Survey
    Factsheet on the origin, distribution, abundance, supply and demand, and uses of rare earth elements

Comentarios

comments

2 Comentarios
  1. Bob Fern dice

    Excelente lectura, aqui viene la guerra comercial de las tierras raras (China vs USA)

  2. […] casi 30 años, la decisión de Pekín de convertir las tierras raras en un material estratégico y de prohibirles a los extranjeros minarlas fue lo que ayudó a […]

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