TIERRAS RARAS
Toda la información sobre que son las tierras raras y sus grandes usos en la tecnología
Las materias primas son fundamentales para el funcionamiento de la economía de una región industrializada como, por ejemplo, Estados Unidos o la Unión Europea. En este grupo de materias primas, destacan principalmente las tierras raras por sus grandes usos y aplicaciones.
La demanda mundial de materias primas no energéticas ha experimentado un crecimiento sin precedentes en el siglo XX, por esta razón, es que las tierras raras son muy importantes en el sector industrial.
¿Qué son tierras raras?
Las tierras raras es el nombre colectivo que se le ha asignado a 17 elementos metálicos químicamente similares (los lantánidos, escandio e itrio) que se producen en una amplia gama de minerales y se extraen colectivamente. Generalmente se dividen en elementos de tierras raras ligeras (LREE) y en elementos de tierras raras pesadas (HREE); estos últimos se encuentran en concentraciones relativamente más bajas en la corteza terrestre. Debido a sus similitudes químicas, la extracción de elementos de tierras raras (REE) es un proceso técnicamente complicado, que requiere un procesamiento intenso.
Los REE son vitales para las sociedades industrializadas de todo el mundo, ya que se utilizan en una gama de productos, incluidos componentes de reactores nucleares, teléfonos celulares, imanes, lentes de cámara y baterías.
¿Son elementos realmente raros?
Los elementos de tierras raras no son tan «raros» como su nombre nos podría hacer suponer. El tulio y el lutecio son los dos elementos de tierras raras menos abundantes, pero cada uno tiene una abundancia cortical promedio que es casi 200 veces mayor que la abundancia cortical del oro. Sin embargo, estos metales son muy difíciles de extraer porque es inusual encontrarlos en concentraciones suficientemente altas para una extracción económica.
Los elementos de tierras raras más abundantes son cerio, itrio, lantano y neodimio. Tienen abundancias en la corteza promedio que son similares a los metales industriales comúnmente utilizados, como el cromo, el níquel, el zinc, el molibdeno, el estaño, el tungsteno y el plomo. Igualmente, aunque estos elementos sean más abundantes, rara vez se encuentran en concentraciones extraíbles.
Las 17 Tierras Raras
Nombre de las familias de los elementos que pertenecen a las tierras raras: todos los elementos químicos pertenecen al grupo de los lantánidos a excepción del escandio e itrio que pertenecen al grupo 3.
Abreviaturas de tierras raras
Si bien, en el idioma español las abreviaturas no son muy utilizadas a menudo, es importante saber las abreviaturas en la lengua inglesa. Dichas abreviaturas son utilizadas a nivel mundial y serán útiles para entender cualquier contexto en el que se las introduzcan.
- RE = rare earth (tierra rara).
- REM = rare-earth metals (metales de tierras raras).
- REE = rare-earth elements (elementos de tierras raras).
- REO = rare-earth oxides (óxidos de tierras raras).
- REY = rare-earth elements and yttrium (elementos de tierras raras e itrio).
- LREE = light rare-earth elements (elementos ligeros de tierras raras).
- HREE = heavy rare-earth elements (elementos pesados de tierras raras).
- MREE = middle rare-earth elements (elementos medios de tierras raras).
Tierras raras de la tabla periódica
Los 17 elementos de tierras raras son cerio (Ce), disprosio (Dy), erbio (Er), europio (Eu), gadolinio (Gd), holmio (Ho), lantano (La), lutecio (Lu), neodimio (Nd ), praseodimio (Pr), prometio (Pm), samario (Sm), escandio (Sc), terbio (Tb), tulio (Tm), iterbio (Yb) e itrio (Y). A menudo se encuentran en minerales con torio (Th), y con menos frecuencia en minerales con uranio (U).
Propiedades de las tierras raras
Estas propiedades comunes se aplican tanto a los lantánidos como a los actínidos.
- Las tierras raras son metales plateados, blancos plateados o grises.
- Los metales tienen un alto brillo pero se manchan fácilmente en el aire.
- Los metales tienen alta conductividad eléctrica.
- Las tierras raras comparten muchas características y propiedades comunes. Esto hace que sean difíciles de separar o incluso distinguir entre sí.
- Existen diferencias muy pequeñas en solubilidad y formación compleja entre las tierras raras.
- Los metales de tierras raras ocurren naturalmente juntos en minerales (por ejemplo, la monacita es un fosfato mixto de tierras raras).
- Las tierras raras se encuentran con no metales, generalmente en el estado de oxidación 3+. Hay poca tendencia a variar la valencia. (El europio también tiene una valencia de 2+ y el cerio también una valencia de 4+).
Descubrimiento e historia de las tierras raras
El primer elemento de las tierras raras descubierto fue el mineral negro «ytterbita» (rebautizado como gadolinita en 1800).
Este mineral fue descubierto por el teniente Carl Axel Arrhenius en 1787 en una cantera en el pueblo de Ytterby, Suecia.
El mineral «ytterbita» de Arrhenius llegó a Johan Gadolin, profesor de la Real Academia de Turku, y su análisis arrojó un óxido (tierra) desconocido que llamó itria. Anders Gustav Ekeberg aisló el berilio de la gadolinita, pero no reconoció otros elementos contenidos en el mineral.
Después de este descubrimiento en 1794, un mineral de la mina Bastnäs cerca de la localidad Riddarhyttan en Suecia, que se creía que era un mineral de hierro y tungsteno, fue reexaminado por Jöns Jacob Berzelius y Wilhelm Hisinger. En 1803 obtuvieron un óxido blanco y lo llamaron cerio. Martin Heinrich Klaproth descubrió independientemente el mismo óxido y lo llamó ochroia.
Por lo tanto, en 1803 había dos elementos conocidos de tierras raras, itrio y cerio, aunque los investigadores tardaron otros 30 años en determinar que otros elementos estaban contenidos en los dos minerales cerio e itrio (la similitud de las propiedades químicas de los metales de tierras raras dificultó su clasificación).
En 1839, Carl Gustav Mosander, un asistente de Berzelius, separó el cerio calentando el nitrato y disolviendo el producto en ácido nítrico. Llamó al óxido de la sal soluble, lantano. Le llevó tres años más separar el lantano en didimio y lantano puro.
En 1842 Mosander también separó el itrio en tres óxidos: itrio puro, terbio y erbio (todos los nombres se derivan del nombre de la ciudad «Ytterby»). A la tierra que entregaba sales rosadas las llamaba terbio; mientras que, el que produjo peróxido amarillo se lo llamó erbio.
Entonces, en 1842, el número de elementos conocidos de tierras raras había alcanzado seis: itrio, cerio, lantano, didimio, erbio y terbio.
En 1860, Nils Johan Berlin y Marc Delafontaine intentaron también separar el itrio crudo y encontraron las mismas sustancias que Mosander obtuvo. Esta confusión condujo a varias afirmaciones falsas de nuevos elementos, como el mosandrium de J. Lawrence Smith, o el philippium y decipium de Delafontaine. Debido a la dificultad de separar los metales (y determinar que la separación está completa), el número total de descubrimientos falsos fue decenas, con algunos poniendo el número total de descubrimientos en más de cien.
No hubo más descubrimientos durante 30 años, y el elemento didimio se incluyó en la tabla periódica de elementos con una masa molecular de 138. En 1879, Delafontaine utilizó el nuevo proceso físico de espectroscopía de llama óptica y encontró varias líneas espectrales nuevas en el didimio. También en 1879, el nuevo elemento samario fue aislado por Paul Émile Lecoq de Boisbaudran del mineral samarskita.
La tierra de samaria fue separada por Lecoq de Boisbaudran en 1886, y Jean Charles Galissard de Marignac obtuvo un resultado similar por aislamiento directo de samarskita. Llamaron al elemento gadolinio en referencia a Johan Gadolin, y su óxido se llamó «gadolinia».
Otros análisis espectroscópicos entre 1886 y 1901 de samario, itrio y samarskita por William Crookes, Lecoq de Boisbaudran y Eugène-Anatole Demarçay arrojaron varias líneas espectroscópicas nuevas que indicaban la existencia de un elemento desconocido. La cristalización fraccionada de los óxidos produjo europio en 1901.
En 1839, la tercera fuente de tierras raras se hizo disponible. Este es un mineral similar a la gadolinita, uranotantalum (ahora llamada «samarskita»). Este mineral de Miass en el sur de los Montes Urales fue documentado por Gustav Rose. El químico ruso R. Harmann propuso que un nuevo elemento que él llamó «ilmenio» debería estar presente en este mineral, pero más tarde, Christian Wilhelm Blomstrand, Galissard de Marignac y Heinrich Rose encontraron solo tantalio y niobio (columbio).
El número exacto de elementos de tierras raras que existía no estaba muy claro, y se estimó un número máximo de 25. El uso de espectros de rayos X (obtenidos por cristalografía de rayos X) por Henry Gwyn Jeffreys Moseley permitió asignar números atómicos a los elementos. Moseley descubrió que el número exacto de lantánidos tenía que ser 15, y ese elemento 61 aún no se había descubierto.
Utilizando estos datos sobre los números atómicos de la cristalografía de rayos X, Moseley también demostró que el hafnio (elemento 72) no sería un elemento de tierras raras. Moseley fue asesinado en la Primera Guerra Mundial en 1915, años antes de que se descubriera el hafnio. Por lo tanto, la afirmación de Georges Urbain de que había descubierto el elemento 72 era falsa. El hafnio es un elemento que se encuentra en la tabla periódica inmediatamente debajo del circonio, el hafnio y el circonio son muy similares en sus propiedades químicas y físicas.
Durante la década de 1940, Frank Spedding y otros en los Estados Unidos (durante el Proyecto Manhattan) desarrollaron los procedimientos de intercambio de iones químicos para separar y purificar los elementos de tierras raras. Este método se aplicó primero a los actínidos para separar el plutonio-239 y el neptunio del uranio, el torio, el actinio y los demás actínidos en los materiales producidos en los reactores nucleares. El plutonio-239 era muy deseable porque es un material fisionable.
Las principales fuentes de elementos de tierras raras son los minerales bastnäsita, monacita y loparita y las arcillas lateríticas de adsorción de iones. A pesar de su alta abundancia relativa, los minerales de tierras raras son más difíciles de extraer, lo que hace que los elementos de tierras raras sean relativamente caros. Su uso industrial fue muy limitado hasta que se desarrollaron técnicas de separación eficientes, como el intercambio iónico, la cristalización fraccionada y la extracción líquido-líquido.
Algunos concentrados de ilmenita contienen pequeñas cantidades de escandio y otros elementos de tierras raras, que podrían analizarse mediante XRF.
Clasificación inicial de tierras raras
Antes de que los métodos de intercambio iónico y la elución estuvieran disponibles, la separación de las tierras raras se lograba principalmente por precipitación o cristalización repetidas.
En aquellos días, la primera separación era en dos grupos principales, las tierras de cerio (escandio, lantano, cerio, praseodimio, neodimio y samario) y las tierras de itrio (itrio, disprosio, holmio, erbio, tulio, iterbio y lutecio).
El europio, el gadolinio y el terbio se consideraron como un grupo separado de elementos de tierras raras (el grupo de terbio) o el europio se incluyó en el grupo de cerio, y el gadolinio y el terbio se incluyeron en el grupo de itrio.
La razón de esta división surgió de la diferencia en solubilidad de sulfatos dobles de tierras raras con sodio y potasio. Los dobles sulfatos de sodio del grupo cerio son difícilmente solubles, los del grupo terbio ligeramente y los del grupo itrio son muy solubles.
A veces, el grupo de itrio se dividió aún más en el grupo de erbio (disprosio, holmio, erbio y tulio) y el grupo de iterbio (iterbio y lutecio), pero hoy el grupo principal se encuentra entre los grupos de cerio y de itrio. Hoy en día, los elementos de tierras raras se clasifican como elementos de tierras raras ligeras o pesadas, en lugar de grupos de cerio e itrio.
Clasificación de tierras raras ligeras y tierras raras pesadas
La clasificación de los elementos de tierras raras es inconsistente entre los autores. La distinción más común entre elementos de tierras raras se realiza mediante números atómicos; los que tienen números atómicos bajos se denominan elementos de tierras raras ligeras (LREE), los que tienen números atómicos altos son los elementos de tierras raras pesadas (HREE), y los que se encuentran en el medio generalmente se denominan elementos de tierras raras medias (MREE).
Comúnmente, los elementos de tierras raras con números atómicos del 57 al 61 se clasifican como ligeros y aquellos con números atómicos mayores que 62 (correspondientes al samario) se clasifican como elementos de tierras raras pesadas. El europio está exento de esta clasificación, ya que tiene dos estados de valencia: y . El itrio se agrupa como un elemento pesado de tierras raras debido a las similitudes químicas. A continuación, se presenta la agrupación de tierras raras ligeras y pesadas.
Elementos de tierras raras ligeras
| LANTANO | CERIO |
| PRASEODIMIO | NEODIMIO |
| PROMETIO | SAMARIO |
Elementos de tierras raras pesadas
| EUROPIO | DISPROSIO |
| TERBIO | ERBIO |
| HOLMIO | LUTECIO |
| ITERBIO | TULIO |
| GADOLINIO | ITRIO |
Diferencia de las tierras raras con otros elementos
Según el profesor de química Andrea Sella, los elementos de tierras raras difieren de otros elementos, en la medida en que:
- Los metales de tierras raras, cuando se miran anatómicamente, parecen ser inseparables entre sí.
- Son casi exactamente iguales en términos de sus propiedades químicas.
- En términos de sus propiedades electrónicas y magnéticas, cada una es exquisitamente única, por lo que puede ocupar un pequeño nicho en nuestra tecnología, donde prácticamente nada más puede.
Por ejemplo, «los elementos de tierras raras praseodimio (Pr) y neodimio (Nd) pueden incrustarse en el vidrio y eliminar completamente el resplandor de la llama cuando se está soplando vidrio».
Producción mundial de tierras raras
Hasta 1948, la mayoría de las tierras raras del mundo provenían de depósitos de arena de placer en India y Brasil. Durante la década de 1950, Sudáfrica fue la fuente de tierras raras del mundo, gracias a un arrecife rico en monacita en la mina Steenkampskraal en la provincia de Western Cape.
Durante la década de 1960 hasta la década de 1980, la mina de tierras raras Mountain Pass en California convirtió a los Estados Unidos en el principal productor. Hoy en día, los depósitos indios y sudafricanos todavía producen algunos concentrados de tierras raras, pero la escala de producción china los empequeñece.
En 2017, China produjo el 81% del suministro mundial de tierras raras, principalmente en Mongolia Interior, aunque solo tenía el 36,7% de las reservas. Australia fue el segundo y único otro productor importante con el 15% de la producción mundial.
Todas las tierras raras pesadas del mundo (como el disprosio) provienen de fuentes chinas de tierras raras como el depósito polimetálico Bayan Obo. La mina Browns Range, ubicada a 160 km al sureste de Halls Creek, en el norte de Australia Occidental, está actualmente en desarrollo y está posicionada para convertirse en el primer productor significativo de disprosio fuera de China.
Donde se encuentran las tierras raras
Estos elementos rara vez existen en forma pura; Por lo general, se encuentran dentro de otros minerales, lo que hace que sean difíciles de extraer del mineral y costosos para la mina.
La USGS (Servicio Geológico de los Estados Unidos) brindó un informe del nombre de minerales de los que se obtienen las tierras raras, estos son: bastnasita, monacita y loparita y las arcillas de adsorción de iones lateríticos.
Minerales de las tierras raras
Tal y como los metales raros, los minerales de donde se obtienen las tierras raras a menudo también son llamados como «minerales raros». Es cierto que dentro de todo el mundo existen minerales aún más raros que la bastnasita, monacita o loparita, sin embargo, esto no ha sido impedimento para que estos minerales se consideren raros.
Aumento en la demanda de tierras raras
El aumento de la demanda ha tensado la oferta, y existe una creciente preocupación de que el mundo pronto pueda enfrentar una escasez de tierras raras. A partir de 2009 la demanda mundial de elementos de tierras raras superó el suministro en 40,000 toneladas anuales a menos.
En 2013, se afirmó que la demanda de REE aumentaría debido a la dependencia de la Unión Europea (UE) de estos elementos, por el hecho de que los elementos de tierras raras no pueden ser sustituidos por otros elementos y que los REE tienen una baja tasa de reciclaje. Además, debido al aumento de la demanda y la baja oferta, se espera que los precios futuros aumenten y existe la posibilidad de que otros países además de China abran minas REE.
Los elementos de tierras raras están aumentando su demanda debido al hecho de que son esenciales para la tecnología nueva e innovadora que se está creando. Estos nuevos productos que necesitan de tierras para ser producidos son equipos de alta tecnología como teléfonos inteligentes, cámaras digitales, piezas de computadoras, semiconductores, etc. Además, estos elementos son más frecuentes industrias tales como: tecnología de energía renovable, equipos militares, fabricación de vidrio. y metalurgia.
Principales países en producción de minas de tierras raras
Según el popular sitio web de estadísticas “statista”, el top 5 de países productores de elementos de tierras raras entre el 2018 y el 2019 son: China, Estados Unidos, Birmania, Australia e India.
Peligro de la monopolización de la producción de las tierras raras
La oferta y la demanda normalmente determinan el precio de mercado de una mercancía. A medida que los suministros se reducen, los precios suben. A medida que los precios suben, quienes controlan el suministro están tentados a vender. Las compañías mineras ven los altos precios como una oportunidad e intentan desarrollar nuevas fuentes de suministro.
El tiempo entre la decisión de una empresa minera de adquirir una propiedad y el inicio de la producción puede ser de varios años. No hay una forma rápida de abrir una nueva propiedad minera.
Si un solo país controla casi toda la producción y toma la firme decisión de no exportar, entonces se puede cortar rápidamente todo el suministro de un producto. Esa es una situación peligrosa cuando las nuevas fuentes de suministro tardan tanto en desarrollarse.
En 2010, China restringió significativamente sus exportaciones de tierras raras. Eso se hizo para garantizar un suministro de tierras raras para la fabricación nacional y por razones medioambientales. Este cambio por parte de China provocó compras de pánico, y algunos precios de las tierras raras se dispararon exponencialmente. Además, Japón, Estados Unidos y la Unión Europea se quejaron ante la Organización Mundial del Comercio sobre las políticas restrictivas de comercio de tierras raras de China.
Tierras raras usos y aplicaciones
Los usos, las aplicaciones y la demanda de elementos de tierras raras se han expandido con los años. La gran pregunta de muchas personas ha sido ¿Para que sirven las tierras raras?. Esta pregunta no esta demás, dado la gran popularidad que estos elementos han logrado en los últimos años.
A nivel mundial, la mayoría de las tierras raras se utilizan para catalizadores e imanes. En Estados Unidos más de la mitad de las tierras raras se utilizan para catalizadores, y la cerámica, el vidrio y el pulido también son usos principales.
Otros usos importantes de los elementos de tierras raras son aplicables a la producción de imanes de alto rendimiento, aleaciones, vidrios y productos electrónicos. Ce y La son importantes como catalizadores, y se utilizan para el refinado de petróleo y como aditivos del diesel.
El Nd es importante en la producción de imanes en tecnologías tradicionales y bajas en carbono. Los elementos de tierras raras en esta categoría se utilizan en los motores eléctricos de vehículos híbridos y eléctricos, generadores en turbinas eólicas, unidades de disco duro, dispositivos electrónicos portátiles, micrófonos, altavoces.
Ce, La y Nd son importantes en la fabricación de aleaciones y en la producción de pilas de combustible y baterías de hidruro de níquel-metal.
Ce, Ga y Nd son importantes en electrónica y se utilizan en la producción de pantallas LCD y de plasma, fibra óptica, láser, así como en imágenes médicas.
Los usos adicionales de los elementos de tierras raras son como trazadores en aplicaciones médicas, fertilizantes y en el tratamiento del agua.
Las tierras raras se han utilizado en la agricultura para aumentar el crecimiento de las plantas, la productividad y la resistencia al estrés, aparentemente sin efectos negativos para el consumo humano y animal. Se utilizan en la agricultura a través de fertilizantes enriquecidos con tierras raras, que es una práctica ampliamente utilizada en China.
Además, son aditivos alimenticios para el ganado que han resultado en una mayor producción, como animales más grandes y una mayor producción de huevos y productos lácteos. Sin embargo, esta práctica ha resultado en la bioacumulación de elementos de tierras raras dentro del ganado y ha impactado el crecimiento de vegetación y algas en estas áreas agrícolas.
Además, aunque no se han observado efectos nocivos en las bajas concentraciones actuales, los efectos a largo plazo y con la acumulación a lo largo del tiempo son desconocidos, lo que provocó algunos llamados a investigar más sobre sus posibles efectos.
Consideraciones ambientales de las tierras raras
Los elementos de tierras raras se encuentran naturalmente en concentraciones muy bajas en el medio ambiente. Cerca de los sitios mineros e industriales, las concentraciones pueden aumentar muchas veces a los niveles de fondo normales. Una vez en el medio ambiente, los REE pueden filtrarse al suelo, donde su transporte está determinado por numerosos factores, como la erosión, la intemperie, el pH, la precipitación, el agua subterránea, etc. a las partículas del suelo.
Dependiendo de su biodisponibilidad, los REE pueden ser absorbidos por las plantas y luego ser consumidos por humanos y animales. Incluyendo la extracción de REE y fertilizantes enriquecidos con REE, la producción de fertilizantes de fósforo también contribuye a la contaminación de REE debido a su producción y depósito alrededor de las plantas de producción de fertilizantes de fósforo.
Además, se utilizan ácidos fuertes durante el proceso de extracción de REE, que luego pueden filtrarse al medio ambiente y ser transportados a través de cuerpos de agua y provocar la acidificación de los ambientes acuáticos.
Otro aditivo de la minería REE que contribuye a la contaminación ambiental REE es el óxido de cerio (CeO2), que se produce durante la combustión del gasóleo y se libera como material de escape de partículas y contribuye en gran medida a la contaminación del suelo y el agua.
Consecuencias ambientales de las tierras raras
La minería, el refinado y el reciclaje de tierras raras tienen graves consecuencias medioambientales si no se gestionan adecuadamente. Un peligro potencial podría ser los relaves radiactivos de bajo nivel resultantes de la presencia de torio y uranio en minerales de elementos de tierras raras. La manipulación inadecuada de estas sustancias puede provocar daños ambientales considerables.
En mayo de 2010, China anunció una importante ofensiva de cinco meses contra la minería ilegal para proteger el medio ambiente y sus recursos. Se espera que esta campaña se concentre en el Sur, donde las minas, comúnmente pequeñas, rurales e ilegales, son particularmente propensas a liberar desechos tóxicos en el suministro general de agua. Sin embargo, incluso la operación principal en Baotou, en Mongolia Interior, donde se refina gran parte del suministro de tierras raras del mundo, ha causado daños ambientales importantes.
Ideas finales sobre las tierras raras
La naturaleza rara vez se equivoca y en esta ocasión no ha sido la excepción, las tierras raras que nos brindan los minerales del planeta han servido para múltiples usos y aplicaciones, entre los más importantes los dirigidos a la ciencia y tecnología.
Las tierras raras no se pueden considerar «elementos chinos» puesto que existen varios países en constante investigación sobre yacimientos y explotación en sus territorios. Países europeos como España y Portugal tienen considerables reservas de minerales raros, sin embargo, aún no se ha comenzado la explotación por cuestiones ambientales.