¿Cómo se descubrieron?

En 1787 Carl Axel Arrhenius, encontró un extraño mineral, en la villa de Ytterby, ubicada a unos 30 km de Estocolmo, el color y la alta densidad de la muestra le hizo sospechar, que era un nuevo mineral, después de múltiples estudios analíticos, por parte de Johan Gadolin y otros, se encontró en ese mineral un nuevo elemento químico, que se denominó Itrio, en alusión al lugar encontrado. Este fue el inicio del descubrimiento, de una serie de elementos químicos, que la mayoría, se encuentran en la naturaleza en pequeñas cantidades y que inicialmente carecían de interés, a los que se les asignó la denominación de “tierras raras”, también conocidas por sus siglas en inglés REE (Rare Earth Elements). Este nombre es poco afortunado, ya que no son tierras, sino elementos químicos bien definidos, la justificación del nombre de “tierras” se debe a que en la época de su descubrimiento a los “óxidos” se les denominaba “tierras”. No todos estos elementos son tan raros o escasos en la naturaleza, por ejemplo el cerio, es tan abundante como el cobre. En los años 50/60, la industria militar y electrónica de alto nivel, comenzaron a incorporar estos elementos, con resultados tan positivos, que han permitido la aparición de nuevas aplicaciones y aparatos de uso corriente.

Hoy día son imprescindibles para el desarrollo nuevas tecnologías y de ahí el interés actual, hasta el punto que se consideran materiales estratégicos, por los qué su control lo disputan las grandes potencias. Sin las tierras raras no existirían, los actuales: teléfonos móviles, televisores, ordenadores portátiles, vehículos eléctricos, placas solares, aerogeneradores, etc.

El grupo denominado “tierras raras”,  lo constituyen 17 elementos químicos, 15 están situados en la tabla periódica de los elementos, en la zona de los lantánidos: Lantano, Cerio, Praseodimio, Neodimio, Prometio, Samario, Europio, Gadolinio, Terbio, Disprosio, Holmio, Erbio, Tulio, Iterbio y Lutecio y en el grupo 3, de la tabla periódica, Escandio e Itrio, que se  incluyen en el grupo de “tierras raras”, porque se suelen encontrar mezclados con los lantánidos y poseen propiedades físicas y químicas similares.

La tabla periódica y las tierras raras

Aplicaciones

Lantano. Es un metal blando, de color blanco plateado, de alta reactividad y excelentes propiedades eléctricas y ópticas. Con aleaciones de lantano se fabrican “esponjas de hidrógeno”, compuestos que admiten hasta 400 veces su volumen de gas, en un proceso reversible que implica cambio de energía calorífica, y se pueden utilizar como sistemas de conservación de energía. También se utiliza lantano, en la fabricación de baterías para vehículos eléctricos, lentes ópticas, catalizadores y cerámicas avanzadas.

Cerio. Es el elemento más abundante de las “tierras raras”, su abundancia es similar a la del cobre. Es un metal de color blanco plateado. Se utiliza en catalizadores, como aditivo para combustibles poco contaminantes, para colorear vidrios y esmaltes y como elemento de aleación de metales para mejorar la calidad, resistencia y durabilidad.

Praseodimio. Metal plateado. Se utiliza para aleaciones con magnesio, de elevada dureza, utilizados en motores de aviación, en aleaciones para imanes permanentes y en una aleación que se utiliza para fabricar las piedras que producen las chispas de los encendedores.

Neodimio. Metal blanco plateado. La abundancia de este elemento, en la naturaleza es similar a la del Níquel, Plomo o Cobalto. Se utiliza para fabricar láseres que se emplean como punteros, cirugía ocular, tratamiento del cáncer de piel. El uso más importante del neodimio es en una aleación con hierro y boro para fabricar imanes permanentes muy potentes. En 1983, se inició el uso de este elemento en electrónica y esto permitió miniaturizar numerosos dispositivos, como teléfonos móviles, micrófonos, altavoces e instrumentos musicales. Este elemento, también se utiliza en la fabricación de vidrio para las cabinas de bronceado, ya que transmite los rayos UV.

Prometio. Metal de color blanco plateado. Es el único elemento de las tierras raras que merece la calificación de “raro”, es tan escaso que no llega a sumar un kilogramo, de forma natural, en toda la corteza terrestre. Es radiactivo y se desintegra completamente en unos pocos años. Se puede generar artificialmente en reactores nucleares, ya que es uno de los elementos resultantes de la fisión del uranio, del torio y del plutonio. Por ser radiactivo, sus sales emiten luz azul pálida o verde, que se utilizan para la fabricación de pinturas luminiscentes, pequeñas baterías nucleares que alimentan marcapasos y naves espaciales. También se utiliza en la fabricación de fuentes de rayos X.

Samario. Ocupa el número 40 en orden de abundancia, en la corteza terrestre, su abundancia es similar al estaño. Se utiliza para fabricar imanes de samario-cobalto, que tienen magnetización permanente, que son imprescindibles, en varios aparatos  electrónicos, como audífonos. El radioisótopo samario-153 se utiliza para eliminar células malignas en cánceres de: pulmón, próstata y pecho. El isótopo, samario-149, tiene alta capacidad para absorber neutrones, por lo que es un componente de las barras de control de los reactores nucleares. El Samario, también se utiliza en la datación radiactiva y en la fabricación de láser de rayos X.

Europio. Es el más reactivo de los elementos del grupo “tierras raras”. Las propiedades más características son su fluorescencia y su alta capacidad de absorción y emisión de luz. Sus principales aplicaciones se basan en esta característica. El óxido de europio (Eu2O3) se utiliza para fabricar productos fosforescentes y fluorescentes, utilizados en las agujas de los relojes, señales de emergencia, tubos de televisión y LED. El óxido de europio, se incorpora a la tinta de impresión de los billetes de Euro, para evitar falsificaciones, ya que al exponer el billete a luz ultravioleta, se visualizan pequeños filamentos de  color rojo y verde. Es curiosa, la casualidad de que el europio esté presente  en los billetes de Euro.

Gadolinio.  Una de las características, de este elemento es su comportamiento paramagnético, en presencia de un campo magnético, amplifica las señales magnéticas, por eso se utiliza como agente de contraste, en resonancia magnética. Las aplicaciones médicas más directas son: oncología, diagnóstico y seguimiento de tumores cerebrales, hepáticos y de mama. Neurología, identificación de lesiones en la esclerosis múltiple y otras enfermedades neurodegenerativas. Cardiología, evaluación de enfermedades isquémicas y cardiopatías.

Terbio. Los compuestos de terbio se caracterizan por la fluorescencia de color verde al exponerlos a luz ultravioleta. Se utilizan para fabricar tubos de televisión, pantallas de teléfonos móviles o en otras pantallas de alta definición. También se emplea como estabilizador en células de combustible que operan a elevadas temperaturas. Se emplea en la fabricación de discos duros, e imanes permanentes. Su alta capacidad de absorción de neutrones y su alto punto de fusión, hacen a este elemento muy adecuado para la fabricación de barras de control en reactores nucleares. Se utiliza, para detectar la presencia de bacterias del tipo Clostridium y Bacillus, que brillan de color verde con luz ultravioleta.

Disprosio. Tiene brillo metálico plateado. Es tan blando que puede ser cortado con un cuchillo. El disprosio se usa, junto con vanadio para fabricar láseres. Debido a su alta capacidad de absorción de neutrones, se utiliza para fabricar barras de control nuclear. Algunos compuestos de disprosio y cadmio se emplean como fuentes de radiación infrarroja para el estudio de reacciones químicas. El disprosio también se usa en la fabricación de unidades de disco duro.

Holmio. Se utiliza como catalizador en reacciones químicas industriales, para fabricar imanes de campos magnéticos muy elevados. En medicina se utiliza el láser de holmio. El óxido de holmio, se utiliza como material de referencia, para ajustar la longitud de onda, en el rango ultravioleta/visible, en equipos de espectroscopía.

Erbio. Se utiliza como amortiguador de neutrones, en tecnología nuclear. El óxido de erbio, es de color rosa y se utiliza como colorante para vidrio, esmaltes y porcelanas. Las fibras ópticas de silicio dopadas con erbio, se emplean para crear láseres de gran potencia, utilizadas para soldadura y corte de metales. En el campo de la medicina, los láseres dopados con erbio se utilizan en odontología, dermatología y oftalmología, para tratamientos muy poco invasivos. El Erbio se utiliza en células solares y baterías, para mejorar la capacidad de almacenamiento, eficiencia y la durabilidad.

Tulio. Se utiliza para la fabricación de dispositivos portátiles de rayos X. Como componente de superconductores. El tulio emite fluorescencia de color azul, por exposición a luz ultravioleta, por lo que incorpora a la tinta de impresión de los billetes de euro, para impedir su falsificación.

Iterbio. Se utiliza, en fabricación de relojes atómicos, de gran precisión. Materiales dopados con iterbio, se utilizan en tecnología láser de estado sólido, para aumentar su rendimiento. También se utiliza, para fabricar aleaciones de acero inoxidable, que mejoran la resistencia y sus propiedades mecánicas. También se utilizan aleaciones de Iterbio en odontología.

Lutecio. Este elemento es de los más escasos de “las tierras raras” por lo que es muy difícil su obtención y su coste es muy elevado. Se utiliza como catalizador para el “craqueo” del petróleo, proceso mediante el cual se obtiene gasolina y diésel. El isótopo sintético lutecio-177, se utiliza para eliminación de tumores neuroendocrinos.

Escandio. Es un metal muy ligero y aspecto plateado. Se utiliza en aleaciones de aluminio, para darle más resistencia. Para la fabricación de lámparas que emiten una luz muy parecida a la solar. También se utiliza en fabricación de depósitos para contener hidrógeno, en los vehículos que lo utilizan como combustible.

Itrio. Se utiliza para para producir aleaciones que aumentan la resistencia del aluminio y el magnesio. Para fabricar superaleaciones de níquel, que se utilizan en turbinas de aviación, ya que mantienen sus propiedades mecánicas a altas temperaturas. Se usa como catalizador para la fabricación del polietileno. La industria de pantallas de televisión, utiliza compuestos de itrio, que emiten luz roja y brillante.

Hemos mencionado, algunas de las aplicaciones de estos elementos, publicadas en la bibliografía, teniendo en cuenta que estos elementos, están implicados en altas tecnologías de la industria, militar, electrónica, química, etc. Es seguro, que existen muchas aplicaciones, no publicadas, por ser secretos industriales.

Proceso de obtención

La obtención de los metales, en condiciones de ser utilizados, es un proceso muy complejo, ya que en la naturaleza se encuentran como minerales, formando combinaciones químicas complejas: óxidos, sulfatos, cloruros, etc. y mezclados con grandes cantidades de tierras y otros compuestos, llamados estériles.

El primer paso del proceso, es mediante minería, para obtener el mineral correspondiente, con una riqueza suficiente para que sea rentable su producción, posteriormente son necesarios otros procesos, también complejos, para obtener el elemento con la pureza suficiente para poder ser utilizado en la industria.

En el caso de “tierras raras” el proceso es aún más complejo debido a la poca abundancia en que se encuentran, la mayoría de estos elementos, en la naturaleza.

En la naturaleza, existen unos 200 minerales que contienen “tierras raras”. En un mismo mineral suelen encontramos varios elementos, debido a su similitud de propiedades físicas y químicas, esto añade un grado más a la dificultad de obtenerlos con la pureza que requiere la industria. En la actualidad se utilizan como principales minerales para la obtención de tierras raras: Monacita, fosfato de cerio, lantano y torio [(Ce, La, Th) PO43]. Xenotimio, fosfato de itrio [(YPO4)3] Loparita, oxido de sodio, cerio, estroncio, torio, titanio y niobio (Na,Ce,Sr)(Ce,Th)(Ti,Nb)2O6 y otros minerales de menor riqueza: Puche, Cascales, Porcher y Maestro.

El proceso físico/químico de obtención, es distinto para cada elemento, depende del mineral incluso de la mina de procedencia, el proceso más frecuente es la electrólisis de sales fundidas o reducción del  óxido metálico con un agente reductor como el carbono, a altas temperaturas.

Importancia geoestratégica

Teniendo en cuenta las aplicaciones en altas tecnologías como la: militar, aeroespacial, electrónica, medicina, etc. que hemos mencionado, las “tierras raras” son considerados elementos estratégicos, por lo que existe una competición entre las superpotencias por controlar su producción.

Actualmente, el país con mayores reservas de “tierras raras” es China, que lidera el mercado mundial con el 70% de la producción, además China, tiene la ventaja, sobre otros países, de dominar la tecnología de procesamiento y refinamiento. Con gran diferencia, en reservas y producción, le siguen: Brasil, India, Australia, Rusia, Vietnam, Estados Unidos y Groenlandia.

La dependencia de la UE es muy importante, en muchos de estos minerales, tanto en la fase de extracción como de procesado. España podría llegar a ser un proveedor importante, de estos elementos, ya que se han encontrado yacimientos de monacita, que contiene óxidos de varias “tierras raras”, en la comarca del Campo de Montiel (Ciudad Real), se ha estimado que este yacimiento, podría cubrir hasta un tercio de las necesidades de la UE. De ser así, esto reduciría la vulnerabilidad estratégica de Europa, fortaleciendo sectores de alta tecnología.

Alfredo Negro Albañil. Doctor en Ciencias Químicas. Profesor e investigador, durante 35 años en las Facultades de Veterinaria y Biología de la Universidad de León. Actualmente jubilado.

FUENTE. MASSCIENCE