Tierras raras

En 1787 inició el descubrimiento de estas tierras raras empezando con el teniente de artillería Carl Axel Arrhenius (1757-1824), quien encontró un extraño mineral negro en la villa de Ytterby ubicada a unos 30 km de Estocolmo. La coloración del extraño mineral y la alta densidad de la muestra hizo sospechar al teniente quien no descartó la posibilidad de haber descubierto un nuevo mineral y sin conocer su composición se la llevó y la llamó “piedra pesada de Ytterby”. En 1792 se envió una muestra del mineral a Johan Gadolin (1760-1852), un químico finlandés, discípulo de Torbern O. Bergman y con fama de ser un excelente analista. Encontró en la piedra óxidos de silicio, aluminio y hierro, además encontró una porción importante de un óxido refractario de un elemento todavía desconocido. En realidad, la fórmula idealizada de este mineral que posteriormente se llamó Gadolinita es Be₂FeY₂Si₂O₁₀ y como se sabe actualmente el berilio comparte propiedades con el aluminio y por esa razón, Gadolin pensó que el mineral contenía aluminio.

Dos años después, Gadolin publicó sus resultados en los Proceedings de la Academia de Ciencias de Suecia. Estos resultados fueron confirmados tiempo después por dos grandes químicos, L.N. Vauquelin (1763-1829) y M.H. Klaproth (1743-1817), quienes sugirieron el nombre definitivo del mineral, Gadolinita y del mismo modo sugirieron el nombre del óxido del nuevo elemento que se utilizó bajo el nombre de yttria, por su origen geográfico, que finalmente derivo en el nombre actual del elemento, itrio (Y).

En 1751 el barón Axel Fredrick Cronstedt (1722-1765), distinguido mineralogista y químico sueco, halló en un depósito minero un novedoso mineral al que llamó “piedra pesada de Bastnäs”. Este mineral fue estudiado en 1803, por el joven Jöns Jacob Berzelius (1779-1848) junto con Wilhelm Hisinger (1766-1852), descubrieron en el mineral la presencia de un óxido desconocido. Denominaron ceria al óxido y cerio (Ce) al nuevo elemento, derivados del nombre del reciente planetoide descubierto Ceres (1801).

Estos dos óxidos itria y ceria eran muy similares, pues de ellos no podían extraerse los metales correspondientes a través de las técnicas de la época. En 1830 se dio el aislamiento del cerio (Ce) a manos de Carl Mosander, pupilo de Berzelius. Para poder separar este elemento utilizó vapores de potasio y además de separar el cerio (Ce), descubrió otro óxido en pequeñas cantidades al cual denomino lantana cuyo elemento que formaba el óxido se llamó lantano (La). Otro óxido que logró separar de la ceria fue la didimia y se pensaba que contenía el elemento didmio pero 44 años más tarde se demostró que contenía dos óxidos.

En 1844, Mosander trabajó con el mineral itria y se encontró que se trataba de un óxido bastante complejo, descubrió que además del propio óxido de itrio, descubrió que las muestras de itria natural contenían otros óxidos entre los cuales estaba: óxido de ceria, óxido de lantana, óxido de didmio y dos óxidos que se denominaron erbia (de color amarillo) y terbia (de color rosa). En 1860 estos nombres fueron intercambiados, llamándose terbia a erbia y viceversa.

En 1878, Jean de Marignac, químico sueco, obtuvo nitrato de erbio, aparentemente puro de la gadolinita y un nuevo óxido conocido como iterbia. Al siguiente año, Lars Nilson, separó otra tierra rara a partir de la iterbia, a la que llamó escandia (en honor a Escandinavia) que está formada por escandio (Sc). Ese mismo año, el sueco Per Cleve, logró aislar tres fracciones de la erbia, llamando a las dos nuevas holmia (en honor al nombre en latín de Estocolmo) y thulia (en honor al nombre antiguo de Escandinavia). Estos óxidos eran los correspondientes óxidos de holmio (Ho) y óxido de tulio (Tu). Tiempo después, el químico francés, Paul Émile Lecoq de Boisbaudran, aplicando novedosas técnicas de espectroscopía, detectó un nuevo óxido en la didmia, al cual llamó samaria. De este óxido se aisló el samario (Sm) (en honor a su descubridor el coronel ruso Vasili Samarski-Bykhovets) (Montalvo, n.d.).

En 1886, Paul Lecoq aisló de la inicial samaria un nuevo óxido al que llamó gadolinia en honor a Johan Gadolin y el elemento que compone este óxido se llama gadolinio (Gd). Y el mismo año, Lecoq aisló otra tierra de la holmia y la llamo diprosia, que era el óxido de disprosio (Dy). En 1885, el austriaco Karl von Welsbach, logró separar de la didimia otros dos óxidos; praseodimia (didimia verde en griego) y neodimia (nueva didimia en griego); de ellas se identificó el praseodimio (Pr) y neodimio (Nd).

En 1901, Eugène Demarçay asiló al europio de sales de samario (supuestamente puro) y lo nombró así en honor al continente europeo. En 1907, Georges Urbain aisló al lutecio (Lu) (nombrado así por su lugar de nacimiento, París escrito en latín) de la iterbia. El prometio (Pm) se aisló analizando subproductos de la fisión del uranio generados en un reactor nuclear situado en Tennessee (EUA) y su nombre se da en honor al dios de la mitología griega que dio fuego al hombre. Jacob A. Marinsky, Lawrence E. Glendenin y Charles D. Coryell, probaron su existencia en 1944, pero reivindicaron su descubrimiento hasta 1947, después de la Segunda Guerra Mundial.[1]

Aquí se proporciona una tabla con los 17 elementos de tierras raras, su número atómico y su símbolo, la etimología de sus nombres y sus usos principales. Algunos de los elementos de las tierras raras derivan su nombre del de los científicos que descubrieron o dilucidaron sus propiedades elementales, algunos del lugar geográfico de su descubrimiento.

El cerio también es componente de la aleación que genera las chispas en los encendedores mecánicos y en los catalizadores del proceso de Haber-Bosch de la síntesis del amoníaco.

Actualmente se investigan aplicaciones en síntesis orgánica de compuestos organometálicos de estos elementos.

En resonancia magnética nuclear se utilizan compuestos, por ejemplo del lantano, como aditivos para separar señales de compuestos que de otro modo se detectarían juntos.

Combinados con halogenuros metálicos se usan en la fabricación de lámparas de descarga HMI (Hydrargyrum medium-arc iodide).

Además en radiodiagnóstico se utilizan como material fosforescente en las pantallas intensificadoras de imagen (en los chasis que todavía se usan con película, emulsión y revelado fotográfico).

La expresión tierras raras se aplica a los elementos del grupo IIIB de la tabla periódica de los elementos, con números atómicos (S) 21, 39, y 57-71. Estos elementos son metales de transición escasos en la naturaleza. Los elementos de tierras raras utilizados en pantallas radiológicas son gadolinio (S = 64), lantano (S = 57) e itrio (S = 39), los cuales funcionan como material fosforescente. En las fórmulas siguientes de los compuestos respectivos de esta propiedad, después de los dos puntos se especifica un elemento activador.

• Oxisulfuro de gadolinio (Gd₂O₂S: Tb), activado por terbio (Z = 65). Se emite una coloración verde cuya longitud de onda es de 540 nm.
• Oxisulfuro de lantano (La₂O₂S: Tb), activado por terbio (Z = 65). Se emite una coloración verde cuya longitud de onda es de 540 nm.
• Oxisulfuro de itrio (Y₂O₂S: Tb), activado por terbio (S = 65). Se emite una coloración azul de longitudes de onda entre 450 y 500 nm.
• Oxibromuro de lantano (LaOBr: Tm), activado por tulio (S = 69). Se emite una coloración azul de longitudes de onda entre 450 y 500 nm.
• Tantalato de itrio (YTaO₄: Tm), activado por tulio (S = 69). Se emite una coloración azul-ultravioleta de longitudes de onda entre 450 y 500 nm.

Las pantallas de tierras raras ofrecen una ventaja única con respecto a las de wolframato de calcio: su eficacia de conversión es mayor. El propósito de fabricar las pantallas de tierras raras es ofrecer varios niveles de velocidad, si bien todas ellas son, como mínimo, dos veces más rápidas que su alternativa de wolframato de calcio. Esta mejora de la eficacia de conversión se consigue sin pérdida de resolución acompañante. Sin embargo, cuando se usan las pantallas de tierras raras más rápidas— los llamados «ruidos» cuánticos y radiográficos— pueden llegar a ser apreciables. Como son más rápidos con las pantallas de tierras raras es posible que se apliquen factores técnicos reducidos, lo cual repercute en menor dosis al paciente.

En el mercado de consumo no existe una clasificación uniforme para las aplicaciones de tierras raras y se suelen agrupar siguiendo nueve sectores: baterías, aditivo para vidrios, catalizadores (refinado del petróleo, vehículos), cerámica, imanes, metalurgia (aleaciones), pigmentos y luminiscentes (láser, iluminación, pantallas LCD), pulido y otros. La mitad de la producción se consume para imanes y catálisis. En términos de valor económico, los imanes y luminiscentes generan las mayores ganancias. El consumo de elementos de las tierras raras está dominado por el neodimio (49 %) y praseodimio (20 %), que forman parte principal de los imanes, seguido por el lantano (6 %), cerio (4 %) y terbio (4 %); los demás están por debajo del 2 %.

El coste de los diferentes óxidos de estos elementos va ligado a su escasez en los minerales y en la dificultad de separación, por ejemplo, el terbio y el lutecio poseen un precio elevado y una reducida producción.[10]

Se denominaron inicialmente tierras porque no podían separarse de sus óxidos usando las capacidades tecnológicas del siglo XVIII, solo se podía interpretar que esas <<tierras>> eran óxidos de metales desconocidos, que se aceptaba su identificación sin llegar a separarlos de sus óxidos. Las tierras raras no solo no son tierras, sino que tampoco son raras. En la corteza terrestre son más abundantes que el mercurio, el oro o la plata.

El prometio es el único elemento de las tierras raras que merece la calificación de raro. En toda la corteza terrestre es tan escaso que no llega a sumar un kilogramo; es radiactivo y se desintegra completamente en unos pocos años. El necesario para unas pocas aplicaciones; se obtiene artificialmente en reactores nucleares, ya que es uno de los elementos resultantes de la fisión del uranio.[10]

• Lantánidos
• Radiactividad
• Oxidación
• Imán de tierras raras

• Carl Axel Arrhenius

1. Baran, Enrique (2016). «tomo 68». La fascinante historia del descubrimiento de las tierras raras. Anales Acad. Nac. de Cs. Ex., Fís. y Nat. p. 85 -105. ISSN 0365-1185. Consultado el 20 de febrero de 2023.
2. Keith R. Long; Bradley S. Van Gosen; Nora K. Foley; Daniel Cordier. «The Geology of Rare Earth Elements». Geology.com. Consultado el 19 de junio de 2018.
3. C. R. Hammond. «Section 4; The Elements». En David R. Lide, ed. CRC Handbook of Chemistry and Physics. (Internet Version 2009) (89th edición). Boca Raton, FL: CRC Press/Taylor and Francis.
4. «Rare-earth metals». Think GlobalGreen. Archivado desde el original el 4 de noviembre de 2016. Consultado el 10 de febrero de 2017.
5. Fritz Ullmann, ed. (2003). Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry 31. Contributor: Matthias Bohnet (6th edición). Wiley-VCH. p. 24. ISBN 978-3-527-30385-4.
6. Atkins, P. W. (2010). Shriver & Atkins' inorganic chemistry (5th ed edición). Oxford University Press. ISBN 978-0-19-923617-6. OCLC 430678988. Consultado el 21 de febrero de 2023.
7. Sharpe, Alan G.; Gil Ruiz, Pilar, traducción.; Álvarez Galindo, José Ignacio, revisión.; García Casado, Pedro Javier, revisión.; Sirera Bejarano, Rafael, revisión. (2006). Química inorgánica (2 ed edición). Pearson. ISBN 84-205-4847-2. OCLC 991633770. Consultado el 21 de febrero de 2023.
8. Earnshaw, A. (1997). Chemistry of the elements (2nd ed edición). ISBN 0-585-37339-6. OCLC 48138330. Consultado el 21 de febrero de 2023.
9. Ríos, R., Alba, H., Benítez, Jesús, & González, J. (2018). «Monografía de metales de las tierras raras» (PDF). Servicio Geológico Mexicano. Consultado el 21 de febrero de 2023.
10. Davies, D. J.; Richardson, N. E.; Norton, D. A.; Meakin, B. J. (1975-12). «Proceedings: The antimicrobial efficiencies of contact lens solutions». The Journal of Pharmacy and Pharmacology. 27 Suppl?-2: 24P. ISSN 0022-3573. PMID 2697. Consultado el 21 de febrero de 2023.

• Información especializada de los elementos de tierras raras.
• Información complementaria sobre Tierras Raras.
• ¿Qué son las tierras raras y por qué son claves en la guerra de China y EE. UU.?
• Guía de Minerales Industriales (AINDEX) «Guía de Minerales Industriales Archivado el 22 de abril de 2020 en Wayback Machine.».