Hasta abajo de la tabla periódica, en dos filas que parecerían fuera de la tabla principal, se encuentran aquellos elementos que raramente se alcanzan a estudiar en los cursos de química, y que son llamados comúnmente tierras raras. Probablemente lo más común que se dice de las tierras raras es que ni son tierras, ni son tan raras.
Esos elementos son componentes importantes en dispositivos de alta tecnología: celulares, vehículos eléctricos, láseres, radares, misiles guiados, pantallas planas, imanes, catalizadores cerámicos, micrófonos, audífonos, fibras ópticas, entre otros. Adicionalmente han sido utilizados en agricultura para acelerar el crecimiento de plantas, y su resistencia al estrés sin daño aparente a la salud humana y de animales.
Toda la materia que existe en el universo está formada por los elementos contenidos en la tabla periódica, y es fascinante cómo las diferencias en comportamiento y propiedades de todo lo que conocemos se debe al número de electrones y neutrones que contiene cada elemento, y la manera en que estos están acomodados dentro del átomo. Por poner un ejemplo, el cobre y el zinc son vecinos en la tabla periódica, cada uno con propiedades y características diferentes, y sin embargo la única diferencia entre estos metales comunes es un electrón.
El grupo de elementos conocido como tierras raras está compuesto por los elementos del grupo lantánidos: lantano, cerio, praseodimio, neodimio, prometio, samario, europio, gadolinio, terbio, disprosio, holmio, erbio, tulio, iterbio, lutecio más el escandio y el itrio. La principal característica de los lantánidos es que contienen electrones en los orbitales f, de la capa 4, protegidos por los electrones en las capas externas s y p, Son, precisamente esos electrones 4f los que marcan las notables propiedades de las tierras raras.
Uno de los rasgos importantes de estos elementos son sus propiedades eléctricas, magnéticas, de fluorescencia o de luminiscencia. Los lantánidos del cerio al tulio presentan un fuerte magnetismo debido a que tienen electrones no apareados en los orbitales 4f. Algunos de estos elementos al combinarse con otros metales, como el hierro producen compuestos intermetálicos, como el Nd2Fe14B, el cual es ferromagnético y después de seguir un tratamiento térmico se convierte en el material con mayor magnetismo hasta ahora conocido. Su principal uso es en motores eléctricos, discos duros, bocinas, turbinas de viento, actuadores y equipos de imagen de resonancia magnética (MRI).
Otro ejemplo de compuestos intermetálicos es el formado de la combinación de lantano con níquel, el LaNi5, el cual es el componente principal de las baterías recargables de níquel-hidruro metálico, utilizadas en vehículos híbridos y eléctricos. Otro compuesto de lantano, el LaB6, es crítico para la producción de fuentes de electrones utilizadas en microscopía electrónica de alta resolución.
Por otra parte, las tierras raras forman compuestos llamados complejos de coordinación, los cuales tienen aplicaciones como materiales luminiscentes, en láseres y en equipos de resonancia magnética nuclear (NMR) y de imágenes de resonancia magnética (MRI) en medicina. Por ejemplo, un material muy importante para aumentar la resolución de las imágenes de MRI es un complejo de gadolinio, el cual es administrado a los pacientes antes de someterse a este tipo de estudio.
Las propiedades nucleares de las tierras raras han sido aprovechadas también para una gran variedad de aplicaciones. El europio y el disprosio se utilizan en cilindros de control para reactores nucleares; mientras que uno de los isótopos del itrio (Y-90) se utiliza en terapias para tratamiento de cáncer. Adicionalmente, el iterbio-169 y el gadolinio-153 se utilizan en equipos de rayos X.
La toxicidad de las tierras raras es baja, por lo que no necesitan de protocolos especiales para su manejo. Cuando son administrados oralmente, sólo un porcentaje pequeño es absorbido por el cuerpo. Por otra parte, los iones y complejos presentan una toxicidad mayor que los sólidos o los compuestos inorgánicos. Sin embargo, es importante considerar que la producción y purificación de estos elementos producen residuos tóxicos, algunas veces radioactivos, que tienen que ser almacenados, pues presentan un alto riesgo a la salud ambiental y humana.
A pesar de ser llamados tierras raras, la mayoría de estos elementos tienen una abundancia relativamente alta en la corteza terrestre (a excepción del prometio, que es radioactivo); sin embargo, su extracción es complicada y cara, pues se encuentran mezclados con otros minerales y son muy similares entre sí, por lo cual su aislamiento involucra procesos químicos complejos. Esto hace que el precio de estos elementos sea muy alto. Por ejemplo, en 2018 el precio del neodimio era de 107 mil dólares americanos por tonelada cúbica, mientras que el del europio era de 712 mil dólares americanos por tonelada cúbica. Debido a la acelerada producción de dispositivos electrónicos, la demanda de estos elementos aumentó considerablemente en años recientes, sin que haya verdaderas alternativas para reemplazarlos.
Desde 2008 China se convirtió en el principal productor de tierras raras; otros productores son EUA, Australia, Rusia, India y Brasil. Notablemente en los últimos meses, el tema de las tierras raras ha sido tocado constantemente en medios de comunicación, por el potencial papel que podrían jugar en la guerra de comercio internacional entre EUA y China. Una estrategia mal planeada podría modificar seriamente el lugar que ambos países tienen en el liderazgo económico mundial. El gobierno de Trump exentó a las tierras raras de los aranceles impuestos a los productos chinos, pues estos elementos están listados por el gobierno norteamericano como materiales críticos para la economía y seguridad de su país. Por otro lado, Xi, el líder chino, impuso tarifas a minerales ricos en tierras raras extraídos en California, y puso límites a la exportación de tierras raras purificadas, lo que podría perjudicar a las compañías americanas dependientes de estos elementos. A pesar de esto, un artículo de Scientific American publicado el pasado mayo, asegura que en caso de que China quisiera perjudicar a la industria americana limitando sus exportaciones de tierras raras, EUA podría obtener estos materiales de otros productores en Australia, así como de sus propias plantas de producción. Por otro lado, otra solución para no depender de la producción china, y para disminuir el impacto ambiental que produce la purificación de estos elementos, es que las compañías incrementen sus procesos de reciclado y de recuperación de materiales. Pero para esto, será necesario desarrollar nuevos métodos de separación, pues algunos de estos materiales son utilizados en combinación en varias de sus aplicaciones.
Las tierras raras pocas veces son mencionadas, pero representan elementos esenciales para la vida moderna, la próxima vez que use algún dispositivo electrónico, como su teléfono o sus audífonos, piense que su funcionamiento es posible gracias a los lantánidos.
(*) La Dra. Yadira I. Vega Cantú es profesora investigadora de Química y Nanotecnología de la Escuela de Ingeniería y Ciencias del Tecnológico de Monterrey, Campus Monterrey.
