diciembre 07, 2011

Las tierras raras y sus importantes usos en el mundo de hoy

En Ytterby hay dos secretos del pasado. Hace dos siglos, el pueblo, que ahora tiene  casas de vacaciones que pertenecen a los residentes ricos de los alrededores de Estocolmo, fue un asentamiento minero muy movido, pues remitía feldespato de alto grado a las fábricas de porcelana reales de Europa y el cuarzo a la línea de los altos hornos, en Inglaterra. Es también cuna de algunas de los más maravillosos elementos químicos menos apreciados de la naturaleza.

Sobre esto último la historia se inició en 1787, cuando un geólogo aficionado llamado Carl Arrhenius estaba de visita en una mina en Ytterby. Él descubrió una  roca negra inusualmente fuerte entre los afloramientos de grises y, al ser un hombre de sana curiosidad científica, envió una muestra para su análisis a Johan Gadolin , un químico importante en la Real Academia de Turku en Finlandia.

En 1794, Gadolin llegó a la conclusión de que la muestra era un elemento totalmente nuevo, más tarde llamado itrio. En 1879 los químicos habían aislado a seis elementos adicionales de la misma roca, con lo que el total de la tabla periódica recién inventada por Mendeleyev se elevo a 70 elementos quimicos. Tres de esos elementos, iterbio, el erbio y el terbio, se les dio simplemente variantes adicionales con respecto al nombre del pueblo de Ytterby, mientras que los otros tres fueron nombrados holmio (de Estocolmo), escandio, y tulio (ambos del latín para los países escandinavos), debido a la onda nacionalista de entonces. Después un larga plazo de explotación y lucrativo también, la cantera Ytterby fue cerrada en 1933. Los elementos descubiertos allí, conocidos colectivamente como tierras raras, forma hoy la columna vertebral de la moderna industria alámbricas e inalámbricas en todo el mundo a pesar de que probablemente nunca han oído hablar de ellos.

El denominarlas tierras raras tenía sentido para la mente del siglo 19: raro porque al principio parecía que venían sólo de Escandinavia, y lo de tierras, debido a que se produjeron en forma de óxido de tierras por lo cual fue excepcionalmente complejo obtener el metal puro.

Hoy está claro que las tierras raras no son infrecuentes. El más común de ellos, el cerio , se ubica 25 º en abundancia en la corteza de la Tierra, un puesto por delante del familiar cobre. El itrio es dos veces más abundante que el plomo, todos los metales de tierras raras (con la excepción del radiactivo prometio) son más comunes que la plata. Lo de llamarlos "tierras" es también engañoso. Estos elementos son en realidad metales.

El cálido resplandor del terbio es esencial para fluorescentes y bombillas compactos de alta eficiencia. El europio es ampliamente aprovechado para los TV, laptops y teléfonos inteligentes. Las tierras raras también aparecen en los lugares más inesperados, como bates de béisbol, la moneda europea, y gafas de visión nocturna.

Con su creciente popularidad viene un nuevo valor, y la notoriedad, incluso político. Terbio y el europio recientemente alcanzarón a la plata en el precio, llegando a 40 dólares la onza. La creciente demanda de tierras raras se ha convertido en el tema de los informes del gobierno norteamericano y numerosos proyectos de ley aprobados en la Cámara de Representantes. La razón que estos elementos están causando tanto revuelo no es su escasez sino su inaccesibilidad. Las tierras raras tienden a encontrarse en la roca dura en forma de granitos, donde agruparlos de manera uniforme los hace difíciles de extraer.

Por otro lado, separar los elementos deseados requiere de procesos tóxicos y peligrosos, y China tiene la mejor infraestructura para hacerlo económicamente. China tiene cerca de 36 por ciento de los 110 millones de toneladas a nivel mundial de recuperar los minerales de tierras raras, con el resto dispersos en todo el mundo, principalmente en los Estados Unidos, India, Australia y Rusia. Sin embargo, China produce actualmente hasta un 97 por ciento de las óxidos de tierras raras del mundo, de acuerdo con la Oficina de Contabilidad del Gobierno de EEUU. El prof. Pyykkö Pekka, profesor de química en la Universidad de Helsinki, lo expresa de esta manera: "No todos los depósitos están en China, pero tiene la capacidad de procesamiento en estos momentos”.

La oferta no tendría importancia si no fuera por la demanda, y la demanda proviene de las propiedades inusuales eléctricas de las tierras raras o lantánidos, como los químicos prefieren llamarlos, porque en su mayoría le siguen al lantano en la tabla periódica de elementos. Los lantánidos comparten propiedades químicas similares, ya que todos reaccionan de manera similar, en su mayoría con sus tres electrones externos. La disposición de los electrones de un átomo es lo que determina la mayoría de sus atributos físicos y químicos de un elemento. Como el cobre, hierro, cobalto y otros metales más familiares, los lantánidos formar muchos compuestos coloreados. La magia sucede cuando los electrones externos cambian de estado y liberan energía de luz visible.

Pero las tierras raras son especialmente valiosos por sus propiedades de fluorescencia: Puede absorber los rayos de luz o la luz ultravioleta y reemiten la energía como un misterioso resplandor de ciertos colores específicos para cada elemento. La emisión brillante de color rojo y verde es la razón por la lantánidos son elementos indispensables de aparatos de televisión de hoy y las bombillas fluorescentes compactas.

Desde una perspectiva tecnológica, un rasgo más interesante de las tierras raras es que algunos de ellos son altamente magnéticos. Aleado con otros metales, se crean unos imanes extraordinariamente fuerte y compacta: perfecta para discos duros de ordenador, herramientas eléctricas inalámbricas, micrófonos y auriculares. Un iPod toma un sorbo triple de tierras raras: para se una tienda de música digital, en los  auriculares, y para mostrar lo que se está reproduciendo.

Una aleación de hierro que contienen terbio y disprosio tiene una propiedad particularmente útil: Se expande y se contrae de manera eficiente en la presencia de un campo magnético. Sensores, actuadores, y los inyectores suelen utilizar estos materiales, por ejemplo, para regular el flujo de gasolina en un motor de automóvil.

Imanes compactos, potentes, son componentes clave para los generadores y motores eléctricos eficientes, y esto hace poco los jugadores estrella de tierras en la tecnología verde. Molycorp Minerals, la mayor empresa que desarrolla operaciones mineras para la extracción de tierras raras en los Estados Unidos, las denomina elementos los elementos de color verde.
Los lantánidos salpicados de imanes se utilizan para generar electricidad en las turbinas de viento. Una turbina capaz de generar 2,5 megavatios de potencia suele utilizar 700 libras de neodimio. Trenes de alta velocidad de levitación magnética hacen un amplio uso de imanes para hacer levitar como los coches por encima de sus pistas. El Toyota Prius es prácticamente una exhibición de rodadura de las tierras raras, que contiene ocho elementos diferentes, para un total de 25 libras de tierras raras.

Pero la versatilidad comercial de los lantánidos se extiende mucho más allá del mundo de la electrónica. El cerio es un buen ejemplo. Fue descubierto en 1803 por el químico sueco Jöns Jacob Berzelius, quien lo nombró así por el asteroide Ceres, descubierto dos años antes. En 1885 el químico vienés Carl Auer von Welsbach encontró que una pizca de óxido de cerio, junto con el óxido de torio, mezcla que aumenta el brillo de una lámpara de gas. Poco después, Auer descubrió que una mezcla de cerio y hierro fácilmente genera chispas. La aleación, que él denomino  Auermetall, aún se utiliza para encender la llama de los encendedores.

Aplicaciones de cerio parece estarse multiplicando. Un fino polvo de óxido de cerio, conocido como rojo de óptica, es un excelente abrasivo para el pulido de vidrio. Compuestos de cerio en forma no tóxica de pigmentos rojos se utilizan en juguetes y productos para el hogar. En medicina, los compuestos de cerio se administran una vez para todo, desde la tos tuberculosis a los mareos, hoy en día los tratamientos son en su mayoría considerados como charlatanería, pero el elemento que sigue ganando su lugar en los hospitales como un lavado antiséptico para quemaduras graves.

Es posible que tenga óxido de cerio en la cocina si el horno es un modelo de auto-limpieza. También tienen óxido de cerio en su automóvil, siempre que haya sido fabricado hace menos de 35 años. El compuesto permite convertir las emisiones de monóxido de carbono en el escape del automóvil en dióxido de carbono que es menos dañino. Como un polvo fino mezclado con combustible diesel, el óxido de cerio puede limpiar los humos de hollín producido por los camiones y autobuses. La industria consume 55.000 toneladas de cerio cada año. El elemento, sacado de un tipo de granito degradado llamado monacita, se vende alrededor de USS $60 la libra.

Útiles y sin embargo desconocidas para la persona promedio, el importante uso que tienen las tierras raras, a pesar de que muchos de ellos literalmente, arrojan realmente luz. El cerio es un elemento crucial en las lámparas de intensa, de arco de luz blanca utilizada por los cineastas para iluminar la acción en el set. Vidrio dopado con óxido de cerio efectivamente absorbe la luz ultravioleta. Eso hace que sea útil para el bloqueo de los rayos UV en las ventanas y las gafas de sol, así como para la protección de equipos de rayos X del daño por radiación. Otros dos metales del grupo de las tierras raras, el neodimio y praseodimio, trabajar su magia en el otro extremo del espectro. Impiden la luz infrarroja y por lo tanto se incorporan a las gafas para proteger a los trabajadores soldadores sus ojos del calor. Estos óxidos también absorben amarillo y verde, por lo que hizo con ellos de cristal tiene un tinte violeta característico.

En términos más generales, las tierras raras añaden color a nuestro mundo debido a sus ricas propiedades ópticas variadas. Los esmaltes en platos de barro y vasijas comúnmente contienen óxidos de estaño (blanco), cobre (azul), o de hierro (color ámbar). Sin embargo, los óxidos de tierras raras se pueden disolver en el esmalte para crear tonos más exóticos, como el rosa y verde lima, con una apariencia fuerte, eléctrica que los artistas amor.

Fluorescencia de colores es la tarjeta de otro elemento de tierras raras con otro nombre extraño: el europio. Elementos fueron llamados con frecuencia para la ciudad o la región donde fueron descubiertos, a veces de una manera muy provincial, como fue el caso con itrio. Europio va en contra de la tendencia. Fue el último de los lantánidos naturales que se encuentran, en 1901. En ese año, el francés Eugène-Anatole Demarçay aisló el elemento como impureza en las muestras de otra tierras raras, el samario (llamado así, indirectamente, después del ruso oficial mina  VE Samarsky-Bykhovets). En un arranque de magnanimidad, Demarçay decidió el nombre de su elemento, no después de París, donde trabajó, o después de Francia, sino en honor de toda Europa.

Todas las tierras raras, el europio es quizás el más visible. Se utiliza en los fósforos de las pantallas, donde se emite la luz roja y azul. Un poco de europio también se agrega a las farolas de vapor de mercurio para blanquear su luz azul fría. Incluso se ha encontrado su camino en la billetera, pues los funcionarios de Banco Central Europeo, decidieron que es conveniente que los compuestos basados ​​en el europio se han añadidos a los billetes como marcas de seguridad fluorescente. Cuando las notas son inspeccionadas bajo escáner de rayos ultravioleta de un banco, imágenes de un puente y la luz permiten observar el continente europeo en verde. La relación del uso del europio en el euro no fue anunciado, sino que fue revelado sólo cuando Freek Suijver y Meijerink Andries, dos químicos curiosos en la Universidad de Utrecht en los Países Bajos, la descubrieron en su espectrómetro.

La importancia de las tierras raras no es ningún secreto en el mundo industrializado, sin embargo. Hace un año, cuando China anunció que iba a limitar las exportaciones, los precios de los productos de todas las tierras raras, casi al instante se dispararon. En sólo seis meses el precio del óxido de samario se cuadruplicó, a más de $50 la libra en mayo de este año, debido a su propiedad como supermagneto permanente cuando es aleado con cobalto. Capacidad de samario de permanecer fuertemente magnético a temperaturas extremas hace que sea una de las favoritas de los militares para su uso en armas guiadas de precisión. En abril, China tomó medidas para mantener los precios altos mediante la ampliación de una prohibición nacional de la exploración de tierras raras y la apertura de nuevas minas.

Para todos los titulares terribles, la última de las tierras raras frenesí puede ser poco más que una burbuja. No hace mucho tiempo, China perseguido agresivamente a medios más baratos de aislar a las tierras raras, que se benefician de la ausencia de costosas regulaciones ambientales, que es lo que el país adquirió su actual cuasi-monopolio. Sin embargo, su dominio podría ser temporal. "Debido a sus bajos precios, los competidores del cierre", dice Pekka Pyykkö. "En la situación actual, la nueva capacidad, sin duda, será reiniciado".

Mountain Pass, California, es uno de los lugares donde las tierras raras estadounidense pueden subir de nuevo. Aquí, la compañía Molycorp utiliza para satisfacer gran parte de la demanda mundial de estos elementos. La compañía cerró su operación en 2002, pero a principios de este año se volvió a abrir la mina. Otra compañía americana, Tierras Raras EEUU, es propietaria de los derechos mineros a los recursos de los lantánidos en Montana y Idaho, según un informe de la Oficina de Responsabilidad Gubernamental, desde la exploración hasta el inicio de la explotación puede tomar unos 15 años.

Una visita a otros lugares de la tabla periódica también podría aparecer sustitutos para algunos de los lantánidos. En enero, Toyota, asustados por el aumento de precios y la oferta se refiere, ha anunciado que está desarrollando un nuevo tipo de propulsión, denominado motor de inducción, para los futuros vehículos eléctricos e híbridos. La tecnología en particular no se basa en elementos de tierras raras.

Por ahora, sin embargo, el mundo está enganchado a los lantánidos, y China es el único lugar que tiene la capacidad de procesamiento en marcha y funcionando. En cuanto a Ytterby, sus minas son poco probable que vuelva a abrir. Ahora es un hito histórico. Un pequeño cartel conmemora en el muelle, la contribución prodigiosa del sitio a la química.

La vida en Lantánidos: Toyota Prius
Toyota ha vendido 2 millones de Prius a nivel mundial desde la introducción del automóvil en 1997, incluyendo un millón en los Estados Unidos. El Prius obtiene su jugo de un paquete de baterías que contiene unos 20 kilos de lantano, el cual los electrones lanzaderas entre terminales positivo y negativo de la batería. Imanes de gran alcance en el Prius eléctrico donde los motores incorporan el neodimio, cuyo coste se disparó un 150 por ciento en el primer tercio de 2011. El precio de lantano se ha multiplicado por siete, a $60 la libra, en el último año, y en 2010 China suspendió brevemente los envíos de tierras raras a Japón en un conflicto diplomático. Toyota está trabajando con la compañía de automóviles eléctricos Tesla Motors para instalar las tierras raras sin motores en los vehículos del futuro.

La vida en Lantánidos: palos de béisbol
Una manera perfectamente legal para aumentar su rendimiento es el uso de un bate de metal infundido con el elemento escandio de las tierras raras. Cuando se mezcla con aluminio, se reduce el elemento de color blanco plateado y refina el grano del metal, haciendo una aleación altamente resistente a la fisuración. "Sólo un poco le permite construir un bate fuerte sin sacrificar la capacidad de resistencia y durabilidad". Pero la producción de escandio es tan baja de este elemento, que también se utiliza en cuadros de bicicletas y bastones de lacrosse puede costar cientos de dólares la libra, lo que limita su uso a los top-of-the-line a un precio de USS$ 150 o más.

El neodimio es uno de los elementos más importantes debido a sus propiedades magnéticas de gran alcance. Otras tierras raras son cruciales para la muestra viva de los teléfonos inteligentes, televisores y computadoras portátiles. Esperamos que la demanda para el desarrollo de las pantallas táctiles en color se vuelvan más comunes con la difusión de las tablets y lectores electrónicos.

La vida en Lantánidos: aerogeneradores

La electricidad sin carbono recibe un gran impulso a partir de tierras raras. Detrás de los rotores de los aerogeneradores, las bobinas de cable se mueven a través de un campo magnético para generar corriente. Algunas turbinas contienen 700 libras de neodimio. El año pasado, GE recibió una subvención federal de USS$ 2 millones para desarrollar 

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