Tierras raras

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Tierras raras Síntesis elaborada por Lilly Soto Vásquez Recuperado de http://enlacemineria.blogspot.com/2014/04/los- metales-de-tierras-raras-el-nuevo.html 1

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Tierras raras Síntesis elaborada por Lilly Soto VásquezRecuperado de http://enlacemineria.blogspot.com/2014/04/los-

metales-de-tierras-raras-el-nuevo.html

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HISTORIA DE LAS TIERRAS RARAS

El descubrimiento de la primera tierra rara se produjo en 1787 por el

lugarteniente de artillería sueco C.A. Arrhenius. El halló un feldespato en

Ytterby, pequeño pueblo situado a 30 Kms de Estocolmo y lo llamó

Ytterbita (Galonita, actualmente). En su composición se halló un nuevo

mineral que fue bautizado como Itrio. A lo largo del siglo XIX y comienzos

del XX se descubren todas las demás tierras raras. En la segunda mitad del

siglo XX se logran aislar todos sus elementos a nivel industrial y se inicia su

incorporación a diferentes productos comerciales.

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En general, podemos clasificar la historia de

las Tierras Raras en tres etapas:

1. Etapa Inicial (1787-1950). Se descubre el Itrio por Gadolin y, posteriormente, todas las demás tierras raras a excepción del Prometio. Hallazgos importantes: el ferromagnetismo del Gadolinio (Gd) y la superconductividad del Lantano (La). Termina cuando se consigue obtener industrialmente elementos de las tierras raras con gran pureza.

2. Etapa de Desarrollo (1950-1970). Los métodos para obtener metales en estado puro sufren una evolución constante. Se descubre el efecto láser y se dan las primeras aplicaciones en magnetismo, óptica, pigmentos, etc.

3. Etapa de Oro (1970 a la fecha). Las tierras raras se incorporan a muchos de los materiales que utilizamos en la vida cotidiana. Se descubren nuevas propiedades como absorción de grandes cantidades de hidrógeno, de imanes permanentes, de superconductores de alta temperatura, magnetoresistencia, de iridiscencia, etc.

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Tierras raras. Definición

Se conoce mundialmente como tierras raras, también

llamados metales especiales, al conjunto de 17

elementos químicos metálicos: el Escandio (número

atómico 21), el Itrio (número atómico 39) y el llamado

grupo de los lantánidos –Lantano, Cerio, Praseodimio,

Neodimio, Prometio, Samario, Europio, Gadolinio, Terbio,

Disprosio, Holmio, Erbio, Tulio, Iterbio y Lutecio-, cuyos

números atómicos están comprendidos entre 57 y 71.

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Se comercializan en forma de polvo y

como óxidos metálicos

Generalmente se comercializan en forma de polvo y como óxidos metálicos.

Se extraen de unos 25 minerales que se encuentran en la naturaleza en cantidades no tan escasas como su nombre da a entender. Sin embargo, este nombre está justificado por la baja concentración en que se suelen encontrar y la consiguiente dificultad para localizarlos en proporciones que permitan su explotación comercial.

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Monazita y bastnazita y más de 200

minerales

Las tierras raras se encuentran dispersas en la corteza terrestre en

cantidades insignificantes y son dos los minerales que las contienen en una

mayor concentración: la monazita y la bastnazita.Sin embargo, se

conocen más de 200 minerales en los que las tierras raras entran en su

composición.

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Excepcionales propiedades ópticas,

eléctricas y magnéticas

La estrecha analogía en el comportamiento químico de las tierras raras

hace que el proceso de extracción y posterior separación y purificación, a

partir de los diferentes minerales en los que se encuentran asociados, sea

tedioso y complicado (en algunos casos puede implicar más de 1,500

etapas). A pesar de todo esto y por sus excepcionales propiedades

ópticas, eléctricas y magnéticas, las tierras raras se han hecho casi

insustituibles en la industria actual.

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¿Son realmente insustituibles las tierras

raras?

En una investigación de la Academia Nacional de Ciencias de EE.UU. se

analizaron 62 elementos químicos ampliamente utilizados y se descubrió

que para al menos diez de ellos no existe ningún tipo de reemplazo o,

bien, no está disponible.

Entre estos elementos absolutamente irreemplazables están el

manganeso, magnesio, rodio, renio, talio, así como diferentes metales de

tierras raras: itrio, lantano, europio, disprosio, tulio e iterbio.

Esto los hace no solo indispensables sino estratégicos para todas las

naciones que fabrican productos de alta tecnología.

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China y las tierras raras

En la actualidad, el país más rico en metales

raros es China, sin embargo, las tecnologías

modernas dependen de los recursos extraídos

en todos los continentes, excepto la Antártida.

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Uso de las tierras raras

Las aplicaciones de las tierras raras son muy amplias y aumentan

constantemente. Hoy en día se usan ya para producir discos duros de

ordenador, equipos de sonido, catalizadores de automóviles, pilas de

combustible, imanes permanentes, teléfonos móviles inteligentes, pantallas

de T.V., pantallas táctiles, turbinas eólicas, paneles solares o lámparas de

bajo consumo, materiales para cerámicos, materiales ópticos, entre otros

muchos objetos. Sus propiedades ópticas y magnéticas los han convertido

en indispensables para la producción de casi todos los equipos modernos.

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La televisión y el europio; el erbio y la

fibra óptica

La imagen cada vez más nítida de la televisión se debe al europio. El indio,

que es parte del material de la pantalla de una computadora o tableta o

del teléfono celular, permite encenderlos con solo el roce de los dedos (el

famoso touch screen). La información que buscamos en internet llega a

nosotros gracias a que la fibra óptica por donde viaja está pavimentada

con erbio.

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Miniaturización de los dispositivos

electrónicos

Debido a su casi nula toxicidad las tierras raras también son ideales para la

generación de pigmentos inorgánicos, ya que los actuales presentan

elementos como cobalto, cadmio, cromo, plomo, etc. que traen

problemas medioambientales.

Otro gran beneficio de las tierras raras es que han permitido la

miniaturización de dispositivos electrónicos. Por ejemplo, hoy en día

tenemos auriculares que suenan como equipos de alta fidelidad de

antaño porque en su interior llevan unos diminutos y ligeros imanes de

neodimio, increíblemente potentes, que han sustituido a los de ferrita,

mucho más pesados.

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Láseres de tierras raras

Sus aplicaciones como láseres, por ejemplo, son muy amplias. Los láseres

de tierras raras son excelentes fuentes de radiación monocromática de

alta intensidad, coherencia y direccionalidad. Por ello se pueden usar en

investigación (espectroscopía óptica, fusión láser, medicina, etc.),

procesado de materiales (cortado, soldadura, perforado, moldeado),

comunicaciones (óptica integrada, transmisión de datos a alta velocidad,

comunicaciones vía satélite) y militares (detectores, blancos).

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También tienen un uso muy importante en los catalizadores de

tres vías (CTV) que utilizan los automóviles y que reducen

eficazmente la contaminación ambiental. Son los famosos

“coches híbridos” en los que Occidente confía su salvación en

términos de dependencia de combustibles. El modelo más

popular, el Toyota Prius, del cual se vendieron 3 millones de

unidades en el 2013, contiene un kilogramo del supermagnético

neodimio en su motor, y al menos otros 10 kilos de lantano en sus

baterías recargables. Y este solo uso representa el 35% del uso

global de las tierras raras.

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Uso militar

En cuanto a su uso militar todas

las tierras raras han logrado tener

importantes aplicaciones:

• Escandio. Aleaciones para

aviación y vuelo espacial.

• Neodimio, Samario, Disprosio

e Iterbio. Láseres de uso militar.

• Samario. Bombas

inteligentes.

• Terbio. Sonares.

• Lantano. Lentes de visión

nocturna.

• Europio. Fluorescencia en monitores.

• Itrio, Europio, Terbio. Sistemas de armas.

• Neodimio, Itrio, Lantano, Disprosio, Terbio. Amplificación de señales.

• detectar minas.

• Itrio. Superconductores a temperaturas muy bajas.

• Tulio, Lantano. Superconductores a altas temperaturas.

• Praseodimio. Aleaciones en motores de aviación.

• Samario, Europio, Gadolinio, Disprosio y Holmio. Reactores nucleares.

• Las turbinas eólicas tienen cuatro tierras raras.

• La tecnología militar emplea tierras raras en motores jets y sistemas para guiar misiles.

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PROPIEDADES Y DISPONIBILIDAD DE LOS METALES DE TIERRAS

RARAS

PROPIEDADES Y USOS GENERALES DISPONIBILIDAD

El tecnesio se encuentra en muy pequeña cantidad en

los minerales de uranio. En la actualidad se extrae de

los desechos radioactivos ya que tiene una función

muy importante para visualizar el interior del cuerpo

humano por tomografía o resonancia magnética. Un

isómero del tecnesio tiene una vida media de solo 6

horas, esto hace que pueda ser inyectado en el

paciente para que ilumine la parte del cuerpo que

interesa, y gracias a que su vida media es muy corta

la exposición a la radiación es mínima.

Muy poca

Una aleación de indio con óxido de titanio posee una

rara combinación: es conductora de electricidad y es

ópticamente transparente, lo cual la ha hecho

indispensable para las pantallas planas de televisión

en donde actúa como electrodo que controla cada

pixel. Dicha aleación es la que comunica una

conductividad sensible al tacto a las pantallas táctiles

(touch screen).

Cuando el indio se mezcla con otros metales, pierde

su transparencia y se convierte en un conector de luz,

por lo que una mezcla de indio, cobre, selenio y

galio se emplea actualmente para fabricar celdas

solares que superan a las de óxido de silicio.

Escasa

Las baterías de litio son las que hasta la fecha se han

usado en los aparatos electrónicos portátiles como

teléfonos y computadoras, pues es importante que

sean ligeras y poco voluminosas. Sin embargo,

pueden ser explosivas y por ende no se han podido

usar en los vehículos eléctricos o híbridos. Para estos

se están fabricando unas baterías con una mezcla

de níquel ymichsmetal, cuyos componentes más

abundantes son lantano y serio. Estas baterías son tan

eficientes como las de litio.

Poca

23neodimio

Nd (60)

38 ppm

Una aleación de neodimio, fierro y boro tiene un poder

magnético 12 veces mayor que el de los imanes

convencionales de fierro. Gracias a esto se ha reducido el

peso y el tamaño de las computadoras portátiles. Esta

aleación permite un control más fino de los motores que

hacen girar el disco duro así como del brazo que lee y

escribe datos, además es posible almacenar más

información en la misma superficie.

Las turbinas generadoras de energía eólica y los vehículos

híbridos y eléctricos requieren también de estos imanes, lo

que aumentó la demanda de neodimio en un 40% el 2014.

Poca

europio

Eu (63)

2 ppm

El europio y el terbio tienen propiedades fosforescentes y

se emplean para generar las imágenes y los colores en la

televisión. El terbio genera un color amarillo-verdoso

mientras que el europio produce azul. Si el europio se

mezcla con itrio, se genera luz roja.

Poca

terbio

Tb (65)

1 ppm

Al agregar terbio al recubrimiento fluorescente de las

lámparas que emiten rayos X se obtienen mejores imágenes

en menor tiempo de exposición a la radiación X, que en

exceso es dañina. Con el fin de dar una sensación de

calidez a la luz ultravioleta de los focos ahorradores de

energía, se cubre el interior de estos focos con una mezcla

de terbio y europio.

Poca

disprosio

Dy (66)

6 ppm

Una aleación de terbio, fierro y disprosio (Terfenol-D)

tiene la rara propiedad de cambiar de forma ante un campo

magnético. La marina estadounidense ha diseñado un sonar

de gran sensibilidad que aprovecha esta propiedad como

transductor para localizar con gran precisión sonidos

submarinos.

Los imanes de neodimio-fierro-boro pierden su propiedad

magnética por encima de los 300oC, pero si se les agrega

disprosio, el imán tolera temperaturas más altas. Esto lo ha

hecho indispensable para turbinas y discos duros de gran

desempeño.

Poca

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erbio

Er (68)

4 ppm

La fibra óptica empleada para transmitir ondas luminosas

que codifican información es muy eficiente aunque la señal

se debilite a lo largo de grandes distancias y es necesario

amplificarla. A pequeñas secciones de la fibra óptica se les

pone erbio. Al irradiar estas secciones con láser, los iones

de erbio liberan esta energía como luz de la misma longitud

de onda que amplifica la señal.

Poca

hafnio

Hf (72)

3.3 ppm

El óxido de hafnio es un excelente aislante de la

electricidad. Hoy se usa en lugar de los transistores de

óxido de silicio. El tamaño de los transistores disminuyó de

65 a 32 nanómetros cuando se fabricaron con óxido de

hafnio. El hafnio ha contribuido a que los teléfonos

inteligentes sean pequeños y más inteligentes.

Poca

renio

Re (75)

0.7 ppm

Aleaciones con renio son resistentes a temperaturas muy

altas, por lo que se han usado en turbinas de gas en

aeronáutica y generadoras de energía. Su escasez ha

obligado a las industrias que lo requieren a reciclar el renio

de turbinas que ya no son útiles.

Poca

*ppm = partes por millón Fuente: ¿cómoves?

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OTRAS APLICACIONES DE LAS TIERRAS RARAS

Cerámicas Tenaces Si3N4 / SiACON / ZrO2

/AlN

Y2O3,

R2O3

Pulido de Vidrio CeO2

Absorbentes de Neutrones EuB6 / Gd2O3

Conductores iónicos ZrO2 / CeO2 Y2O3 / Pr,

Gd

Sensores de Oxígeno ZrO2 Y2O3 /

R2O3

Conductores electrónicos LaCrO3

Termistores BaTiO3

Resistores RBa6

Magnetorresistentes La1-xCaxMnO3

Superconductores RBa2Cu3O7

Recubrimientos en

aleaciones

Fe-Cr-Al Y, R

Agentes de Contraste en

RM

Gd(DOTA) / Gd(DPTA)

Aplicaciones en Medicina:

Ensayos inmunológicos Criptatos de t.r.

Agentes antocoagulantes 3Sulfoisonicotinato de Nd

Agentes antiinflamatorios Complejos de t.r.

Agentes antimicrobianos Nitrato de Ce-sulfadiazina

de Ag

Puede tener más información de los usos de las tierras raras en la REE Handbook. Guía de elementos de tierras raras (en Inglés).

Producción y demanda de tierras raras en el mundo 26

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Un hecho clave para entender la actual coyuntura que plantean las tierras

raras es su demanda y los recursos disponibles en el mundo. La demanda

ha experimentado un crecimiento extraordinario en las últimas dos

décadas, incluso durante la actual crisis económica, alcanzando

incrementos de 10% al año. En especial, es la producción de dispositivos

móviles la que aumenta bruscamente la demanda de metales de tierras

raras: oro, antimonio, bismuto, cobalto y berilio. Solo en 2011 la importación

para las industrias de la innovación y tecnología alcanzó los 155.000

millones de dólares.

La producción mundial de tierras raras que inicialmente estuvo liderada

por los EE.UU. ahora está dominada totalmente por China que, a finales de

los 80, empezó a producir con una fuerza arrolladora al tiempo que EE.UU.

perdía peso, de forma progresiva, hasta desaparecer del mercado. En

Norteamérica se cerró la gran mina de tierras raras de Mountain Pass en

California en el año 2002, debido a su elevado coste relativo de

explotación, comparado con Chila. A su vez, China comenzó a

incrementar consistentemente su demanda de tierras raras hasta llegar a

ser ahora el país que más las usa. Los cuadros a continuación nos dan los

detalles.

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RESERVAS DE TIERRAS RARAS EN EL

MUNDO

Aunque hay numerosas reservas de tierras raras repartidas por todo el

mundo, son pocas las minas donde se extraen. Para que estas sean

rentables debe haber una alta concentración de estos minerales, pues es

complicado separar las tierras raras de otros elementos con los que se

encuentran en la naturaleza. Suelen ser minas a cielo abierto y requieren

mover grandes cantidades de suelo. Además de ese impacto, hay riesgos

medioambientales. Para separar los elementos de estos minerales hay que

lavarlos con ácidos, lo que da lugar a millones de litros de residuos tóxicos.

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En Mongolia interior (China), donde están las mayores minas de tierras raras de mundo, se han contaminado lagos enteros, matando el ganado y provocando problemas de salud pública. También hay riesgo de radiactividad, pues es frecuente encontrar uranio y torio en los minerales de los que se obtienen las tierras raras. La legislación ambiental es más permisiva en China, pero en muchos otros países la minería de tierras raras se considera una actividad demasiado sucia y provoca fuerte rechazo social.

En Malasia, una plataforma ciudadana está tratando de frenar la construcción de una refinería detierras raras en Kuantan. En Europa, la única mina permanece cerrada. Está en Ytterby (Suecia), donde se descubrieron estos elementos. En España se han encontrado tierras raras en zonas de Galicia, Extremadura y Castilla y León, pero faltan estudios sobre esos posibles yacimientos.

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33MÉTODOS DE PREPARACIÓN DE LOS METALES

DE TIERRAS RARAS

La

Electrólisis de los cloruros o fluoruros fundidos

o calciotermia

Ce

Pr

Nd

Y Calciotermia de los cloruros o fluoruros, y

posterior destilación y condensación a estado

cólico

Gd

Tb

Lu

Dy Calciotermia o litiotermia* de los fluoruros, y

posterior sublimación Ho

Er

Sm

Lantanotermia en el transcurso de la cual la tierra

rara destila

Eu

Tm

Yb

* Reducción metalotérmica

Fuente: Sociedad Española de Química (2000)

Precios de las tierras raras

Los precios de las tierras raras tuvieron un incremento meteórico entre el año 2009 y 2011 en que alcanzaron su pico máximo. En ese lapso muchas de ellas multiplicaron su precio por 10 e incluso algunas por 20 para (óxido de Lantano) o hasta por 30 (óxido de Cerio). Luego de eso, durante 2012, los precios bajaron de forma apreciable por diferentes circunstancias que explicaremos más adelante. Pero el aviso ha sido muy claro: a pesar de la bajada relativa de los precios en 2012, éstos se mantienen aproximadamente en el 500% de los valores de 2009. Entre las más caras puede citarse el Europio, que ha llegado a costar 5,000 dólares el kilo, frente a un precio de 500 $/Kg. en 2009.

Las tierras raras no se cotizan en bolsa sino que se definen en negociaciones privadas. Aquí podemos apreciar algunos precios de referencia (por kilogramo).

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Gracias

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