Los elementos de tierras raras , también llamados metales de tierras raras u (en contexto) óxidos de tierras raras , o los lantánidos (aunque el itrio y el escandio generalmente se incluyen como tierras raras) son un conjunto de 17 casi indistinguibles de color blanco plateado brillante. metales pesados blandos. [1] El escandio y el itrio se consideran elementos de tierras raras porque tienden a ocurrir en los mismos depósitos de mineral que los lantánidos y exhiben propiedades químicas similares, pero tienen diferentes propiedades electrónicas y magnéticas . [2] [3]
El 1985 Unión Internacional de Química Pura y Aplicada "Libro Rojo" (p. 45) recomienda que los lantánidos se utiliza en lugar de los lantánidos . La terminación "-ide" normalmente indica un ion negativo. Sin embargo, debido al amplio uso actual, el "lantánido" todavía está permitido y es aproximadamente análogo al elemento de tierras raras.
En forma pura, estos metales se empañan lentamente en el aire a temperatura ambiente y reaccionan lentamente con agua fría para formar hidróxidos, liberando hidrógeno. Reaccionan con el vapor para formar óxidos, y a temperatura elevada (400 ° C) se encienden espontáneamente y arden con una llama pirotécnica feroz y colorida.
Estos elementos y sus compuestos no tienen ninguna función biológica conocida. Los compuestos solubles en agua son de leve a moderadamente tóxicos, pero los insolubles no lo son. [4]
Las tierras raras tienen diversas aplicaciones en componentes eléctricos y electrónicos, láseres, vidrio, materiales magnéticos y procesos industriales, pero dado que no ocurren como metales base o en grumos o cantidades visibles como el hierro o el aluminio, sus nombres y propiedades son desconocidos en la vida cotidiana. Uno de los más familiares pueden ser los imanes de neodimio inusualmente poderosos vendidos como novedades.
A pesar de su nombre, los elementos de tierras raras son relativamente abundantes en la corteza terrestre , siendo el cerio el vigésimo quinto elemento más abundante con 68 partes por millón, más abundante que el cobre . Todos los isótopos del prometio son radiactivos y no se encuentra de forma natural en la corteza terrestre; sin embargo, una pequeña cantidad se genera por la desintegración del uranio 238. A menudo se encuentran en minerales con torio , y menos comúnmente uranio . Debido a sus propiedades geoquímicas , los elementos de tierras raras suelen estar dispersos y no suelen encontrarse concentrados en minerales de tierras raras . En consecuencia, los depósitos de mineral económicamente explotables son escasos (es decir, "raros"). [5] El primer mineral de tierras raras descubierto (1787) fue la gadolinita , un mineral negro compuesto de cerio, itrio, hierro, silicio y otros elementos. Este mineral se extrajo de una mina en el pueblo de Ytterby en Suecia ; cuatro de los elementos de tierras raras llevan nombres derivados de esta única ubicación.
Según la profesora de química Andrea Sella , los elementos de tierras raras se diferencian de otros elementos, en la medida en que "los metales de tierras raras, cuando se miran anatómicamente, parecen ser inseparables entre sí, en el sentido de que todos son casi exactamente iguales en términos de su propiedades químicas. Sin embargo, en términos de sus propiedades electrónicas, sus propiedades magnéticas, cada una es realmente exquisitamente única, por lo que puede ocupar un pequeño nicho en nuestra tecnología, donde prácticamente nada más puede hacerlo ". [2] Por ejemplo, "los elementos de tierras raras praseodimio (Pr) y neodimio (Nd) se pueden incrustar dentro del vidrio y cortan por completo el resplandor de la llama cuando se sopla el vidrio ". [2]
Lista
Aquí se proporciona una tabla que enumera los 17 elementos de tierras raras, su número atómico y símbolo, la etimología de sus nombres y sus principales usos (ver también Aplicaciones de los lantánidos ). Algunos de los elementos de tierras raras llevan el nombre de los científicos que los descubrieron, o aclararon sus propiedades elementales, y algunos después de su descubrimiento geográfico.
Z | Símbolo | Nombre | Etimología | Aplicaciones seleccionadas | Abundancia [6] [7] (ppm [a] ) |
---|---|---|---|---|---|
21 | Carolina del Sur | Escandio | del latín Scandia ( Escandinavia ). | Light aleaciones de aluminio-escandio para componentes aeroespaciales, aditivo en metal haluro lámparas y lámparas de vapor de mercurio , [8] agente radioactivo rastreo en refinerías | 22 |
39 | Y | Itrio | después de la aldea de Ytterby, Suecia , donde se descubrió el primer mineral de tierras raras. | Láser de granate de itrio y aluminio (YAG), vanadato de itrio (YVO 4 ) como anfitrión de europio en fósforo rojo de televisión, superconductores de alta temperatura YBCO , circonio estabilizado con itrio (YSZ) (utilizado en coronas dentales ; como material refractario - en aleaciones metálicas utilizadas en motores a reacción y revestimientos de motores y turbinas de gas industriales; electrocerámicas - para medir oxígeno y pH de soluciones de agua caliente, es decir, en pilas de combustible; electrolito cerámico - utilizado en pilas de combustible de óxido sólido ; joyería - por su dureza y propiedades ópticas; no cementos y cerámicas de alta temperatura a base de agua), filtros de microondas de granate de itrio y hierro (YIG) , [8] bombillas de bajo consumo (parte del revestimiento de fósforo blanco trifósforo en tubos fluorescentes, CFL y CCFL, y revestimiento de fósforo amarillo en LED blancos), [9] bujías , mantas de gas, aditivo para acero, aleaciones de aluminio y magnesio, tratamientos contra el cáncer , lentes de cámara y telescopio refractivo (debido al alto índice de refracción y muy baja expansión térmica), batt cátodos de ery (LYP) | 33 |
57 | La | Lantano | del griego "lanthanein", que significa estar oculto . | Vidrio de alto índice de refracción y resistente a los álcalis, pedernal, almacenamiento de hidrógeno, electrodos de batería, lentes de cámara y telescopio refractivo , catalizador de craqueo catalítico fluido para refinerías de petróleo | 39 |
58 | Ce | Cerio | en honor al planeta enano Ceres , que lleva el nombre de la diosa romana de la agricultura . | Agente químico oxidante , polvo de pulir, colorantes amarillos en vidrio y cerámica, catalizador para hornos autolimpiantes , catalizador fluido de craqueo catalítico para refinerías de petróleo, pedernal de ferrocerio para encendedores, revestimientos robustos intrínsecamente hidrófobos para álabes de turbina [10] | 66,5 |
59 | Pr | Praseodimio | del griego "prasios", que significa verde puerro , y "didymos", que significa gemelo . | Imanes de tierras raras , láseres , material de núcleo para iluminación de arco de carbono , colorante en vidrios y esmaltes , aditivo en vidrio de didimio utilizado en gafas de soldar , [8] productos de ferrocerio firesteel (pedernal), amplificadores de fibra óptica monomodo (como dopante de fluoruro vidrio ) | 9.2 |
60 | Dakota del Norte | Neodimio | del griego "neos", que significa nuevo , y "didymos", que significa gemelo . | Imanes de tierras raras , láseres , colores violetas en vidrio y cerámica, vidrio de didimio , condensadores cerámicos , motores eléctricos de automóviles eléctricos. | 41,5 |
61 | Pm | Prometeo | después del titán Prometeo , que trajo fuego a los mortales. | Baterías nucleares , pintura luminosa | 1 × 10 −15 [11] [b] |
62 | Sm | Samario | después de mi oficial, Vasili Samarsky-Bykhovets . | Imanes de tierras raras , láseres , captura de neutrones , máseres , barras de control de reactores nucleares | 7.05 |
63 | UE | Europio | después del continente de Europa . | Rojos y azules fósforos , láseres , lámparas de vapor de mercurio , lámparas fluorescentes , RMN agente de relajación | 2 |
64 | Di-s | Gadolinio | después de Johan Gadolin (1760–1852), para honrar su investigación sobre las tierras raras. | Vidrio o granates de alto índice de refracción , láseres , tubos de rayos X , memorias de burbujas (de computadora) , captura de neutrones , agente de contraste de resonancia magnética , agente de relajación de resonancia magnética nuclear , aleaciones magnetoestrictivas como el galfenol , aditivo de aleaciones de acero y cromo, refrigeración magnética (con un efecto magnetocalórico significativo ), detectores de centelleo por tomografía por emisión de positrones , sustrato para películas magneto-ópticas, superconductores de alta temperatura de alto rendimiento , electrolito cerámico utilizado en pilas de combustible de óxido sólido , detectores de oxígeno , posiblemente en conversión catalítica de humos de automóviles. | 6.2 |
sesenta y cinco | Tuberculosis | Terbio | después del pueblo de Ytterby , Suecia . | Aditivo en imanes a base de neodimio , fósforos verdes , láseres , lámparas fluorescentes (como parte del revestimiento de fósforo tribanda blanco), aleaciones magnetostrictivas como terfenol-D , sistemas de sonar navales , estabilizador de pilas de combustible | 1.2 |
66 | Dy | Disprosio | del griego "disprositos", que significa difícil de conseguir . | Aditivo en imanes a base de neodimio , láseres , aleaciones magnetoestrictivas como terfenol-D , discos duros | 5.2 |
67 | Ho | Holmio | después de Estocolmo (en latín, "Holmia"), ciudad natal de uno de sus descubridores. | Láseres , estándares de calibración de longitud de onda para espectrofotómetros ópticos , imanes | 1.3 |
68 | Er | Erbio | después del pueblo de Ytterby, Suecia. | Láseres infrarrojos , acero al vanadio , tecnología de fibra óptica | 3.5 |
69 | Tm | Tulio | después de la mitológica tierra norteña de Thule . | Máquinas portátiles de rayos X , lámparas de halogenuros metálicos , láseres | 0.52 |
70 | Yb | Iterbio | después del pueblo de Ytterby, Suecia. | Láseres infrarrojos , agente reductor químico , bengalas señuelo , acero inoxidable , medidores de tensión , medicina nuclear , seguimiento de terremotos | 3.2 |
71 | Lu | Lutecio | después de Lutetia , la ciudad que más tarde se convirtió en París . | Tomografía por emisión de positrones : detectores de escaneo PET, vidrio de alto índice de refracción, hospedadores de tantalato de lutecio para fósforos, catalizador utilizado en refinerías , bombilla LED | 0,8 |
- ^ Partes por millón en la corteza terrestre, por ejemplo, Pb = 13 ppm
- ^ No existen isótopos estables en la naturaleza.
Un mnemónico para los nombres de los elementos de la sexta fila en orden es "Últimamente, las fiestas universitarias nunca producen chicas europeas sexys que beben mucho a pesar de que miras". [12]
Descubrimiento e historia temprana
El primer elemento de tierras raras descubierto fue el mineral negro "iterbita" (rebautizado como gadolinita en 1800). Fue descubierto por el teniente Carl Axel Arrhenius en 1787 en una cantera en el pueblo de Ytterby , Suecia. [13]
La "iterbita" de Arrhenius llegó a Johan Gadolin , un profesor de la Real Academia de Turku , y su análisis arrojó un óxido desconocido (tierra) que llamó itria . Anders Gustav Ekeberg aisló el berilio de la gadolinita, pero no reconoció otros elementos que contenía el mineral. Después de este descubrimiento en 1794, un mineral de Bastnäs cerca de Riddarhyttan , Suecia, que se creía que era un mineral de hierro y tungsteno , fue reexaminado por Jöns Jacob Berzelius y Wilhelm Hisinger . En 1803 obtuvieron un óxido blanco y lo llamaron ceria . Martin Heinrich Klaproth descubrió de forma independiente el mismo óxido y lo llamó ochroia .
Por lo tanto, en 1803 había dos elementos conocidos de tierras raras, itrio y cerio , aunque los investigadores tardaron otros 30 años en determinar que otros elementos estaban contenidos en los dos minerales ceria e itria (la similitud de las propiedades químicas de los metales de las tierras raras dificultó su separación).
En 1839 Carl Gustav Mosander , un asistente de Berzelius, separó la ceria calentando el nitrato y disolviendo el producto en ácido nítrico . Llamó al óxido de la sal soluble lantana . Le tomó tres años más separar el lanthana en didymia y lanthana puro. Didymia, aunque no se podía separar más con las técnicas de Mosander, de hecho seguía siendo una mezcla de óxidos.
En 1842 Mosander también separó la itria en tres óxidos: itria pura, terbia y erbia (todos los nombres se derivan del nombre de la ciudad "Ytterby"). A la tierra que da sales rosadas la llamó terbio ; al que producía peróxido amarillo lo llamó erbio .
Así que en 1842 el número de elementos conocidos de tierras raras había llegado a seis: itrio, cerio, lantano, didimio, erbio y terbio.
Nils Johan Berlin y Marc Delafontaine también intentaron separar el itrio crudo y encontraron las mismas sustancias que obtuvo Mosander, pero Berlin nombró (1860) la sustancia que da las sales rosadas como erbio , y Delafontaine nombró a la sustancia con el peróxido amarillo terbio . Esta confusión llevó a varias afirmaciones falsas de nuevos elementos, como el mosandrium de J. Lawrence Smith , o el philippium y decipium de Delafontaine. Debido a la dificultad para separar los metales (y determinar que la separación es completa), el número total de descubrimientos falsos fue de docenas, [14] [15] y algunos sitúan el número total de descubrimientos en más de cien. [dieciséis]
Identificación espectroscópica
No hubo más descubrimientos durante 30 años, y el elemento didimio se incluyó en la tabla periódica de elementos con una masa molecular de 138. En 1879, Delafontaine utilizó el nuevo proceso físico de espectroscopía óptica de llama y encontró varias líneas espectrales nuevas en la didimia. También en 1879, Paul Émile Lecoq de Boisbaudran aisló el nuevo elemento samario del mineral samarskita .
La tierra de samaria fue separada aún más por Lecoq de Boisbaudran en 1886, y Jean Charles Galissard de Marignac obtuvo un resultado similar mediante el aislamiento directo de la samarskita. Llamaron al elemento gadolinio en honor a Johan Gadolin , y su óxido se denominó " gadolinia ".
Un análisis espectroscópico adicional entre 1886 y 1901 de samaria, itria y samarskite por William Crookes , Lecoq de Boisbaudran y Eugène-Anatole Demarçay arrojó varias líneas espectroscópicas nuevas que indicaban la existencia de un elemento desconocido. La cristalización fraccionada de los óxidos produjo europio en 1901.
En 1839 estuvo disponible la tercera fuente de tierras raras. Este es un mineral similar a la gadolinita, uranotantalum (ahora llamado "samarskita"). Este mineral de Miass en el sur de los Urales fue documentado por Gustav Rose . El químico ruso R. Harmann propuso que un nuevo elemento que llamó " ilmenio " debería estar presente en este mineral, pero más tarde, Christian Wilhelm Blomstrand , Galissard de Marignac y Heinrich Rose encontraron solo tantalio y niobio ( columbio ) en él.
El número exacto de elementos de tierras raras que existían era muy poco claro, y se estimó un número máximo de 25. El uso de espectros de rayos X (obtenidos por cristalografía de rayos X ) por Henry Gwyn Jeffreys Moseley hizo posible asignar números atómicos a los elementos. Moseley descubrió que el número exacto de lantánidos tenía que ser 15 y que el elemento 61 aún no se había descubierto.
Utilizando estos datos sobre los números atómicos de la cristalografía de rayos X, Moseley también demostró que el hafnio (elemento 72) no sería un elemento de tierras raras. Moseley murió en la Primera Guerra Mundial en 1915, años antes de que se descubriera el hafnio. Por lo tanto, la afirmación de Georges Urbain de que había descubierto el elemento 72 era falsa. El hafnio es un elemento que se encuentra en la tabla periódica inmediatamente debajo del circonio , y el hafnio y el circonio son muy similares en sus propiedades químicas y físicas.
Durante la década de 1940, Frank Spedding y otros en los Estados Unidos (durante el Proyecto Manhattan ) desarrollaron procedimientos de intercambio de iones químicos para separar y purificar los elementos de tierras raras. Este método se aplicó por primera vez a los actínidos para separar plutonio-239 y neptunio del uranio , torio , actinio y los otros actínidos en los materiales producidos en los reactores nucleares . El plutonio-239 era muy deseable porque es un material fisible .
Las principales fuentes de elementos de tierras raras son los minerales bastnäsita , monacita y loparita y las arcillas de adsorción de iones lateríticos . A pesar de su alta abundancia relativa, los minerales de tierras raras son más difíciles de extraer y extraer que las fuentes equivalentes de metales de transición (debido en parte a sus propiedades químicas similares), lo que hace que los elementos de las tierras raras sean relativamente costosos. Su uso industrial fue muy limitado hasta que se desarrollaron técnicas de separación eficientes, como el intercambio iónico , la cristalización fraccionada y la extracción líquido-líquido a fines de la década de 1950 y principios de la de 1960. [17]
Algunos concentrados de ilmenita contienen pequeñas cantidades de escandio y otros elementos de tierras raras, que podrían analizarse mediante XRF . [18]
Clasificación temprana
Antes de que se dispusiera de métodos de intercambio iónico y de elución , la separación de las tierras raras se lograba principalmente mediante precipitaciones o cristalizaciones repetidas . En aquellos días, la primera separación fue en dos grupos principales, las tierras de cerio (escandio, lantano, cerio, praseodimio, neodimio y samario) y las tierras de itrio (itrio, disprosio, holmio, erbio, tulio, iterbio y lutecio). . El europio, el gadolinio y el terbio se consideraron como un grupo separado de elementos de tierras raras (el grupo del terbio) o el europio se incluyó en el grupo del cerio y el gadolinio y el terbio se incluyeron en el grupo del itrio. La razón de esta división surgió de la diferencia en la solubilidad de los dobles sulfatos de tierras raras con sodio y potasio. Los dobles sulfatos de sodio del grupo cerio son poco solubles, los del grupo terbio levemente y los del grupo itrio son muy solubles. [19] A veces, el grupo del itrio se dividió aún más en el grupo del erbio (disprosio, holmio, erbio y tulio) y el grupo del iterbio (iterbio y lutecio), pero hoy en día el grupo principal está entre los grupos de cerio e itrio. [20] Hoy en día, los elementos de tierras raras se clasifican como elementos de tierras raras ligeros o pesados, en lugar de en grupos de cerio e itrio.
Clasificación ligera versus pesada
La clasificación de los elementos de tierras raras es inconsistente entre los autores. [21] La distinción más común entre elementos de tierras raras se realiza mediante números atómicos ; aquellos con números atómicos bajos se denominan elementos ligeros de tierras raras (LREE), aquellos con números atómicos altos son los elementos pesados de tierras raras (HREE), y los que se encuentran en el medio se denominan típicamente tierras raras medias elementos (MREE). [22] Comúnmente, los elementos de tierras raras con números atómicos de 57 a 61 (lantano a prometio) se clasifican como ligeros y aquellos con números atómicos superiores a 62 [ aclaración necesaria > 62 o> 61? ] se clasifican como elementos de tierras raras pesadas. [23] El aumento del número atómico entre elementos ligeros y pesados de tierras raras y la disminución de los radios atómicos a lo largo de la serie provocan variaciones químicas. [23] El europio está exento de esta clasificación ya que tiene dos estados de valencia: Eu 2+ y Eu 3+ . [23] El itrio se agrupa como elemento pesado de tierras raras debido a similitudes químicas. [24] La ruptura entre los dos grupos a veces se coloca en otro lugar, como entre los elementos 63 (europeum) y 64 (gadolinio). [25] Las densidades metálicas reales de estos dos grupos se superponen, el grupo "ligero" tiene densidades de 6,145 (lantano) a 7,26 (prometio) o 7,52 (samario) g / cc, y el grupo "pesado" de 6,965 (iterbio) ) a 9,32 (tulio), además de incluir itrio a 4,47. El europio tiene una densidad de 5,24.
Origen
Los elementos de tierras raras, excepto el escandio , son más pesados que el hierro y, por lo tanto, son producidos por nucleosíntesis de supernovas o por el proceso s en estrellas asintóticas de ramas gigantes . En la naturaleza, la fisión espontánea del uranio-238 produce trazas de prometio radiactivo , pero la mayor parte del prometio se produce sintéticamente en reactores nucleares.
Debido a su similitud química, las concentraciones de tierras raras en las rocas solo se modifican lentamente mediante procesos geoquímicos, lo que hace que sus proporciones sean útiles para la geocronología y la datación de fósiles.
Distribución geológica
Como se ve en el gráfico de la derecha, los elementos de tierras raras se encuentran en la tierra en concentraciones similares a muchos metales de transición comunes. El elemento de tierras raras más abundante es el cerio , que en realidad es el vigésimo quinto elemento más abundante en la corteza terrestre , con 68 partes por millón (casi tan común como el cobre). La excepción es el prometio altamente inestable y radiactivo "tierras raras" es bastante escaso. El isótopo de prometio más longevo tiene una vida media de 17,7 años, por lo que el elemento existe en la naturaleza en cantidades insignificantes (aproximadamente 572 g en toda la corteza terrestre). [26] El prometio es uno de los dos elementos que no tienen isótopos estables (no radiactivos) y son seguidos (es decir, con un número atómico más alto) elementos estables (el otro es tecnecio ).
Los elementos de tierras raras a menudo se encuentran juntos. Durante la acumulación secuencial de la Tierra, los elementos densos de tierras raras se incorporaron a las porciones más profundas del planeta. La diferenciación temprana del material fundido incorporó en gran medida las tierras raras a las rocas del manto . [27] La alta intensidad de campo [ clarificación necesaria ] y los grandes radios iónicos de las tierras raras las hacen incompatibles con las redes cristalinas de la mayoría de los minerales formadores de rocas, por lo que REE sufrirá una fuerte partición en una fase de fusión si hay una. [27] Los REE son químicamente muy similares y siempre han sido difíciles de separar, pero una disminución gradual en el radio iónico de LREE a HREE, llamada contracción de lantánidos , puede producir una amplia separación entre REE ligero y pesado. Los radios iónicos más grandes de LREE los hacen generalmente más incompatibles que HREE en minerales formadores de rocas, y se dividirán con más fuerza en una fase de fusión, mientras que HREE puede preferir permanecer en el residuo cristalino, particularmente si contiene minerales compatibles con HREE como el granate. . [27] [28] El resultado es que todo el magma formado a partir de la fusión parcial siempre tendrá mayores concentraciones de LREE que HREE, y los minerales individuales pueden estar dominados por HREE o LREE, dependiendo de qué rango de radios iónicos se ajusta mejor a la red cristalina. . [27]
Entre los fosfatos anhidros de tierras raras, es el mineral tetragonal xenotime el que incorpora itrio y el HREE, mientras que la fase monoclínica de monacita incorpora preferentemente cerio y LREE. El tamaño más pequeño del HREE permite una mayor solubilidad sólida en los minerales formadores de rocas que componen el manto de la Tierra y, por lo tanto, el itrio y el HREE muestran menos enriquecimiento en la corteza terrestre en relación con la abundancia condrítica que el cerio y el LREE. Esto tiene consecuencias económicas: los grandes cuerpos de mineral de LREE son conocidos en todo el mundo y están siendo explotados. Los cuerpos minerales para HREE son más raros, más pequeños y menos concentrados. La mayor parte del suministro actual de HREE se origina en los minerales de "arcilla de absorción de iones" del sur de China. Algunas versiones proporcionan concentrados que contienen alrededor de 65% de óxido de itrio, y el HREE está presente en proporciones que reflejan la regla de Oddo-Harkins : REE de número par en abundancias de aproximadamente 5% cada uno y REE de número impar en abundancias de aproximadamente 1% cada uno. Se encuentran composiciones similares en xenotima o gadolinita. [29]
Los minerales bien conocidos que contienen itrio y otros HREE incluyen gadolinita, xenotima, samarskita , euxenita , fergusonita , yttrotantalita, yttrotungstita, yttrofluorita (una variedad de fluorita ), tallenita, yttrialita . Se producen pequeñas cantidades en circón , que deriva su fluorescencia amarilla típica de algunos de los HREE que lo acompañan. El eudialyte de mineral de circonio , como el que se encuentra en el sur de Groenlandia , contiene cantidades pequeñas pero potencialmente útiles de itrio. De los minerales de itrio mencionados anteriormente, la mayoría desempeñó un papel en el suministro de cantidades de investigación de lantánidos durante los días del descubrimiento. La xenotima se recupera ocasionalmente como un subproducto del procesamiento de arena pesada, pero no es tan abundante como la monacita recuperada de manera similar (que normalmente contiene un pequeño porcentaje de itrio). Los minerales de uranio de Ontario han producido ocasionalmente itrio como subproducto. [29]
Minerales bien conocidos que contienen cerio, y otra LREE, incluyen bastnäsite , monacita , allanita , loparite , ancylite , parisite , lanthanite , chevkinite, cerita , stillwellite , britholite, fluocerite , y cerianite. Monazita (arenas marinas de Brasil , India o Australia ; roca de Sudáfrica ), bastnäsite (de la mina de tierras raras Mountain Pass , o de varias localidades en China) y loparita ( Península de Kola , Rusia ) han sido los principales minerales de cerio y los lantánidos ligeros. [29]
Los depósitos enriquecidos de elementos de tierras raras en la superficie de la Tierra, carbonatitas y pegmatitas , están relacionados con el plutonismo alcalino , un tipo poco común de magmatismo que ocurre en entornos tectónicos donde hay fisuras o que están cerca de zonas de subducción . [28] En un entorno de rift, el magma alcalino se produce por grados muy pequeños de fusión parcial (<1%) de peridotita granate en el manto superior (200 a 600 km de profundidad). [28] Esta masa fundida se enriquece en elementos incompatibles, como los elementos de tierras raras, lixivándolos del residuo cristalino. El magma resultante se eleva como un diapiro , o diatrema , a lo largo de fracturas preexistentes y puede emplazarse profundamente en la corteza o erupcionar en la superficie. Los tipos típicos de depósitos enriquecidos con REE que se forman en entornos de rift son las carbonatitas y los granitoides de tipo A y M. [27] [28] Cerca de las zonas de subducción, el derretimiento parcial de la placa de subducción dentro de la astenosfera (de 80 a 200 km de profundidad) produce un magma rico en volátiles (altas concentraciones de CO
2y agua), con altas concentraciones de elementos alcalinos y alta movilidad de elementos en los que las tierras raras están fuertemente divididas. [27] Este derretimiento también puede elevarse a lo largo de fracturas preexistentes y colocarse en la corteza sobre la losa subductora o erupcionar en la superficie. Los depósitos enriquecidos con REE que se forman a partir de estas masas fundidas son típicamente granitoides de tipo S. [27] [28]
Los magmas alcalinos enriquecidos con elementos de tierras raras incluyen carbonatitas, granitos peralcalinos (pegmatitas) y nefelina sienita . Las carbonatitas cristalizan a partir de CO
2-fluidos ricos, que se pueden producir por fusión parcial de lherzolita hidratada-carbonatada para producir un magma primario rico en CO 2 , por cristalización fraccionada de un magma primario alcalino, o por separación de un CO
2-Líquido rico inmiscible de. [27] [28] Estos líquidos se forman más comúnmente en asociación con Cratones Precámbricos muy profundos , como los que se encuentran en África y el Escudo Canadiense. [27] Las ferrocarbonatitas son el tipo más común de carbonatita que se enriquece en REE y, a menudo, se colocan como tuberías brechadas de etapa tardía en el núcleo de complejos ígneos; consisten en calcita y hematita de grano fino, a veces con concentraciones significativas de ankerita y concentraciones menores de siderita. [27] [28] Los grandes depósitos de carbonatita enriquecidos en elementos de tierras raras incluyen Mount Weld en Australia, Thor Lake en Canadá, Zandkopsdrift en Sudáfrica y Mountain Pass en los Estados Unidos. [28] Los granitos peralcalinos (granitoides tipo A) tienen concentraciones muy altas de elementos alcalinos y concentraciones muy bajas de fósforo; se depositan a profundidades moderadas en zonas de extensión, a menudo como complejos de anillos ígneos o como tuberías, cuerpos masivos y lentes. [27] [28] Estos fluidos tienen viscosidades muy bajas y una alta movilidad de los elementos, lo que permite la cristalización de granos grandes, a pesar de un tiempo de cristalización relativamente corto al ser colocados; su gran tamaño de grano es la razón por la que estos depósitos se denominan comúnmente pegmatitas. [28] Las pegmatitas económicamente viables se dividen en tipos de litio-cesio-tantalio (LCT) y niobio-itrio-flúor (NYF); Los tipos de NYF están enriquecidos con minerales de tierras raras. Ejemplos de depósitos de pegmatita de tierras raras incluyen Strange Lake en Canadá y Khaladean-Buregtey en Mongolia. [28] Los depósitos de nefelina sienita (granitoides tipo M) son 90% de feldespato y minerales feldespatoides, y se depositan en pequeños macizos circulares. Contienen altas concentraciones de minerales accesorios portadores de tierras raras . [27] [28] En su mayor parte, estos depósitos son pequeños pero importantes ejemplos incluyen Illimaussaq-Kvanefeld en Groenlandia y Lovozera en Rusia. [28]
Los elementos de tierras raras también pueden enriquecerse en depósitos por alteración secundaria, ya sea por interacciones con fluidos hidrotermales o agua meteórica o por erosión y transporte de minerales resistentes que contienen REE. La argilización de minerales primarios enriquece los elementos insolubles mediante la lixiviación de sílice y otros elementos solubles, recristalizando el feldespato en minerales arcillosos como caolinita, halloysita y montmorillonita. En las regiones tropicales donde la precipitación es alta, la meteorización forma un regolito argilizado grueso, este proceso se denomina enriquecimiento supergénico y produce depósitos de laterita ; Los elementos pesados de tierras raras se incorporan a la arcilla residual por absorción. Este tipo de depósito solo se extrae para REE en el sur de China, donde se produce la mayor parte de la producción mundial de elementos pesados de tierras raras. Las lateritas REE se forman en otros lugares, incluso sobre la carbonatita en Mount Weld en Australia. REE también puede extraerse de depósitos de placer si la litología de origen sedimentario contenía minerales resistentes pesados que contienen REE. [28]
En 2011, Yasuhiro Kato, un geólogo de la Universidad de Tokio que dirigió un estudio del lodo del lecho marino del Océano Pacífico, publicó resultados que indicaban que el lodo podría contener ricas concentraciones de minerales de tierras raras. Los depósitos, estudiados en 78 sitios, provinieron de "[h] ot penachos de respiraderos hidrotermales que extraen estos materiales del agua de mar y los depositan en el lecho marino, poco a poco, durante decenas de millones de años. Un parche cuadrado de barro rico en metales de 2,3 kilómetros de ancho podría contener suficientes tierras raras para satisfacer la mayor parte de la demanda mundial durante un año, informan los geólogos japoneses en Nature Geoscience ". "Creo que los recursos de tierras raras [-] submarinas son mucho más prometedores que los recursos terrestres", dijo Kato. "[C] oncentraciones de tierras raras eran comparables a las que se encuentran en las arcillas extraídas en China. Algunos depósitos contenían el doble de tierras raras pesadas como el disprosio, un componente de los imanes en los motores de automóviles híbridos". [29] [30]
Aplicaciones de geoquímica
La aplicación de elementos de tierras raras a la geología es importante para comprender los procesos petrológicos de la formación de rocas ígneas , sedimentarias y metamórficas . En geoquímica , los elementos de tierras raras se pueden utilizar para inferir los mecanismos petrológicos que han afectado a una roca debido a las sutiles diferencias de tamaño atómico entre los elementos, lo que provoca un fraccionamiento preferencial de algunas tierras raras en relación con otras dependiendo de los procesos en funcionamiento. [22]
En geoquímica, los elementos de tierras raras se presentan típicamente en diagramas de "araña" normalizados, en los que la concentración de elementos de tierras raras se normaliza a un estándar de referencia y luego se expresa como el logaritmo en base 10 del valor. Comúnmente, los elementos de tierras raras se normalizan a meteoritos condríticos , ya que se cree que son la representación más cercana del material del sistema solar no fraccionado . Sin embargo, se pueden aplicar otros estándares de normalización según el propósito del estudio. La normalización a un valor de referencia estándar, especialmente de un material que se cree no está fraccionado, permite comparar las abundancias observadas con las abundancias iniciales del elemento. [22] La normalización también elimina el patrón pronunciado en "zig-zag" causado por las diferencias en abundancia entre números atómicos pares e impares . Las tendencias que se observan en los diagramas de "araña" se denominan típicamente "patrones", que pueden ser diagnósticos de procesos petrológicos que han afectado el material de interés. [22]
Los patrones de elementos de tierras raras observados en rocas ígneas son principalmente una función de la química de la fuente de donde proviene la roca, así como de la historia de fraccionamiento que ha sufrido la roca. [22] El fraccionamiento es a su vez una función de los coeficientes de partición de cada elemento. Los coeficientes de partición son responsables del fraccionamiento de oligoelementos (incluidos los elementos de tierras raras) en la fase líquida (la masa fundida / magma) en la fase sólida (el mineral). Si un elemento permanece preferentemente en la fase sólida, se denomina "compatible", y preferentemente se divide en la fase de fusión, se describe como "incompatible". [22] Cada elemento tiene un coeficiente de reparto diferente y, por lo tanto, se fracciona en fases sólida y líquida de forma distinta. Estos conceptos también son aplicables a la petrología sedimentaria y metamórfica.
En las rocas ígneas, particularmente en los derretimientos félsicos , se aplican las siguientes observaciones: las anomalías en el europio están dominadas por la cristalización de feldespatos . Hornblenda , controla el enriquecimiento de MREE en comparación con LREE y HREE. El agotamiento de LREE en relación con HREE puede deberse a la cristalización de olivino , ortopiroxeno y clinopiroxeno . Por otro lado, el agotamiento de HREE en relación con LREE puede deberse a la presencia de granate , ya que el granate incorpora preferentemente HREE en su estructura cristalina. La presencia de circón también puede causar un efecto similar. [22]
En las rocas sedimentarias, los elementos de tierras raras en los sedimentos clásticos son una procedencia de representación. Las concentraciones de elementos de tierras raras no suelen verse afectadas por las aguas del mar y los ríos, ya que los elementos de tierras raras son insolubles y, por lo tanto, tienen concentraciones muy bajas en estos fluidos. Como resultado, cuando se transporta un sedimento, las concentraciones de elementos de tierras raras no se ven afectadas por el fluido y, en cambio, la roca retiene la concentración de elementos de tierras raras de su fuente. [22]
Las aguas marinas y fluviales suelen tener concentraciones bajas de elementos de tierras raras. Sin embargo, la geoquímica acuosa sigue siendo muy importante. En los océanos, los elementos de tierras raras reflejan la entrada de ríos, respiraderos hidrotermales y fuentes eólicas ; [22] esto es importante en la investigación de la mezcla y circulación de los océanos. [24]
Los elementos de tierras raras también son útiles para fechar rocas, ya que algunos isótopos radiactivos muestran vidas medias largas. De particular interés son los sistemas 138 La - 138 Ce, 147 Sm- 143 Nd y 176 Lu- 176 Hf. [24]
Producción mundial de tierras raras
Hasta 1948, la mayoría de las tierras raras del mundo se obtenían de depósitos de arena de placer en India y Brasil . Durante la década de 1950, Sudáfrica fue la fuente de tierras raras del mundo, de un arrecife rico en monacita en la mina Steenkampskraal en la provincia de Western Cape . [31] Desde la década de 1960 hasta la de 1980, la mina de tierras raras Mountain Pass en California convirtió a los Estados Unidos en el principal productor. Hoy en día, los depósitos de India y Sudáfrica todavía producen algunos concentrados de tierras raras, pero son eclipsadas por la escala de producción china. En 2017, China produjo el 81% del suministro mundial de tierras raras, principalmente en Mongolia Interior , [5] [32] aunque solo tenía el 36,7% de las reservas. Australia fue el segundo y único otro productor importante con el 15% de la producción mundial. [33] Todas las tierras raras pesadas del mundo (como el disprosio) provienen de fuentes chinas de tierras raras como el depósito polimetálico de Bayan Obo . [32] [34] La mina Browns Range, ubicada 160 km al sureste de Halls Creek en el norte de Australia Occidental , está actualmente en desarrollo y está posicionada para convertirse en el primer productor importante de disprosio fuera de China. [35]
El aumento de la demanda ha ejercido presión sobre la oferta, y existe una creciente preocupación de que el mundo pronto se enfrente a una escasez de tierras raras. [36] En varios años a partir de 2009, se espera que la demanda mundial de elementos de tierras raras supere la oferta en 40.000 toneladas anuales a menos que se desarrollen nuevas fuentes importantes. [37] En 2013, se afirmó que la demanda de REE aumentaría debido a la dependencia de la UE de estos elementos, el hecho de que los elementos de tierras raras no pueden ser sustituidos por otros elementos y que los REE tienen una baja tasa de reciclaje. Además, debido al aumento de la demanda y la baja oferta, se espera que los precios futuros aumenten y existe la posibilidad de que otros países además de China abran minas REE. [38] La demanda de REE está aumentando debido al hecho de que son esenciales para la tecnología nueva e innovadora que se está creando. Estos nuevos productos que necesitan REE para ser producidos son equipos de alta tecnología como teléfonos inteligentes, cámaras digitales, partes de computadoras, semiconductores, etc. Además, estos elementos son más frecuentes en las siguientes industrias: tecnología de energía renovable, equipo militar, fabricación de vidrio. y metalurgia. [39]
porcelana
Estas preocupaciones se han intensificado debido a las acciones de China, el proveedor predominante. [40] Específicamente, China ha anunciado regulaciones sobre exportaciones y una ofensiva contra el contrabando. [41] El 1 de septiembre de 2009, China anunció planes para reducir su cuota de exportación a 35.000 toneladas por año en 2010-2015 para conservar los escasos recursos y proteger el medio ambiente. [42] El 19 de octubre de 2010, China Daily , citando a un funcionario anónimo del Ministerio de Comercio, informó que China "reducirá aún más las cuotas para las exportaciones de tierras raras [-] en un 30 por ciento como máximo el próximo año para proteger los metales preciosos del exceso de explotación." [43] El gobierno de Beijing aumentó aún más su control al obligar a los mineros independientes más pequeños a fusionarse en corporaciones estatales o enfrentar el cierre. A finales de 2010, China anunció que la primera ronda de cuotas de exportación en 2011 para tierras raras sería de 14 446 toneladas, lo que representa una disminución del 35% con respecto a la primera ronda anterior de cuotas en 2010. [44] China anunció nuevas cuotas de exportación en 14 de julio de 2011 para la segunda mitad del año con una asignación total de 30.184 toneladas con una producción total limitada a 93.800 toneladas. [45] En septiembre de 2011, China anunció el cese de la producción de tres de sus ocho principales minas de tierras raras, responsables de casi el 40% de la producción total de tierras raras de China. [46] En marzo de 2012, Estados Unidos, la UE y Japón se enfrentaron a China en la OMC por estas restricciones a la exportación y la producción. China respondió afirmando que las restricciones tenían en mente la protección del medio ambiente. [47] [48] En agosto de 2012, China anunció una reducción adicional del 20% en la producción. [49] Estados Unidos, Japón y la Unión Europea presentaron una demanda conjunta con la Organización Mundial del Comercio en 2012 contra China, argumentando que China no debería poder negar exportaciones tan importantes. [48]
En respuesta a la apertura de nuevas minas en otros países ( Lynas en Australia y Molycorp en Estados Unidos), los precios de las tierras raras bajaron. [50] El precio del óxido de disprosio fue de 994 dólares EE.UU. / kg en 2011, pero descendió a 265 dólares EE.UU. / kg en 2014. [51]
El 29 de agosto de 2014, la OMC dictaminó que China había roto acuerdos de libre comercio, y la OMC dijo en el resumen de hallazgos clave que "el efecto general de las restricciones extranjeras y nacionales es alentar la extracción nacional y asegurar el uso preferencial de esas materiales de fabricantes chinos ". China declaró que implementaría el fallo el 26 de septiembre de 2014, pero necesitaría algo de tiempo para hacerlo. Para el 5 de enero de 2015, China había eliminado todas las cuotas de exportación de tierras raras, pero aún se requerirán licencias de exportación. [52]
En 2019, China suministró entre el 85% y el 95% de la demanda mundial de los 17 polvos de tierras raras, la mitad de los cuales provienen de Myanmar . [53] Después del golpe militar de 2021 en ese país, los suministros futuros de minerales críticos posiblemente se vieron limitados. Además, se especuló que la República Popular China podría volver a reducir las exportaciones de tierras raras para contrarrestar las sanciones económicas impuestas por los Estados Unidos y los países de la UE. Los metales de tierras raras sirven como materiales cruciales para la fabricación de vehículos eléctricos y aplicaciones militares de alta tecnología. [54]
Fuera de China
Como resultado del aumento de la demanda y el endurecimiento de las restricciones a las exportaciones de metales de China, algunos países están acumulando recursos de tierras raras. [55] Se están realizando búsquedas de fuentes alternativas en Australia , Brasil , Canadá , Sudáfrica , Tanzania , Groenlandia y los Estados Unidos . [56] Las minas en estos países se cerraron cuando China subió los precios mundiales en el decenio de 1990, y se necesitarán algunos años para reiniciar la producción, ya que existen muchas barreras de entrada . [41] Un ejemplo es la mina Mountain Pass en California , que anunció su reanudación de operaciones en una puesta en marcha el 27 de agosto de 2012. [32] [57] Otros sitios importantes en desarrollo fuera de China incluyen Steenkampskraal en Sudáfrica, la mina de torio y tierras raras de mayor grado del mundo, que se está preparando para volver a producir. Más del 80% de la infraestructura ya está completa. [58] Otras minas incluyen el Proyecto Nolans en Australia Central, el proyecto Bokan Mountain en Alaska, el proyecto remoto Hoidas Lake en el norte de Canadá, [59] y el proyecto Mount Weld en Australia. [32] [57] [60] El proyecto del lago Hoidas tiene el potencial de suministrar aproximadamente el 10% de los mil millones de dólares de consumo de energía renovable que se produce en América del Norte cada año. [61] Vietnam firmó un acuerdo en octubre de 2010 para suministrar a Japón tierras raras [62] de su provincia noroccidental de Lai Châu . [63]
En los EE. UU., NioCorp Development Ltd ha lanzado un esfuerzo a largo plazo para asegurar $ 1.1 mil millones [64] para la apertura de una mina de niobio, escandio y titanio en su sitio de Elk Creek en el sureste de Nebraska [65] que puede producir tanto como 7200 toneladas de ferroniobio y 95 toneladas de trióxido de escandio al año. [66]
También se están considerando para la minería sitios como Thor Lake en los Territorios del Noroeste y varios lugares en Vietnam . [32] [37] [67] Además, en 2010, se descubrió un gran depósito de minerales de tierras raras en Kvanefjeld, en el sur de Groenlandia . [68] La perforación de prefactibilidad en este sitio ha confirmado cantidades significativas de lujavrite negra , que contiene aproximadamente un 1% de óxidos de tierras raras (REO). [69] La Unión Europea ha instado a Groenlandia a restringir el desarrollo chino de proyectos de tierras raras allí, pero a principios de 2013, el gobierno de Groenlandia ha dicho que no tiene planes de imponer tales restricciones. [70] Muchos políticos daneses han expresado su preocupación de que otras naciones, incluida China, puedan ganar influencia en Groenlandia densamente poblada, dada la cantidad de trabajadores extranjeros y las inversiones que podrían provenir de empresas chinas en un futuro próximo debido a la ley aprobada en diciembre de 2012. [71]
En el centro de España , provincia de Ciudad Real , el proyecto de minería de tierras raras propuesto 'Matamulas' puede aportar, según sus promotores, hasta 2.100 Tn / año (33% de la demanda anual de la UE). Sin embargo, este proyecto ha sido suspendido por las autoridades regionales debido a preocupaciones sociales y ambientales. [72]
Además de los posibles sitios mineros, la lista de ASX Peak Resources anunció en febrero de 2012 que su proyecto Ngualla, con sede en Tanzania , contenía no solo el sexto depósito más grande por tonelaje fuera de China, sino también el grado más alto de elementos de tierras raras de los 6. [ 73]
Se ha informado que Corea del Norte ha exportado minerales de tierras raras a China, por un valor aproximado de 1,88 millones de dólares EE.UU. durante mayo y junio de 2014. [74] [75]
Planes de refinación de Malasia
A principios de 2011, se informó que la empresa minera australiana Lynas estaba "apurada para terminar" una refinería de tierras raras de 230 millones de dólares en la costa este del puerto industrial de Kuantan en Malasia peninsular . La planta refinaría el concentrado de mineral-lantánidos de la mina Mount Weld en Australia. El mineral se transportaría en camión a Fremantle y se transportaría en un barco de contenedores a Kuantan. En dos años, se dijo que Lynas esperaba que la refinería pudiera satisfacer casi un tercio de la demanda mundial de materiales de tierras raras, sin contar a China . [76] El desarrollo de Kuantan atrajo una renovada atención a la ciudad malaya de Bukit Merah en Perak , donde una mina de tierras raras operada por una subsidiaria de Mitsubishi Chemical , Asian Rare Earth, cerró en 1994 y dejó constantes preocupaciones ambientales y de salud . [77] [78] A mediados de 2011, después de las protestas, se anunciaron las restricciones del gobierno malasio sobre la planta de Lynas. En ese momento, citando informes de Dow Jones Newswire sólo por suscripción , un informe de Barrons dijo que la inversión de Lynas era de 730 millones de dólares, y la participación proyectada del mercado global que cubriría era de "aproximadamente una sexta parte". [79] En un examen independiente iniciado por el Gobierno de Malasia y realizado por el Organismo Internacional de Energía Atómica (OIEA) en 2011 para abordar las preocupaciones sobre los peligros radiactivos, no se encontró incumplimiento de las normas internacionales de seguridad radiológica. [80]
Sin embargo, las autoridades malasias confirmaron que en octubre de 2011, Lynas no recibió ningún permiso para importar ningún mineral de tierras raras en Malasia. El 2 de febrero de 2012, la AELB de Malasia (Junta de Licencias de Energía Atómica) recomendó que se emitiera a Lynas una licencia de operación temporal sujeta al cumplimiento de una serie de condiciones. El 2 de septiembre de 2014, Lynas recibió una licencia de etapa operativa completa de 2 años por parte de la AELB. [81]
Otras fuentes
Se encuentran cantidades significativas de óxidos de tierras raras en los relaves acumulados durante 50 años de extracción de mineral de uranio , esquisto y loparita en Sillamäe , Estonia . [82] Debido al aumento de los precios de las tierras raras, la extracción de estos óxidos se ha vuelto económicamente viable. Actualmente, el país exporta alrededor de 3.000 toneladas al año, lo que representa alrededor del 2% de la producción mundial. [83] Se sospecha que existen recursos similares en el oeste de Estados Unidos, donde se cree que las minas de la fiebre del oro han descartado grandes cantidades de tierras raras, porque no tenían valor en ese momento. [84]
En mayo de 2012, investigadores de dos universidades de Japón anunciaron que habían descubierto tierras raras en la prefectura de Ehime , Japón. [85] [86]
En enero de 2013, un buque de investigación de aguas profundas japonés obtuvo siete muestras de núcleos de lodo de aguas profundas del fondo marino del Océano Pacífico a una profundidad de 5.600 a 5.800 metros, aproximadamente a 250 kilómetros (160 millas) al sur de la isla de Minami-Tori-Shima . [87] El equipo de investigación encontró una capa de lodo de 2 a 4 metros por debajo del lecho marino con concentraciones de hasta un 0,66% de óxidos de tierras raras. Un depósito potencial podría compararse en grado con los depósitos de tipo absorción de iones en el sur de China que proporcionan la mayor parte de la producción minera china de REO, cuya ley está en el rango de 0.05% a 0.5% REO. [88] [89]
Reciclaje
Otra fuente de tierras raras desarrollada recientemente son los desechos electrónicos y otros desechos que tienen importantes componentes de tierras raras. [90] Los nuevos avances en la tecnología de reciclaje han hecho más factible la extracción de tierras raras a partir de estos materiales, [91] y actualmente hay plantas de reciclaje en funcionamiento en Japón, donde se estima que hay 300.000 toneladas de tierras raras almacenadas en dispositivos electrónicos no utilizados. [92] En Francia , el grupo Rhodia está estableciendo dos fábricas, en La Rochelle y Saint-Fons , que producirán 200 toneladas de tierras raras al año a partir de lámparas fluorescentes , imanes y baterías usadas . [93] [94] El carbón y los subproductos del carbón son una fuente potencial de elementos críticos, incluidos los elementos de tierras raras (REE) con cantidades estimadas en el rango de 50 millones de toneladas métricas. [95]
Usos
Los usos, aplicaciones y demanda de elementos de tierras raras se han expandido a lo largo de los años. A nivel mundial, la mayoría de los REE se utilizan para catalizadores e imanes. [96] En EE.UU., más de la mitad de los REE se utilizan para catalizadores, y la cerámica, el vidrio y el pulido también son usos principales. [97]
Otros usos importantes de los elementos de tierras raras son aplicables a la producción de imanes, aleaciones, vidrios y electrónica de alto rendimiento. Ce y La son importantes como catalizadores y se utilizan para la refinación de petróleo y como aditivos para diésel . Nd es importante en la producción de imanes en tecnologías tradicionales y bajas en carbono. Los elementos de tierras raras de esta categoría se utilizan en los motores eléctricos de vehículos híbridos y eléctricos , generadores en turbinas eólicas , discos duros, electrónica portátil, micrófonos, altavoces.
Ce, La y Nd son importantes en la fabricación de aleaciones y en la producción de pilas de combustible y baterías de hidruro metálico de níquel . Ce, Ga y Nd son importantes en la electrónica y se utilizan en la producción de pantallas LCD y de plasma, fibra óptica, láseres [98] , así como en imágenes médicas. Los usos adicionales de los elementos de tierras raras son como trazadores en aplicaciones médicas, fertilizantes y en el tratamiento del agua. [24]
Los REE se han utilizado en la agricultura para aumentar el crecimiento de las plantas, la productividad y la resistencia al estrés, aparentemente sin efectos negativos para el consumo humano y animal. Los REE se utilizan en la agricultura a través de fertilizantes enriquecidos con REE, que es una práctica ampliamente utilizada en China. [99] Además, los REE son aditivos para piensos para el ganado que han dado lugar a un aumento de la producción, como animales más grandes y una mayor producción de huevos y productos lácteos. Sin embargo, esta práctica ha resultado en la bioacumulación de REE dentro del ganado y ha impactado el crecimiento de vegetación y algas en estas áreas agrícolas. [100] Además, aunque no se han observado efectos nocivos a las bajas concentraciones actuales, se desconocen los efectos a largo plazo y con la acumulación a lo largo del tiempo, lo que ha provocado que se soliciten más investigaciones sobre sus posibles efectos. [99] [101]
Dado el suministro limitado, las industrias compiten directamente entre sí por los recursos, por ejemplo, el sector de la electrónica está en competencia directa con las energías renovables que se utilizan en parques eólicos, paneles solares y baterías. [102]
Consideraciones ambientales
Los REE se encuentran naturalmente en concentraciones muy bajas en el medio ambiente. Las minas se encuentran a menudo en países donde los estándares ambientales y sociales son muy bajos, lo que provoca violaciones de los derechos humanos, deforestación y contaminación de la tierra y el agua. [102]
Cerca de sitios mineros e industriales, las concentraciones pueden aumentar hasta muchas veces los niveles normales de fondo. Una vez en el medio ambiente, los REE pueden lixiviarse en el suelo donde su transporte está determinado por numerosos factores como la erosión, la meteorización, el pH, la precipitación, el agua subterránea, etc. Al actuar de manera muy similar a los metales, pueden especiarse dependiendo de la condición del suelo, ya sea móvil o adsorbido a las partículas del suelo. Dependiendo de su biodisponibilidad, los REE pueden ser absorbidos por las plantas y luego consumidos por humanos y animales. La extracción de REE, el uso de fertilizantes enriquecidos con REE y la producción de fertilizantes con fósforo contribuyen a la contaminación de REE. [103] Además, los ácidos fuertes se utilizan durante el proceso de extracción de los REE, que luego pueden filtrarse al medio ambiente y ser transportados a través de cuerpos de agua y resultar en la acidificación de los ambientes acuáticos. Otro aditivo de la minería REE que contribuye a la contaminación ambiental de REE es el óxido de cerio ( CeO
2) que se produce durante la combustión de diesel y se libera como material particulado de escape y contribuye en gran medida a la contaminación del suelo y el agua. [100]
La minería, la refinación y el reciclaje de tierras raras tienen graves consecuencias medioambientales si no se gestionan adecuadamente. Los relaves radiactivos de bajo nivel resultantes de la presencia de torio y uranio en minerales de elementos de tierras raras presentan un peligro potencial [104] y la manipulación inadecuada de estas sustancias puede provocar daños medioambientales importantes. En mayo de 2010, China anunció una importante ofensiva de cinco meses contra la minería ilegal con el fin de proteger el medio ambiente y sus recursos. Se espera que esta campaña se concentre en el sur, [105] donde las minas - comúnmente operaciones pequeñas, rurales e ilegales - son particularmente propensas a liberar desechos tóxicos en el suministro general de agua. [32] [106] Sin embargo, incluso la operación principal en Baotou , en Mongolia Interior, donde se refina gran parte del suministro mundial de tierras raras, ha causado importantes daños ambientales. [107]
Consecuencias y remediación
Después de la contaminación radiactiva de Bukit Merah de 1982 , la mina de Malasia ha sido objeto de una limpieza de 100 millones de dólares estadounidenses que se llevará a cabo en 2011. Después de haber logrado el entierro en la cima de una colina de 11.000 camiones de material contaminado radiactivamente, se espera que el proyecto se inicie en el verano , 2011, la eliminación de "más de 80.000 barriles de acero de desechos radiactivos al depósito de la cima de la colina". [78]
En mayo de 2011, después del desastre nuclear de Fukushima Daiichi , se produjeron protestas generalizadas en Kuantan por la refinería Lynas y los desechos radiactivos de la misma. El mineral que se procesará tiene niveles muy bajos de torio, y el fundador y director ejecutivo de Lynas, Nicholas Curtis, dijo que "no hay absolutamente ningún riesgo para la salud pública". T. Jayabalan, un médico que dice que ha estado monitoreando y tratando a los pacientes afectados por la planta de Mitsubishi, "desconfía de las garantías de Lynas. El argumento de que los bajos niveles de torio en el mineral lo hacen más seguro no tiene sentido, dice, porque la exposición a la radiación es acumulativa ". [108] La construcción de la instalación se ha detenido hasta que se complete una investigación independiente de un panel del OIEA de las Naciones Unidas , que se espera para fines de junio de 2011. [109] El gobierno de Malasia anunció nuevas restricciones a fines de junio. [79]
La investigación del panel del OIEA ha finalizado y no se ha detenido ninguna construcción. Lynas está dentro del presupuesto y el programa para comenzar a producir 2011. El informe de la AIEA concluyó en un informe publicado el jueves de junio de 2011 que dijo que no encontró ningún caso de "incumplimiento de las normas internacionales de seguridad radiológica" en el proyecto. [110]
Si se siguen las normas de seguridad adecuadas, la minería REE tiene un impacto relativamente bajo. Molycorp (antes de quebrar) a menudo excedía las regulaciones ambientales para mejorar la imagen pública. [111]
En Groenlandia existe una importante disputa sobre si comenzar una nueva mina de tierras raras en Kvanefjeld debido a preocupaciones ambientales. [112]
Contaminación ambiental
La literatura publicada en 2004 sugiere que, junto con la mitigación de la contaminación previamente establecida, una cadena de suministro más circular ayudaría a mitigar parte de la contaminación en el punto de extracción. Esto significa reciclar y reutilizar los REE que ya están en uso o que están llegando al final de su ciclo de vida. [101] Una investigación realizada en 2014 sugiere un método para reciclar los REE de las baterías de hidruro metálico de níquel de desecho; la tasa de recuperación es del 95,16%. [113]
Impacto en la vegetación
La minería de REE ha provocado la contaminación del suelo y el agua alrededor de las áreas de producción, lo que ha impactado la vegetación en estas áreas al disminuir la producción de clorofila que afecta la fotosíntesis e inhibe el crecimiento de las plantas. [100] Sin embargo, el impacto de la contaminación por REE en la vegetación depende de las plantas presentes en el ambiente contaminado: algunas plantas retienen y absorben REE y otras no. [114] Además, la capacidad de la vegetación de absorber el REE depende del tipo de REE presente en el suelo, por lo que hay una multitud de factores que influyen en este proceso. [115] Las plantas agrícolas son el principal tipo de vegetación afectada por la contaminación por REE en el medio ambiente, siendo las dos plantas con mayor probabilidad de absorber y almacenar REE las manzanas y la remolacha. [103] Además, existe la posibilidad de que los REE se puedan filtrar a los ambientes acuáticos y ser absorbidos por la vegetación acuática, que luego puede bioacumularse y potencialmente ingresar a la cadena alimentaria humana si el ganado o los humanos optan por comer la vegetación. Un ejemplo de esta situación fue el caso del jacinto de agua ( Eichhornia crassipes) en China, donde el agua se contaminó debido al uso de un fertilizante enriquecido con REE en una zona agrícola cercana. El ambiente acuático se contaminó con cerio y resultó en que el jacinto de agua se concentrara tres veces más en cerio que el agua circundante. [115]
Impacto en la salud humana
Los REE son un grupo grande con muchas propiedades y niveles diferentes en el medio ambiente. Debido a esto, y a la investigación limitada, ha sido difícil determinar niveles seguros de exposición para los seres humanos. [116] Varios estudios se han centrado en la evaluación de riesgos basada en las rutas de exposición y divergencia de los niveles de fondo relacionados con la agricultura, la minería y la industria cercanas. [117] [118] Se ha demostrado que numerosos REE tienen propiedades tóxicas y están presentes en el medio ambiente o en los lugares de trabajo. La exposición a estos puede conducir a una amplia gama de resultados de salud negativos, como cáncer, problemas respiratorios , pérdida dental e incluso la muerte. [38] Sin embargo, los REE son numerosos y están presentes en muchas formas diferentes y en diferentes niveles de toxicidad, lo que dificulta dar advertencias generales sobre el riesgo de cáncer y la toxicidad, ya que algunos de ellos son inofensivos mientras que otros representan un riesgo. [116] [118] [117]
La toxicidad que se muestra parece ser a niveles muy altos de exposición a través de la ingestión de alimentos y agua contaminados, a través de la inhalación de partículas de polvo / humo, ya sea como un riesgo ocupacional o debido a la proximidad a sitios contaminados como minas y ciudades. Por lo tanto, los principales problemas que enfrentarían estos residentes es la bioacumulación de REE y el impacto en su sistema respiratorio, pero en general, puede haber otros posibles efectos en la salud a corto y largo plazo. [119] [100] Se encontró que las personas que vivían cerca de las minas en China tenían niveles mucho más altos de REE en su sangre, orina, huesos y cabello en comparación con los controles lejos de los sitios mineros. Este nivel más alto se relacionó con los altos niveles de REE presentes en las verduras que cultivaban, el suelo y el agua de los pozos, lo que indica que los niveles altos fueron causados por la mina cercana. [117] [118] Si bien los niveles de REE variaron entre hombres y mujeres, el grupo de mayor riesgo eran los niños porque los REE pueden afectar el desarrollo neurológico de los niños, afectando su coeficiente intelectual y potencialmente causando pérdida de memoria. [120]
El proceso de extracción y fundición de tierras raras puede liberar fluoruro en el aire que se asociará con las partículas suspendidas totales (TSP) para formar aerosoles que pueden ingresar al sistema respiratorio humano y causar daños y enfermedades respiratorias. La investigación de Baotou, China, muestra que la concentración de fluoruro en el aire cerca de las minas REE es más alta que el valor límite de la OMS, lo que puede afectar el medio ambiente circundante y convertirse en un riesgo para quienes viven o trabajan cerca. [121]
Los residentes culparon a una refinería de tierras raras en Bukit Merah por defectos de nacimiento y ocho casos de leucemia en cinco años en una comunidad de 11,000, después de muchos años sin casos de leucemia. Siete de las víctimas de leucemia murieron. Osamu Shimizu, director de Asian Rare Earth, dijo que "la compañía podría haber vendido algunas bolsas de fertilizante de fosfato de calcio a modo de prueba mientras buscaba comercializar subproductos; el fosfato de calcio no es radiactivo ni peligroso" en respuesta a un ex residente de Bukit Merah, quien dijo que "las vacas que comieron la hierba [cultivada con el fertilizante] murieron". [108] El Tribunal Supremo de Malasia dictaminó el 23 de diciembre de 1993 que no había pruebas de que la empresa conjunta local de productos químicos Asian Rare Earth estuviera contaminando el medio ambiente local. [122]
Impacto en la salud animal
Los experimentos que exponen ratas a varios compuestos de cerio han encontrado acumulación principalmente en los pulmones y el hígado. Esto resultó en varios resultados de salud negativos asociados con esos órganos. [123] Se han añadido REE a la alimentación del ganado para aumentar su masa corporal y aumentar la producción de leche. [123] Se utilizan más comúnmente para aumentar la masa corporal de los cerdos, y se descubrió que los REE aumentan la digestibilidad y el uso de nutrientes de los sistemas digestivos de los cerdos. [123] Los estudios apuntan a una respuesta a la dosis cuando se considera la toxicidad frente a los efectos positivos. Si bien las dosis pequeñas del medio ambiente o con la administración adecuada parecen no tener efectos nocivos, se ha demostrado que dosis más grandes tienen efectos negativos específicamente en los órganos donde se acumulan. [123] El proceso de extracción de REE en China ha provocado la contaminación del suelo y el agua en ciertas áreas, que cuando se transportan a cuerpos acuáticos podrían potencialmente bioacumularse dentro de la biota acuática. Además, en algunos casos, los animales que viven en áreas contaminadas con REE han sido diagnosticados con problemas de órganos o sistemas. [100] Los REE se han utilizado en la piscicultura de agua dulce porque protege a los peces de posibles enfermedades. [123] Una de las principales razones por las que se han utilizado con avidez en la alimentación del ganado es que han obtenido mejores resultados que los potenciadores inorgánicos de la alimentación del ganado. [124]
Consideraciones geopolíticas
China ha citado oficialmente el agotamiento de los recursos y las preocupaciones ambientales como las razones de una represión a nivel nacional en su sector de producción de minerales de tierras raras. [46] Sin embargo, también se han imputado motivos no ambientales a la política de tierras raras de China. [107] Según The Economist , "Reducir sus exportaciones de metales de tierras raras ... se trata de mover a los fabricantes chinos hacia arriba en la cadena de suministro, para que puedan vender productos terminados valiosos al mundo en lugar de materias primas humildes". [125] Además, China tiene en la actualidad un monopolio efectivo de la cadena de valor REE del mundo. [126] (todas las refinerías y plantas de procesamiento que transforman el mineral en bruto en elementos valiosos [127] ). En palabras de Deng Xiaoping, un político chino desde finales de la década de 1970 hasta finales de la de 1980, "Oriente Medio tiene petróleo; tenemos tierras raras ... tiene una importancia estratégica extremadamente importante; debemos asegurarnos de manejar las tierras raras emitir correctamente y aprovechar al máximo la ventaja de nuestro país en recursos de tierras raras ". [128]
Un posible ejemplo de control del mercado es la división de General Motors que se ocupa de la investigación de imanes miniaturizados, que cerró su oficina en EE. UU. Y trasladó a todo su personal a China en 2006 [129] (la cuota de exportación de China solo se aplica al metal, pero no a los productos fabricados). de estos metales como los imanes).
Se informó, [130] pero se negó oficialmente, [131] que China instituyó una prohibición de exportación de los envíos de óxidos de tierras raras (pero no aleaciones) a Japón el 22 de septiembre de 2010, en respuesta a la detención de un capitán de barco pesquero chino. por la Guardia Costera japonesa . [132] [48] El 2 de septiembre de 2010, unos días antes del incidente del barco de pesca, The Economist informó que "China ... en julio anunció la última de una serie de reducciones anuales de las exportaciones, esta vez en un 40% para 30,258 toneladas ". [133] [48]
El Departamento de Energía de los Estados Unidos en su informe de Estrategia de Materiales Críticos de 2010 identificó al disprosio como el elemento más crítico en términos de dependencia de las importaciones. [134]
Un informe de 2011 "La industria de tierras raras de China", publicado por el Servicio Geológico de Estados Unidos y el Departamento del Interior de Estados Unidos, describe las tendencias de la industria en China y examina las políticas nacionales que pueden guiar el futuro de la producción del país. El informe señala que el liderazgo de China en la producción de minerales de tierras raras se ha acelerado en las últimas dos décadas. En 1990, China representaba solo el 27% de esos minerales. En 2009, la producción mundial fue de 132.000 toneladas métricas; China produjo 129.000 de esas toneladas. Según el informe, los patrones recientes sugieren que China desacelerará la exportación de dichos materiales al mundo: "Debido al aumento de la demanda interna, el Gobierno ha reducido gradualmente la cuota de exportación durante los últimos años". En 2006, China permitió exportar a 47 productores y comerciantes nacionales de tierras raras ya 12 productores de tierras raras chino-extranjeros. Desde entonces, los controles se han endurecido anualmente; en 2011, solo se autorizaron 22 productores y comerciantes nacionales de tierras raras y 9 productores chinos-extranjeros de tierras raras. Las políticas futuras del gobierno probablemente mantendrán controles estrictos: "Según el borrador del plan de desarrollo de tierras raras de China, la producción anual de tierras raras puede limitarse a entre 130.000 y 140.000 [toneladas métricas] durante el período de 2009 a 2015. La exportación la cuota para los productos de tierras raras puede ser de unas 35.000 [toneladas métricas] y el Gobierno puede permitir que 20 productores y comerciantes nacionales de tierras raras exporten tierras raras ". [135]
El Servicio Geológico de los Estados Unidos está investigando activamente el sur de Afganistán en busca de depósitos de tierras raras bajo la protección de las fuerzas militares de los Estados Unidos. Desde 2009, el USGS ha realizado estudios de teledetección y trabajo de campo para verificar las afirmaciones soviéticas de que existen rocas volcánicas que contienen metales de tierras raras en la provincia de Helmand, cerca del pueblo de Khanashin . El equipo de estudio del USGS ha localizado un área considerable de rocas en el centro de un volcán extinto que contiene elementos ligeros de tierras raras, como cerio y neodimio. Ha mapeado 1,3 millones de toneladas métricas de roca deseable, o cerca de diez años de suministro a los niveles de demanda actuales. El Pentágono ha estimado su valor en alrededor de $ 7,4 mil millones. [136]
Se ha argumentado que la importancia geopolítica de las tierras raras ha sido exagerada en la literatura sobre la geopolítica de las energías renovables, subestimando el poder de los incentivos económicos para expandir la producción. [137] [138] Esto se refiere especialmente al neodimio. Debido a su papel en los imanes permanentes utilizados para las turbinas eólicas, se ha argumentado que el neodimio será uno de los principales objetos de competencia geopolítica en un mundo que funciona con energías renovables. Pero esta perspectiva ha sido criticada por no reconocer que la mayoría de las turbinas eólicas tienen engranajes y no usan imanes permanentes. [138]
Ver también
- Mineral de tierras raras
- Imán de tierras raras
- Lista de elementos que enfrentan escasez
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enlaces externos
- Medios relacionados con elementos de tierras raras en Wikimedia Commons
Medios externos | |
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Audio | |
"Tierras raras: El costo oculto de su magia" , Podcast de destilaciones y transcripción, Episodio 242, 25 de junio de 2019, Instituto de Historia de la Ciencia | |
Video | |
"10 formas en que los elementos de tierras raras mejoran la vida" , animación, Science History Institute | |
Elementos de tierras raras: la intersección de la ciencia y la sociedad , presentación y discusión dirigida por Ira Flatow , Science History Institute , 24 de septiembre de 2019 |