La crisis de las tierras raras Un testimonio de la irracionalidad de nuestro modelo económico (Primera parte) Enrique Montero Universidad de Cádiz [email protected] http://www.catedrarelec.es Puerto Real, Septiembre 2012 v01 – 1P Prof. Enrique Montero Cátedra RELEC Universidad de Cádiz 1 La crisis de las tierras raras Un testimonio de la irracionalidad de nuestro modelo económico CA-315-12 (14/09/2012) Siempre que sea sin ánimo de lucro, queda autorizada la reproducción total o parcial del texto de este informe, por cualquier método fotomecánico o informático, con la sola condición de citar autor y procedencia. Queda prohibido todo uso lucrativo de este texto sin autorización expresa del autor. Email de contacto: [email protected] Prof. Enrique Montero Cátedra RELEC Universidad de Cádiz 2 La crisis de las tierras raras Un testimonio de la irracionalidad de nuestro modelo económico No mirando a nuestro daño corremos a rienda suelta, sin parar; cuando vemos el engaño y queremos dar la vuelta, no hay lugar. Jorge Manrique (s. XV) ¿Es que forzosamente el futuro del sistema mundial ha de ser el crecimiento y luego el colapso en una aciaga existencia vacía? Sólo si hacemos realidad la hipótesis inicial de que no se modificará la manera actual en que hacemos las cosas. Los límites del crecimiento D.H. Meadows y otros El progreso no es solamente mejorar el pasado: es moverlo hacia el futuro. Khalil Gibran Prof. Enrique Montero Cátedra RELEC Universidad de Cádiz 3 La crisis de las tierras raras Un testimonio de la irracionalidad de nuestro modelo económico Nota En este documento, las notas a pie de página vienen indicadas por números romanos en minúsculas (i, ii, iii, iv, …), mientras que para las referencias bibliográficas, que se han incluido al final, se ha recurrido a utilizar números arábigos (1, 2, 3, 4, …). Prof. Enrique Montero Cátedra RELEC Universidad de Cádiz 4 La crisis de las tierras raras Un testimonio de la irracionalidad de nuestro modelo económico CONTENIDOS PREÁMBULO .................................................................................................................................. 7 INTRODUCCIÓN ........................................................................................................................... 11 Las tierras raras ....................................................................................................................... 12 Historia del descubrimiento de las tierras raras ..................................................................... 13 La paradoja de las tierras raras: minerales sucios para tecnologías limpias........................... 18 No solo impacto ambiental; también social y económico. ..................................................... 19 La crisis de las tierras raras: algo más que un problema de precio y de suministro............... 23 ¿QUÉ SON LAS TIERRAS RARAS? ................................................................................................. 27 ¿Qué elementos se consideran incluidos en las tierras raras? ............................................... 28 No son “tierras”....................................................................................................................... 29 No son raras (en la corteza terrestre) ..................................................................................... 30 Propiedades físicas y químicas ................................................................................................ 32 Tierras raras ligeras, pesadas y medias ................................................................................... 41 ¿De dónde se obtienen las tierras raras?................................................................................ 43 Minerales que contienen tierras raras .................................................................................... 47 REFERENCIAS ............................................................................................................................... 51 Prof. Enrique Montero Cátedra RELEC Universidad de Cádiz 5 La crisis de las tierras raras Un testimonio de la irracionalidad de nuestro modelo económico Esta página ha sido intencionadamente dejada en blanco Prof. Enrique Montero Cátedra RELEC Universidad de Cádiz 6 La crisis de las tierras raras Un testimonio de la irracionalidad de nuestro modelo económico Pensar por adelantado: hoy para mañana e incluso para muchos días. La mayor fortuna se hace con horas de previsión. (…) Algunos hacen y después piensan; buscan excusas más que consecuencias. Otros no piensan ni antes ni después. Toda la vida debe consistir en pensar para acertar el rumbo. La prevención y el pensamiento cuidadoso son un buen recurso para vivir adelantado. Baltasar Gracián - El arte de la prudencia - 151 PREÁMBULO Prof. Enrique Montero Cátedra RELEC Universidad de Cádiz 7 La crisis de las tierras raras Un testimonio de la irracionalidad de nuestro modelo económico PREÁMBULO El 7 de septiembre de 2010 un pesquero chino fue interceptado y apresado por barcos de la Guardia Costera japonesa en aguas de las islas Senkaku1 (en chino llamadas Diaoyu), un grupo de islas situadas en el Mar de China Oriental, muy cerca de Taiwán, las cuales están administradas por Japón pero reclamadas por Pekín y Taipei. Apenas dos semanas después, su capitán fue puesto en libertad sin cargos y el barco liberado sin sanción alguna. ¿Cedió Japón ante la presión de China? ¿Qué tipo de presión? Todo indica que China canceló las exportaciones a Japón de materias primas esenciales para la industria de este país y más concretamente de las llamadas tierras raras2. Japón es actualmente el segundo mayor consumidor mundial de tierras raras, después de China. Aunque Pekín negó la existencia de cualquier embargo, atribuyendo los problemas habidos en las exportaciones a la desigual aplicación de la normativa por parte de sus funcionarios de aduanas en diferentes puertos, Tokio acusó a China de restringir los envíos a las empresas japonesas. Las consecuencias del incidente causaron preocupación en los fabricantes japoneses, desde gigantes como Toyota hasta fabricantes de pequeños productos electrónicos, ya que las tierras raras son esenciales para productos tan diversos y tan avanzados como coches eléctricos híbridos, aerogeneradores, monitores o lámparas fluorescentes. La rápida solución dada al percance mencionado, sin consecuencia alguna para los pescadores chinos, es una clara prueba de la gran importancia estratégica que tienen, en nuestros días, las tierras raras. Prof. Enrique Montero Cátedra RELEC Universidad de Cádiz 8 La crisis de las tierras raras Un testimonio de la irracionalidad de nuestro modelo económico Poco después de este hecho, el premio Nobel de Economía Paul Krugman, en su columna de The New York Times, comentaba esta noticia en los siguientes términos3: “Yo no sé ustedes, pero creo que esta historia es profundamente inquietante, tanto por lo que dice acerca de China como por lo que dice acerca de nosotros. Por un lado, el caso pone de manifiesto la irresponsabilidad de los políticos de Estados Unidos, que no hicieron nada, cuando un régimen no fiable adquirió un dominio absoluto sobre los materiales clave. Por otro lado, el incidente muestra un gobierno chino que es peligrosamente de gatillo fácil, dispuesto a librar una guerra económica a la menor provocación.” No podemos sino coincidir con Krugman en la irresponsabilidad de los políticos –no solo los de Estado Unidos- por haber permitido que China haya ido adquiriendo a lo largo de los años un creciente control de materiales tan estratégicos, hasta conseguir el monopolio actual. Lo cual ha sido posible, sin duda, como consecuencia lógica de la apuesta política por un tipo de economía basada en la obtención de beneficios inmediatos, a muy corto plazo. En cuanto a “un gobierno (…) dispuesto a librar una guerra económica a la menor provocación”, creemos que la historia nos muestra sobradamente que, por desgracia, es bastante común que los gobiernos emprendan guerras –y no solo económicas- incluso sin necesidad de provocación alguna. Las páginas que siguen pretenden ofrecer en español un documento de carácter divulgativo que examine las múltiples facetas que plantea lo que se ha venido denominando la crisis de las tierras raras. Hemos procurado exponer una visión global del asunto, analizando sus principales aspectos, al mismo tiempo que realizando una reflexión crítica, de modo que el lector pueda llegar a hacerse una idea lo más completa y precisa posible del significado y alcance real de dicha crisis, más allá de la habitual simplificación que supone reducirla, exclusivamente, a términos de precios y de suministro. Los elementos de las tierras raras son de vital importancia para la sociedad actual, al permitirnos extraordinarios desarrollos tecnológicos hasta hace poco impensables. Ahora bien, la cara negativa es que dichos elementos no son fáciles de obtener y su purificación es costosa, compleja y causa un considerable daño al medio ambiente. Por esto deberíamos haber sido –y ser- más cuidadosos en su obtención y gestión, planificando a medio y largo plazo en lugar de, como se ha hecho, actuar pensando solo en términos económicos, en el corto plazo y desentendiéndonos de las secuelas. Prof. Enrique Montero Cátedra RELEC Universidad de Cádiz 9 La crisis de las tierras raras Un testimonio de la irracionalidad de nuestro modelo económico Al analizar la crisis de las tierras raras debemos prestar atención no solo a sus consecuencias, sino también –más importante aún- a sus causas; por qué se ha actuado como se ha hecho. Solo así será posible extraer conclusiones que sirvan para evitar repetir en el futuro actuaciones tan disparatadas como las que se han dado hasta ahora. Prof. Enrique Montero Cátedra RELEC Universidad de Cádiz 10 La crisis de las tierras raras Un testimonio de la irracionalidad de nuestro modelo económico ¿Cómo decidimos lo que es de valor duradero en nosotros en una sociedad impaciente y centrada en lo inmediato? ¿Cómo perseguir metas a largo plazo en una economía entregada al corto plazo? Richard Sennett Conocéis la manera estúpida de esa suerte de hombres ingeniosos que hacen esas cosas: ¡Las realizan como los castores construyen diques, sin ninguna consideración a los ríos que van a desviar y a las tierras que van a inundar! H.G. Wells INTRODUCCIÓN Prof. Enrique Montero Cátedra RELEC Universidad de Cádiz 11 La crisis de las tierras raras Un testimonio de la irracionalidad de nuestro modelo económico INTRODUCCIÓN Las tierras raras Desde hace algún tiempo son relativamente frecuentes las noticias que hacen referencia a lo que ha venido denominándose “la crisis de las tierras raras”. Aún en los medios de comunicación no especializados, periódicamente se menciona a las tierras raras, a sus elevados precios, al monopolio de suministro que posee China o a lo críticas que son para las nuevas tecnologías, especialmente para las llamadas tecnologías verdes. Pero, comencemos por el principio: ¿qué son las “tierras raras”? Puede que recordemos que cuando en química de bachillerato estudiábamos la tabla periódica, junto a elementos que nos eran familiares como hierro, cobre, oxígeno, oro o plata, aparecían unos extraños elementos de los que jamás habíamos oído hablar. Además con ellos nos encontrábamos un hecho peculiar: la celda correspondiente al lantano (La) remitía a una serie horizontal dispuesta fuera de la tabla, en su parte inferior, con un conjunto de 15 elementos que se denominaban “lantánidos”i, de nombres verdaderamente extraños. Pues bien, estos quince elementos son, precisamente, los elementos principales de las llamadas tierras raras. Aunque, como veremos más adelante, a ellos se les suelen añadir también escandio (Sc) y el itrio (Y) que, no siendo lantánidos, pertenecen al mismo periodo de la tabla periódica y poseen características comunes con ellos. i La terminación idos en griego, significa serie. Prof. Enrique Montero Cátedra RELEC Universidad de Cádiz 12 La crisis de las tierras raras Un testimonio de la irracionalidad de nuestro modelo económico Incluso, para confundirnos aún más, algunos de estos nombres eran extraordinariamente parecidos: erbio, terbio o iterbio. Y para hacerlo todo todavía más sorprendente, el profesor nos decía que se trataba de las “tierras raras”. ¡Tierras y raras! Con todo este embrollo, era lógico que aquellos extraños elementos los consideráramos “para nota” y pronto los olvidáramos. Más lógico es aún este olvido, si tenemos en cuenta que hasta hace solo unas décadas la principal y casi exclusiva aplicación de estas “tierras raras” era ¡formar parte de la aleación con la que se fabricaban las piedras de los mecheros! De modo que para muchos de nosotros –sin saberlo- nuestra primera toma de contacto con estos elementos tan apreciados hoy en día era al encender un pitillo puede que, incluso con aquellos rústicos encendedores de yesca. ¡Cuánto ha cambiado todo desde entonces! En el último cuarto del siglo pasado se han ido descubriendo tantas y tantas aplicaciones de los elementos que constituyen las tierras raras que actualmente éstos han llegado a ser insustituibles en los materiales avanzados e indispensables en las nuevas tecnologías verdes y, en general, en una infinidad de aparatos comunes en nuestra actividad diaria. Historia del descubrimiento de las tierras raras Historia verdaderamente interesante y singular por lo complejo y enrevesado que fue el proceso de identificación fiable de los diferentes elementos de las tierras raras. También una larga historia que duró más de cien añosii, en el transcurso de los cuales se sucedieron innumerables identificaciones fallidas de supuestos nuevos elementos que parecían formar parte de las tierras raras. Prueba de ello es el hecho de que en poco más de treinta años –entre 1878 y 1910- se superó el centenar de publicaciones en las que se daba cuenta de descubrimientos de supuestos nuevos elementos de las tierras raras. Tanta confusión llevó a Georges Urbain, descubridor del lutecio, a escribir: ”Era un mar de errores y la verdad se ahogaba en él”. La historia del descubrimiento de las tierras raras puede ser dividida en tres etapas. La inicial comprende desde finales del siglo XVIII hasta mediados del siglo pasado. A lo largo de ella se identificaron y aislaron todos los elementos de las tierras raras, dándose los primeros y tímidos pasos en su producción industrial. No obstante, aún eran pocas sus aplicaciones; de hecho, como se ha ii Con más precisión, son 113 años: desde 1794 en que se descubrió el itrio hasta 1907, año en que se identificó el lutecio. Prof. Enrique Montero Cátedra RELEC Universidad de Cádiz 13 La crisis de las tierras raras Un testimonio de la irracionalidad de nuestro modelo económico indicado, la más común era la incorporación de algunos de estos elementos a la aleación denominada mischmetal con la que se fabricaban las piedras de mechero. También, en el siglo XIX, cuando aún se utilizaba la iluminación de gas, se aprovechó la termoluminiscencia de las tierras raras, es decir la propiedad de emitir luz blanca cuando se calientan, para impregnar el tejido de algodón de las “camisas” o “manguitos camiseta” de las lámparas con un compuesto que contenía tierras raras. La historia de las tierras raras comienza a finales del siglo XVIII, en 1787, en una cantera abandonada cerca de Ytterby, una pequeña ciudad en la isla de Resarö próxima a Estocolmo, cuando un lugarteniente de artillería sueco de nombre C.A. Arrheniusiii encontró un nuevo mineral al que dio el nombre de iterbitaiv. Cinco años después el profesor finlandés Johan Gadolin, separó de este mineral el óxido de un elemento hasta entonces desconocido al que denominó itrio. El itrio fue, pues, el primer elemento de las tierras raras que se identificó. Años más tarde, químicos de Suecia y Alemania analizando por separado un mineral denominado cerita, encontraron el óxido de un nuevo elemento al que dieron el nombre de cerio; otro elemento de las tierras raras y el primero de los lantánidos que se descubrió. Transcurrido un tiempo, al analizar de nuevo la iterbita, se encontró que contenía otro elemento distinto del itrio, que presentaba gran dificultad para ser separado de él por lo que no se llegó a identificar. Y lo mismo ocurrió en el caso del cerio: se concluyó que, en realidad, aquello a lo que se había denominado cerio no era un elemento sino una mezcla de elementos. iii No confundir con el físico y químico, premio Nobel de Química, también sueco, Svante August Arrhenius. iv Notemos que la ciudad de Ytterby no solo ha dado nombre a la iterbita; también se deben a ella los nombres de tres elementos de las tierras raras: erbio, iterbio y terbio. Prof. Enrique Montero Cátedra RELEC Universidad de Cádiz 14 La crisis de las tierras raras Un testimonio de la irracionalidad de nuestro modelo económico Este hecho de identificar un elemento de las tierras raras en un mineral dado y en posteriores análisis encontrar que junto al mismo existía otro u otros elementos de tierras raras, fue una constante en la historia del aislamiento de los elementos de las tierras raras. Se identificaban y se daba nombre a supuestos elementos que, al cabo de un cierto tiempo, resultaban ser mezcla de elementos. Algo, desde luego, nada extraño, pues es consecuencia lógica del comportamiento químico tan extraordinariamente parecido que tienen todos estos elementos. Los procesos de identificación y separación de unos elementos de otros no eran nada fiables, tomándose muchas veces por elementos lo que en realidad eran mezclas de ellos. La separación se basaba principalmente en su diferente solubilidad lo cual, habida cuenta de su similitud, exigía centenares e incluso miles de recristalizaciones hasta conseguir evidencias fehacientes. Incluso el análisis espectral no siempre ofrecía seguridad en las identificaciones. En 1843 el químico sueco Carl Gustav Mosander encontró que el itrio de Gadolin estaba en realidad constituido por tres elementos: el itrio mismo y otros dos elementos, el erbio y el terbio, asombrosamente parecidos a él. Y aquí no acaba la cosa: aunque el itrio y el terbio, parecían ser verdaderamente elementos, no ocurría lo mismo con el erbio, que despertaba sospechas. Así, tres décadas más tarde, el químico suizo Jean de Marignac separó del erbio un nuevo elemento: el iterbio. Pero tampoco el iterbio resultó ser un elemento puro, pues al año siguiente el químico sueco Lars Nilson descubrió en él el escandio. Y tampoco lo que no era escandio era iterbio puro, sino una nueva mezcla, ahora con otro elemento, el lutecio. Johan Gadolin (1794) Itrio Mosander (1843) Itrio Jean de Marignac (1878) Erbio Lars Nilson (1879) Erbio Per Cleve (1879) Paul Lecoq de Boisbaudran (1886) Erbio Iterbio Escandio Iterbio Holmio Holmio Terbio Erbio Tulio Iterbio Disprosio Iterbio Iterbio Georges Urbain (1907) Lutecio Fuente: elaboración propia Prof. Enrique Montero Cátedra RELEC Universidad de Cádiz 15 La crisis de las tierras raras Un testimonio de la irracionalidad de nuestro modelo económico Lo mismo ocurrió con el erbio que se encontró contenía tulio y holmio y en éste, a su vez, se encontró disprosio. Este largo y complicado proceso viene reflejado en el “árbol genealógico” de la figura de la página anterior. Algo parecido sucedió con el cerio, aunque en este caso su historia está unida a la del didimio, un elemento fantasma. En 1826, el químico sueco Carl Gustaf Mosander encontró que el cerio (Ce) contenía además otros dos nuevos elementos: a uno lo denominó lantano (La) y al otro didimio (Di) (del griego dídymos, gemelo, por su gran similitud con el lantano). De este modo el didimio pasó a ser considerado un elemento químico, incluso por el mismo Mendeleiev que lo incluyó en su tabla periódica. Más adelante, en 1879, se encontró en el didimio otro elemento nuevo al que se denominó samario (Sm), en el que, al ser purificado, se identificó otro nuevo elemento, el gadolinio (Gd) en honor de Johan Gadolin. Y para finalizar esta complicada historia, ¡el elemento didimio dejó de existir! En efecto, en 1885, el austriaco Carl Auer Freiherr von Welsbach encontró que el didimio era en realidad la mezcla de dos elementos; a uno de ellos lo llamó praseodimio (Pr) y al otro neodimio (Nd). En cuanto al entonces denominado samario, también resultó contener también una mezcla de gadolinio y europio. Prof. Enrique Montero Cátedra RELEC Universidad de Cádiz 16 La crisis de las tierras raras Un testimonio de la irracionalidad de nuestro modelo económico Jöns J. Berzelius, Wilhelm Isinger, Martin Klaproth (1803) Carl Mosander (1839) Cerio Cerio Lantano Paul Lecoq de Boisbaudran (1879) Samario Carl Auer von Welsbach (1885) Samario Didimio Didimio Praseodimio Neodimio Jean de Marignac Paul Lecoq de Boisbaudran Gadolinio Samario (1886) Paul Lecoq de Boisbaudran (1890) Samario Europio Fuente: elaboración propia Así, entre tantas dificultades e incidencias, a lo largo de todo el siglo XIX y principios del XX, se identificaron el resto de los elementos estables de las tierras raras; el último de ellos el lutecio en 1907. Solo quedaba por aislar un elemento, el único radiactivo de las tierras raras: el prometio. Éste se genera artificialmente en los reactores nucleares, ya que resulta de la fisión de algunos actínidos como el uranio, torio o plutonio. Tampoco tiene isótopos estables. Es escasísimo en la corteza terrestre e incluso en todo el sistema solar; solo se han detectado ultratrazasv en algunos minerales. Tanto que se creyó que no estaba presente en la naturaleza hasta que en 1965 se obtuvieron 82 miligramos de este elemento, eso sí, tras el tratamiento de 20 toneladas de óxidos de tierras raras4. La segunda etapa de la historia de las tierras raras se extiende desde los años cincuenta hasta final de los sesenta del siglo pasado. En ella se mejoraron los procesos de tratamiento de modo que pudieron obtenerse los elementos con mayor pureza, lo cual posibilitó utilizarlos en las primeras aplicaciones tecnológicas. Citemos entre éstas, la preparación de materiales magnéticos (imanes de YCo5), fósforos para pantallas de tubos de rayos catódicos en color, láseres, pigmentos, filamentos de LaB6 para microscopios electrónicos, etc. v Se dice así de un constituyente que se encuentra en una muestra en cantidades pequeñísimas: unas pocas partes por millón (ppm) o, incluso, menos. Prof. Enrique Montero Cátedra RELEC Universidad de Cádiz 17 La crisis de las tierras raras Un testimonio de la irracionalidad de nuestro modelo económico Por último, en la tercera etapa, desde los años setenta hasta la actualidad es cuando, se obtuvieron elementos de las tierras raras de gran pureza, lo cual permitió el estudio en profundidad de las propiedades físicas de sus diferentes compuestos. Como consecuencia, se prepararon una gran diversidad de nuevos materiales utilizables en prácticamente todos los campos, lo cual dio lugar tanto a un espectacular desarrollo de tecnologías totalmente nuevas, como a una importante mejora de las ya existentes (imanes, materiales superconductores, catalizadores, pilas de combustible, lámparas que reproducen con gran fidelidad la luz día, etc.) Debido la inexistencia de sustitutos adecuados, sin los elementos de las tierras raras muchas de las tecnologías actuales serían totalmente diferentes o no podrían haberse desarrollado, como es el caso de los ordenadores portátiles, los pequeños teléfonos móviles, los vehículos eléctricos, los aerogeneradores o los catalizadores de la industria del petróleo. La paradoja de las tierras raras: minerales sucios para tecnologías limpias Gran parte de la demanda actual y futura de las tierras raras es consecuencia de su utilización en las denominadas “tecnologías verdes”: aerogeneradores, automóviles eléctricos, paneles fotovoltaicos, lámparas de bajo consumo, etc. Sin embargo, como más adelante se expondrá con más detalle, tanto la extracción como el procesamiento de las tierras raras, causan un elevado impacto ambiental. Ambos, minería y procesamiento, son devastadores para la naturaleza y perjudiciales para la salud humana, dando lugar a daños irreversibles. Suponen la eliminación total de la vegetación del área de la mina, al mismo tiempo que se afecta seriamente a la de los alrededores como consecuencia de la contaminación que se genera. Contaminación de naturaleza diversa –radiactiva, de partículas o de productos químicos- que afecta al aire, la tierra y las aguas circundantes. Y entre lo más problemático, las enormes balsas permanentes que recogen las aguas residuales conteniendo productos químicos tóxicos y en algunos casos elementos radiactivos. Esta es, precisamente, la paradoja de las tierras raras: que siendo prácticamente imprescindibles en el desarrollo de tecnologías mucho más respetuosas con el medio ambiente que las anteriores, su obtención produce un gran daño al medio natural. Prof. Enrique Montero Cátedra RELEC Universidad de Cádiz 18 La crisis de las tierras raras Un testimonio de la irracionalidad de nuestro modelo económico No solo impacto ambiental; también social y económico. Acabamos de hacer referencia al grave impacto ambiental a que da lugar la obtención de las tierras raras. Pero este impacto no es solo ambiental, es al mismo tiempo, social. Ambos son claramente puestos de manifiesto en un artículo publicado en el periódico Le Monde en Julio de 20125: Desde el cielo, se ve como un gran lago, alimentado por numerosos afluentes. Sobre el terreno, se vuelve un cuerpo opaco, en el que no vive ningún pez ni alga alguna aflora a la superficie. Sus bordes están cubiertos con una costra negruzca, tan espesa que se puede caminar sobre ella. Se trata, de hecho de una enorme balsa de 10 km2, en la que las empresas cercanas vierten agua mezclada con los productos químicos que se utilizaron para tratar las tierras raras. La ciudad de Baotou, en Mongolia Interior, es el mayor lugar chino de la producción de estos materiales estratégicos (…). Son extraídos del yacimiento minero de Bayan Obo situado a 120 km más al norte, desde donde se envían aquí para su procesamiento. La concentración de las tierras raras en la roca es muy baja y sus elementos son separados y purificados mediante procesos hidrometalúrgicos y baños ácidos. China produce el 97% de las tierras raras del mundo y de ellas el 70% se procesan en Baotou. En las turbias aguas de la balsa, podemos encontrar todo tipo de productos químicos tóxicos, y también elementos radiactivos como el torio, cuya ingestión provoca cáncer de páncreas, pulmón y leucemia. Antes de la llegada de las fábricas, sólo había campos aquí, ¡Hasta que se perdía la vista! En lugar de lodos radiactivos, se podían ver sandías, berenjenas, tomates..." suspira Li Guirong . Fue en el año 1958 -diez años después de su nacimiento, dice- cuando la empresa estatal Baogang, número uno del mercado, comenzó a producir tierras raras. El lago apareció entonces. "Al principio no nos dimos cuenta de la contaminación que se generaba. ¿Cómo podíamos saberlo? ", dice el viejo campesino de cara arrugada, Secretario General de la sección local del Partido Comunista y uno de los pocos que se atreve a hablar. A finales de los años 80, relata, los habitantes de pueblos de los alrededores observaron extrañas anomalías: "Las plantas se desarrollaban mal. Daban muchas flores pero a veces sin fruto, o eran pequeños y olían mal." Diez años más tarde, él se rindió a la evidencia: las verduras no se cultivarían más. Prof. Enrique Montero Cátedra RELEC Universidad de Cádiz 19 La crisis de las tierras raras Un testimonio de la irracionalidad de nuestro modelo económico En el pueblo de Xinguang Sancun, como en todos los pueblos próximos a las factorías de Baotou, los agricultores abandonaron algunos campos y no plantaron más que trigo y maíz. Un estudio de la Oficina Municipal de Protección del Medio Ambiente les reveló, finalmente, que las tierras raras eran la fuente de sus males. También decenas de nuevas factorías que ofrecen productos diversos surgieron en torno a las instalaciones de tratamiento, así como una central eléctrica para alimentar en nuevo tejido industrial de Baotou, autoproclamada "Capital mundial de las tierras raras". Además de los vapores de los productos químicos, especialmente de ácido sulfúrico, los aldeanos respiraban el polvo de carbón visible volando entre las casas. En los últimos años la contaminación ambiental ha aumentado aún más; el suelo y las aguas subterráneas están saturados de productos tóxicos. Hace cinco años, Li se vio obligado a dejar a sus cerdos enfermos, los últimos supervivientes de un pequeño rebaño de vacas, caballos, gallinas y cabras, diezmados por estos venenos. Los campesinos han huido. Hoy en Xinguang Sancun la mayor parte de las pequeñas casas de ladrillos marrones, agrupadas las unas contra las otras se están cayendo a pedazos. En diez años el pueblo ha pasado de 2.000 a 300 habitantes. Lu Yongqing, de 56 años, forma parte de los primeros en exiliarse. "Ya no podía alimentar a mi familia", dice. Él probó suerte en Baotou, como albañil, luego como transportista de una fábrica antes de dedicarse a vender verduras en los mercados locales, todo completado con pequeños trabajos ocasionales. "Nunca he tenido un contrato fijo", dijo. Mantenidos en el estatus de campesinos que aparece en sus libros de familia, los refugiados de Xinguang Sancun se han convertido en ciudadanos de segunda clase, explotados sin piedad. Los que se quedaron en el pueblo, varias veces fragmentado y rediseñado a la conveniencia de las instalaciones de la fábrica y de la redistribución de la tierra, acostumbran a encontrarse cerca de la sala de mh-jongvi. "Tengo mal las piernas como muchas personas en el pueblo. También hay muchas diabetes, osteoporosis y problemas pulmonares. No hay familia que no esté afectada por las enfermedades", dice He Guixiang, situada en el centro de la reunión. vi Juego de mesa chino. Prof. Enrique Montero Cátedra RELEC Universidad de Cádiz 20 La crisis de las tierras raras Un testimonio de la irracionalidad de nuestro modelo económico Esta sexagenaria conoce bien las múltiples consecuencias de la contaminación por haber formado parte de los representantes de Xinguang Sancun que se atrevieron a llevar las reclamaciones de los habitantes al gobierno local. "Hace casi veinte años que llamo a la puerta de las autoridades, dice ella. Al principio iba todos los días excepto los domingos! " A fuerza de luchar, los habitantes del pueblo, han acabado finalmente por obtener promesas de compensación económica... que no han sido más que parcialmente atendidas. También se les ha hablado de nuevas viviendas. A pocos kilómetros al oeste de Xinguang Sancun, se levantan torres bien ordenadas. Fueron construidas con los fondos de compensación pagados por la empresa Baogang al gobierno local. Sin embargo, los edificios están desiertos. En cinco años, de los 5.000 ocupantes previstos –que deberían haber llegado de los pueblos próximos a la balsa- ninguno se ha instalado, debido a que el gobierno les exige el derecho de concesión de su vivienda, por lo que no podrá ser legada a sus hijos. Los viejos Li Guirong, He Guixiang y todos aquellos que no han podido partir, no disponen para sobrevivir más que algunas indemnizaciones que les ha dado la empresa y una pequeña pensión. Algunos han vendido residuos del lago, aún muy ricos en tierras raras, a las plantas de tratamiento. Así ganaron 2.000 yuanes (algo más de 250 euros) por tonelada. Pero en los últimos meses el Estado les ha privado de este último recurso. Uno de estos revendedores está procesado y puede ser condenado a más de diez años de prisión. Cuando mediante artículos como éste conocemos las condiciones a las que está siendo sometido gran parte del pueblo chino y su medio ambiente para conseguir que el país se sitúe en los primeros puestos de la economía mundial y, al mismo tiempo, leemos declaraciones de determinados líderes políticos y empresariales en las que proclaman la necesidad de “sigamos el modelo de los chinos”, no cabe sino preguntarse: ¿se refieren a este modelo y a estas prácticas? ¿No saben lo que dicen? ¿O si que lo saben? Además, los supuestos buenos resultados económicos son más que discutibles. En efecto, solo cabe hablar de una buena rentabilidad económica si nos limitamos a contemplar dichos resultados solo a corto plazo, es decir considerando exclusivamente el costo de obtención de las tierras raras. Pero, la rentabilidad sería cuestionable si, además, tomáramos en consideración los gastos derivados de un adecuado control de emisiones y de contaminación, la restauración del medio natural, así como los gastos sanitarios resultantes de atender las enfermedades contraídas por los ciudadanos como consecuencia de la producción de tierras raras. Prof. Enrique Montero Cátedra RELEC Universidad de Cádiz 21 La crisis de las tierras raras Un testimonio de la irracionalidad de nuestro modelo económico Recientemente se ha dado a conocer la gran inversión que está realizando el gobierno chino para tratar de mejorar en alguna medida solamente la calidad de los ríos, altamente contaminados por actividades mineras, industriales y agrícolas. Por otra parte, en un informe del Programa de Naciones Unidas para el Medio Ambiente (PNUMA) de Septiembre de 2012, en el que se analizan los efectos de los productos químicos a nivel mundial, se estima que el daño causado a la pesca comercial en China por la contaminación del agua fue de 634 millones de dólares en un período de solo un año6. Si no fuera por lo conocido que es el gran entusiasmo que sienten los sectores políticos y empresariales de occidente por la cultura de usar y tirar, podría sorprender que desde hace muchos años no hayan impulsado el reciclado de los productos que incorporan elementos de las tierras raras (proceso de reciclado que trataremos al final de este trabajo). Como consecuencia de esta dejación, durante años y años, en los países desarrollados se han estado desechando aparatos que contenían las valiosas tierras raras sin, ni por asomo, plantearse la posibilidad de recuperarlas de ellos mediante reciclado y que fueran empleadas nuevamente en nuevos aparatos. Y ello pese a que en muchos de éstos las tierras raras se encuentran en concentraciones bastante más elevadas que en los yacimientos primarios. Solo se comenzó a considerar la posibilidad de reciclar cuando el precio de las tierras raras se disparó y la producción y venta de los equipos que las incorporan comenzaron a ser problemáticos. Puede que demasiado tarde. Fundamentalmente en el caso de Europa que, siendo un gran consumidor de tierras raras, carece de minas importantes de ellas. Prof. Enrique Montero Cátedra RELEC Universidad de Cádiz 22 La crisis de las tierras raras Un testimonio de la irracionalidad de nuestro modelo económico La crisis de las tierras raras: algo más que un problema de precio y de suministro La denominada crisis de las tierras raras suele asociarse exclusivamente al incremento que en los últimos años experimentaron sus precios así como a los problemas que planteó su suministro. Pero la crisis de las tierras raras va mucho más allá, es mucho más compleja que una simple cuestión de suministro y de precios: es un síntoma claro, una manifestación más, de la irracionalidad de nuestro modelo económico y de consumo actual. Un modelo sin solución posible que, unos por interés y otros por ignorancia, se empeñan en mantener cuando abogan por recuperar las insostenibles –por exponenciales- altas tasas de crecimiento de tiempos pasados. Analizando la crisis de las tierras raras es fácil advertir cómo ambos modelos, el chino y el occidental, tienen en común la falta de respeto a la Naturaleza y a la Humanidad. Y cómo ambos se conjugan para conducirnos a todos a un futuro desastroso. Un futuro en el que también ambos protagonistas –China y Occidente- pierden; ninguno gana. China por el envenenamiento de su aire, tierra, aguas y de sus gentes, consentido por sus gobernantes, los cuales en aras del “desarrollo” económico del país –que, como suele ocurrir, beneficia solo a minorías- están sacrificando la salud de la mayoría de sus ciudadanos y degradando el medio ambiente hasta límites intolerables. Con niveles de contaminación ambiental que dan lugar -y lo darán durante décadas- a altas tasas de mortalidad, elevados índices de malformaciones congénitas y múltiples enfermedades y dolencias. Un país donde coexiste el hecho de ser la segunda economía mundial con que, por ejemplo, unos cientos de millones de sus habitantes sigan sin tener acceso a agua potable. Una muestra de ello es la fotografía, obtenida desde el satélite AQUA de la NASA7, en la que se observa un arco de neblina que se extiende cientos de kilómetros al suroeste de Pekin (en el borde noreste de la imagen). En ella son claramente visibles capas de contaminación especialmente espesas sobre la ciudad de Xi'an. Prof. Enrique Montero Cátedra RELEC Universidad de Cádiz 23 La crisis de las tierras raras Un testimonio de la irracionalidad de nuestro modelo económico Por encima de la neblina asoman las altas crestas, mientras que la niebla queda confinada en las zonas más bajas. Probablemente dicha neblina sea consecuencia de la contaminación urbana e industrial. Otro ejemplo8: en la mañana del día 10 de Enero de 2012 una densa neblina de contaminación cubrió el norte de China, dando lugar a que el aeropuerto de Pekín cancelara 43 vuelos y retrasara 80 más, debido a que la visibilidad se redujo a solo 200 metros. En la imagen de la izquierda se observa una capa gris lechosa que impide completamente ver el terreno. Los vientos ya habían comenzado a empujar la bruma fuera del norte de Pekín pero el resto de la llanura del norte de China todavía sufría de mala calidad del aire. Al día siguiente, cuando el satélite Aqua adquirió la imagen de la derecha, los cielos ya estaban despejados en la regiónvii. Y por otra parte, la sociedad occidental. Sociedad basada en un consumismo desenfrenado, sin querer comprender algo tan simple como que en la naturaleza y en las sociedades los crecimientos exponenciales solo conducen al desastre. Que los grandes crecimientos anuales no volverán y que si lo hacen será para empeorar más aún la situación de nuestra sociedad y de nuestro planeta. Una sociedad caracterizada por la necesidad de gratificaciones inmediatas, por el nada a largo plazo que tan magistralmente analizó el sociólogo Richard Sennett en su obra La corrosión del carácter9, o por “tenerlo todo y tenerlo ya”, que proclamaba indecorosamente el anuncio de una operadora de telefonía. vii Los mayores constituyentes de la bruma, son las partículas: polvo, gotas de líquido, y el hollín de la quema de petróleo o el carbón. Las partículas menores de 10 micrómetros (llamadas PM10) son lo suficientemente pequeñas para entrar en los pulmones, donde causan problemas respiratorios. En dicho día, la densidad de PM10 alcanzó 560 microgramos de aire 3 (en EEUU el nivel máximo en ciudades es de 150 microgramos/m ). Pero la mayor parte de la neblina son partículas más finas, de diámetro inferior a 2.5 micrómetros (PM2.5), las cuales pueden alojarse más profundamente en los pulmones y, en ocasiones, su contenido pasar al torrente sanguíneo. Dicha mañana las mediciones de PM2.5 estuvieron fuera de escala. Prof. Enrique Montero Cátedra RELEC Universidad de Cádiz 24 La crisis de las tierras raras Un testimonio de la irracionalidad de nuestro modelo económico Una sociedad que cegada por los bajos precios de las tierras raras que en años pasados ofrecía China, pensando solo en la rentabilidad económica a corto plazo y sin querer saber nada de las inhumanas condiciones en que se extraen y procesan en dicho paísviii, fue cerrando sus minas. Hasta que, como no podía ser de otro modo, China consiguió el monopolio mundial de la producción de tierras raras, lo que le permite fijar unilateralmente y con total libertad precios y cuotas de exportaciónix, así como interrupciones unilaterales en el suministro, como ocurrió tras el incidente del pesquero apresado por Japón en las islas Senkaku/Diaoyu, que mencionamos al inicio de este trabajo. Occidente ha caído en una trampa que ella misma ha construido. Así, actualmente, el suministro de materias primas imprescindibles para el desarrollo de las nuevas tecnologías en los países occidentales está, prácticamente en su totalidad, en manos de China. El riesgo del monopolio chino de las tierras raras, así como sus consecuencias era tan claro que haber llegado a esta penosa situación solo puede explicarse por la ceguera propia de una mentalidad unidimensional poseída por el intelectualmente tosco economicismo neoliberal que ha convertido en deidad única la codicia y en obsesión la obtención de beneficios a corto plazo. Y mientras que diariamente los medios de comunicación, centrados solo en el presente y en esta economía, nos bombardean hasta el hartazgo con noticias del último indicador bursátil, estos mismos medios ignoran, silencian y se olvidan de asuntos tan graves como éste y otros similares que en un plazo no muy largo van a causar muy importantes problemas a nuestro planeta y a la Humanidad. Porque, además, se comete un gran error pensando que la contaminación que se produce en China no llega a Occidente o que, si lo hace, será solo después de mucho tiempo y en pequeñas cantidades. En efecto, en un plazo tan breve como dos días y en determinadas circunstancias la contaminación de China viii Aunque los datos correspondan a otro sector minero, sirven para dar una idea de las condiciones de seguridad en las que desarrollan su trabajo los trabajadores de la minería en China: según el Diario del Pueblo Online (órgano oficial del Partido Comunista Chino) de fecha 24-08-2012, “el portavoz de la Administración Estatal de Seguridad Laboral, reveló que en la actualidad, 35 obreros mueren en las minas por cada 100 toneladas de carbón producidas en el país, 10 veces la tasa de fallecimiento de Estados Unidos” (http://spanish.peopledaily.com.cn/31621/7923304.html). ix Temporalmente estas cuotas pueden limitarse o interrumpirse alegando fallos administrativos como ocurrió en el incidente de las islas Senkaku/Diaoyu. Hacerlo de forma permanente contravendría las normas de la Organización Internacional de Comercio (OIC) de la que China forma parte, pero hay una solución sencilla para limitar las cantidades a exportar: limitar (o hacer como que se limita) la producción. Prof. Enrique Montero Cátedra RELEC Universidad de Cádiz 25 La crisis de las tierras raras Un testimonio de la irracionalidad de nuestro modelo económico llega a Estados Unidos. Una tormenta en China puede provocar que el polvo tóxico de las minas a cielo abierto o los contaminantes de las fábricas y de las centrales eléctricas de carbón se desplace a las capas altas de la atmósfera, desde donde por la corriente en chorro es transportado fácilmente a la costa oeste de Estados Unidos. Y, una vez allí, se dispersará por el aire y será inhalado por los ciudadanos estadounidenses. La imagen de satélite de la fotografía de la izquierda, correspondiente al 11 de Noviembre de 2008, muestra nubes de contaminación sobre California, Nevada y Arizona, procedentes de China y transportadas desde allí como consecuencia de una fuerte tormenta ocurrida en dicho país unos días antes. En la fotografía de la derecha se señala la corriente en chorro que transportó la contaminación desde China a EEUU10. En los últimos años, cada vez más, la contaminación de Asia está llegando a los Estados Unidos. Hechos como éste ocurren ahora cada poco tiempo. Prof. Enrique Montero Cátedra RELEC Universidad de Cádiz 26 La crisis de las tierras raras Un testimonio de la irracionalidad de nuestro modelo económico ¿QUÉ SON LAS TIERRAS RARAS? Prof. Enrique Montero Cátedra RELEC Universidad de Cádiz 27 La crisis de las tierras raras Un testimonio de la irracionalidad de nuestro modelo económico ¿QUÉ SON LAS TIERRAS RARAS? ¿Qué elementos se consideran incluidos en las tierras raras? Depende de la fuente que se consulte: en algunos casos se consideran tierras raras sólo los 15 lantánidos, en otras los 15 lantánidos más el itrio y en otras los 15 lantánidos más el itrio y el escandio. Aquí nos inclinaremos por la última opción, la cual considera que son los 17 elementos químicos mencionados en último lugar y que es la aceptada por la International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC)11. Son varias las razones que justifican que itrio y escandio se incluyan en las tierras raras junto con los lantánidos: que están en el mismo grupo del sistema periódico, que presentan el estado de oxidación trivalente como el más estable y que poseen un radio iónico semejante al de los lantánidos. Todo ello les confiere propiedades químicas similares, por lo que es frecuente (sobre todo en el caso del itrio) encontrarlos en los mismos minerales que los lantánidos y explica también que hayan estado ligados históricamente a ellos. Es decir: • Los 15 lantánidos comprendidos entre los números atómicos 57 (lantano) y 71 (lutecio): lantano (La, 57), cerio (Ce,58), praseodimio (Pr,59), neodimio (Nd, 60), prometio (Pm, 61), samario (Sm, 62), europio (Eu, 63), gadolinio (Gd, 64), terbio (Tb, 65), disprosio (Dy, 66), holmio (Ho, 67), erbio (Er, 68), tulio (Tm, 69), iterbio (Yb, 70) y lutecio (Lu, 71). • Junto con el escandio (Sc, 21), y el itrio (Y, 39). Prof. Enrique Montero Cátedra RELEC Universidad de Cádiz 28 La crisis de las tierras raras Un testimonio de la irracionalidad de nuestro modelo económico La tabla periódica que se muestra en la figura es común en la comunidad científica dedicada al estudio de las tierras raras12. En ella no figuran los lantánidos en un apéndice de la misma como ocurre en la tabla periódica normal. El estado de oxidaciónx más común de los elementos de las tierras raras es el trivalente, aunque varios elementos pueden presentar, además, estados de oxidación divalentes (Sm2+, Eu2+, Tb2+) o tetravalentes (Ce4+, Pr4+, Nd4+, Tb4+). Estos otros estados de oxidación se muestran fuera, en el interior de cuadrados con fondo negro. Todos los elementos de las tierras raras se encuentran presentes en la naturaleza, aunque del prometio solo se detectan ultratrazas. Lo primero que sorprende al comenzar a estudiar las tierras raras es su misma denominación: las llamadas tierras raras ni son tierras (es decir, no presentan aspecto terroso), ni son raras (en la corteza terrestre). No son “tierras” Como indicamos, cuando a finales del siglo XVIII se envió una muestra de iterbita al profesor finlandés Johan Gadolin, éste aisló de la misma un óxido que denominó yttria, que era óxido de itrio. Todos los elementos de las tierras raras se obtuvieron previamente (y se obtienen) en forma de óxidos; los metales no se aislaron hasta tiempo después. Ocurre que en aquella época los óxidos metálicos (además de ser considerados como elementos) eran generalmente denominados “tierras”. Y hasta nuestros días se ha seguido manteniendo la denominación de “tierras”. Pero los metales de las tierras raras, como metales que son, no presentan en ningún caso aspecto terroso, sino metálico. x El estado de oxidación podemos definirlo como el número entero que representa el número de electrones que un átomo recibe (signo menos) o que pone a disposición de otros (signo más) cuando forma un compuesto determinado. Prof. Enrique Montero Cátedra RELEC Universidad de Cádiz 29 La crisis de las tierras raras Un testimonio de la irracionalidad de nuestro modelo económico No son raras (en la corteza terrestrexi) Si consideramos nuestro planeta, la Tierra, en su totalidad, e incluso el sistema solar, las tierras raras sí que tienen bien merecida la denominación de raras: 12 de los 20 elementos estables más raros del sistema solar pertenecen a las tierras raras13. Ahora bien, en la corteza terrestre, estos elementos no tienen justificada la denominación de raros, ya que precisamente en ella no son de los más escasos. Así, por ejemplo, el cerio, el elemento más abundante de todos los que integran las tierras raras, es más abundante en la corteza terrestre que el cobre, ocupando el puesto 25 entre los 78 elementos estables y comunes. Del mismo modo, el lantano y el neodimio son más abundantes que el plomo, que el níquel o que el cobalto. Incluso los dos elementos más escasos, que son el tulio y el lutecio, son más abundantes que el platino o la plata y casi 200 veces más que el oro. En la figura siguiente se representa la abundancia de diversos elementos presentes en la corteza terrestre por cada millón de átomos de silicio en la misma14. Obsérvese que los átomos de los elementos de las tierras raras (en azul) son más abundantes en la corteza terrestre que muchos otros elementos. (Fuente: Rare Earth Elements – Critical resources for high technology, U.S. Geological Survey Fact Sheet 087-02, 4 p., 2005, Haxel, Gordon B., Hedrick, James B., and Orris, Grdeeta J.) xi Capa superficial sólida de la tierra Prof. Enrique Montero Cátedra RELEC Universidad de Cádiz 30 La crisis de las tierras raras Un testimonio de la irracionalidad de nuestro modelo económico Los más abundantes son el escandio, el cerio, el itrio, el lantano y el neodimio. Tanto como lo son metales tan comunes como el cromo, el níquel, el zinc, el molibdeno, el estaño, el wolframio o el plomo. En la tabla se muestra la abundancia de los elementos de las tierras raras en la parte superior de la corteza terrestre, en partes por millón (ppm). Actualmente se conocen más de 200 minerales que contienen tierras raras, estando estimadas las reservas mundiales de los óxidos en alrededor de 100 millones de toneladas. Entonces, si son relativamente abundantes en la corteza terrestre, que es donde vivimos, ¿por qué se las denomina “raras”? La razón es porque: están muy dispersas en la corteza terrestre. se encuentran normalmente en concentraciones muy bajas: mucho menos concentradas que los metales con cuya abundancia los acabamos de comparar (de unas decenas a unos centenares de partes por millón en peso). Debido a ello, originalmente a estas tierras se las calificó como “raras”, denominación que se ha mantenido hasta nuestros días, si bien actualmente, se suele aplicar a los elementos más que a sus óxidos. Las razones expuestas explican también, en parte, la dificultad y complejidad de minería de las tierras raras y su costosa obtención, tal como expondremos más adelante. Prof. Enrique Montero Cátedra RELEC Universidad de Cádiz 31 La crisis de las tierras raras Un testimonio de la irracionalidad de nuestro modelo económico Propiedades físicas y químicas ¿Por qué incluir en un trabajo como éste, de carácter divulgativo, las propiedades físicas y químicas de los elementos de las tierras raras? La razón es que solo a partir de un conocimiento, aunque sea básico, de sus especiales propiedades es posible comprender su comportamiento, su importancia, así como la dificultad (o imposibilidad) de sustituirlos por otros elementos.. Y, como no podía ser de otro modo, tanto las propiedades físicas como las químicas de los elementos de las tierras raras están íntimamente relacionadas con sus configuraciones electrónicasxii. Los lantánidos poseen configuraciones electrónicas únicas, lo cual explica sus especiales e irrepetibles características, que los hace insustituibles en multitud de aplicaciones. Indudablemente, existe una dificultad: para describir con rigor las configuraciones electrónicas de los elementos, es preciso recurrir a principios físicos de mecánica cuántica, familiares sólo a aquellos que poseen formación científica en este campo. La mecánica cuántica, que estudia el mundo atómico, es extraordinariamente compleja. No es modelizable, es decir, no puede ser explicada recurriendo a analogías con el mundo real. Tampoco puede ser explicada con el lenguaje ordinario; solo es abordable mediante el lenguaje de las matemáticas. Paul Dirac, uno de los más grandes físicos del pasado siglo escribía al respecto: «Las nuevas teorías están formadas por conceptos físicos que no pueden explicarse en términos de cosas previamente conocidas por el estudiante, que ni siquiera pueden ser explicadas adecuadamente con palabras». Ahora bien, para quienes deseen solamente una comprensión aproximada de la naturaleza del mundo atómico, es posible explicar las configuraciones electrónicas y algunas de las características que se deducen de ellas de una manera sencilla, aunque aproximada, mediante el recurso a analogías. Así, podemos establecer una analogía entre la estructura del átomo y la del sistema solar. Según ésta, el núcleo atómico se situaría en el centro del átomo (en el lugar que ocupa el sol en el sistema solar), y los electrones en diferentes orbitales alrededor de dicho núcleo (tal como ocurre con los planetas que se mueven en diferentes órbitas en torno al sol). xii Se denomina configuración electrónica de un átomo a la distribución de los electrones en los diferentes orbitales del mismo. Prof. Enrique Montero Cátedra RELEC Universidad de Cádiz 32 La crisis de las tierras raras Un testimonio de la irracionalidad de nuestro modelo económico Una diferencia importante es que mientras que en el sistema solar hay solo ocho órbitas, correspondientes a los ocho planetasxiii, en los átomos plurielectrónicos son muchos los orbitales existentes, los cuales pueden (o no) estar ocupados por electrones. También, aunque hemos identificado órbitas con orbitales, tienen significados muy diferentes. Una órbita es la trayectoria precisa que sigue un planeta, por lo que en un momento dado es posible conocer su posición. Esto no es así en el caso de los orbitales, pues éstos definen regiones del espacio en las que pueden encontrarse los electrones, pero sin que podamos saber con precisión el lugar exacto donde se encuentran. Recordemos que unos átomos se distinguen de otros por el número de electrones que poseen en sus orbitales (igual al número de protones en su núcleo). Número denominado número atómico. Un átomo dado se corresponde con la estructura del átomo de número atómico inferior, adicionándole un protón en su núcleo y un electrón en sus orbitales. Así, el átomo de hidrógeno (número atómico 1) tiene un solo electrón alrededor de su núcleo, el de helio (número atómico 2) dos electrones, el de litio (número atómico 3) 3 electrones, etc. Capas o niveles energéticos Los orbitales de un átomo se agrupan en diferentes capas o niveles energéticos. Las distintas capas se designan con las letras mayúsculas K, L, M, N,… Cada una de ellas agrupa un diferente número de orbitales, de acuerdo a la expresión 2·n2 (para n=1, 2, 3,…). Es decir, tal como se muestra en la tabla siguiente, el nivel K está constituido por dos orbitales que pueden contener dos electrones (= 2 · 12), el nivel L ocho orbitales (hasta 8 electrones: 2 · 22), el nivel M dieciocho orbitales (hasta 18 electrones: 2 · 32), etc. La capa K es la más próxima al núcleo atómico, le sigue la L, a continuación la M, después la N, etc. xiii Recordemos que desde el año 2006 Plutón no es considerado un planeta. Prof. Enrique Montero Cátedra RELEC Universidad de Cádiz 33 La crisis de las tierras raras Un testimonio de la irracionalidad de nuestro modelo económico Orbitales o subniveles energéticos Como hemos comentado, en cada capa o nivel de energía, existen diferentes orbitales electrónicos, que son los únicos lugares del espacio en los que en los que pueden encontrarse los electrones. Los diferentes tipos de orbitales se designan con las letras minúsculas s, p, d, f, g y h. Respectivamente, pueden contener, como máximo, 2, 6, 10, 14, 18 y 22 electrones respectivamente, según se muestra en la tabla. CAPA o NIVEL K L M N 0 P Q Número de electrones posibles 2 en cada capa 8 18 32 50 72 8 s s p s p ORBITAL Número de electrones posibles 2 2 6 2 en cada orbital d s 6 10 2 p d f s 6 10 14 2 p d f g s p d f g h s p 6 10 14 18 2 6 10 14 18 22 2 6 Nota La notación que se utiliza es la siguiente: el número que precede a la letra (s, p, d ó f) del orbital, corresponde a la capa a la que pertenece el orbital (capa K = 1, capa L = 2, capa M = 3, capa N = 4, etc.), y el exponente de la letra es el número de electrones que hay en dicho orbital. Dentro de cada capa, los subniveles seguirán el mismo orden mencionado en cuanto a su alejamiento del núcleo atómico: s, p, d, f, g y h. Es decir, el subnivel s será el más próximo al núcleo, el p (cuando exista) estará más alejado, a continuación el d (también cuando exista) y así sucesivamente. Prof. Enrique Montero Cátedra RELEC Universidad de Cádiz 34 La crisis de las tierras raras Un testimonio de la irracionalidad de nuestro modelo económico Los diferentes tipos de orbitales atómicos tienen formas diferentes. Todos los orbitales s son esféricos. En los orbitales s los electrones tienen la misma probabilidad de ser encontrados en cualquier dirección y a cualquier distancia del centro atómico. Los tres orbitales p tienen una forma similar a una pesa de gimnasia, con una región delgada y estrecha. Los cinco orbitales d y los siete orbitales f tienen las formas que se muestran en las figuras siguientes. Independientemente de su forma, un orbital sólo puede contener un máximo de dos electrones Puesto que las formas de los orbitales son tan complejas, para representar la configuración electrónica de los átomos se suele recurrir a diagramas orbitales simplificados: cuadrados o círculos, en el interior de los cuales se incluyen una o dos flechas que corresponden al espínxiv o espines del electrón o de los electrones del orbital. Debemos tener en cuenta que en el caso de que en un mismo orbital existan dos electrones, el sentido del espín de uno debe diferir del sentido del otro, lo cual convencionalmente se indica con flechas de sentidos opuestos. A estos electrones se les llama electrones apareados. En un mismo orbital no pueden existir dos electrones que tengan los espines del mismo sentido. Cuando en un orbital haya solo un electrón, independientemente de cuál sea el sentido de su espín, a este electrón se le llamará electrón desapareado. xiv Es espín es, en mecánica cuántica, una propiedad de partículas como los electrones, relacionada con el hecho de que se comportan como si estuvieran sometidas a un movimiento de rotación, sobre ellas mismas, dando origen de este modo a un momento angular, denominado espín. Prof. Enrique Montero Cátedra RELEC Universidad de Cádiz 35 La crisis de las tierras raras Un testimonio de la irracionalidad de nuestro modelo económico Precisamente, muchas de las especiales propiedades de los elemento de las tierras raras son debidas a la presencia en ellos de electrones desapareados. Las relevantes propiedades magnéticas de los elementos de las tierras raras se deben a la presencia de electrones desapareados en la capa 4f. Criterio de ocupación de los orbitales por los electrones Los átomos tienden a conseguir máxima estabilidad. Ésta se logra con una distribución adecuada de los electrones en los orbitales. En los átomos de menores números atómicos esta estabilidad implica que la secuencia de ocupación de los orbitales por parte de los electrones sea tal que éstos vayan ocupando sucesivamente los orbitales comenzando por los más próximos al núcleo atómico y alejándose progresivamente de éste. Cada electrón adicional que se incorpore para el elemento de siguiente número atómico lo hará, pues, en un orbital cuya distancia al núcleo será a mayor que la distancia del orbital que ocupó el electrón anterior y menor que la de cualquiera de los orbitales restantes. Ahora bien, esta regla se deja de cumplir muy pronto, a partir de los primeros elementos. En efecto, en muchos de los elementos de números atómicos más elevados la ocupación de los orbitales por parte de los electrones ya no se hace siguiendo el criterio de menor a mayor distancia al núcleo atómico, sino que en muchos casos se ocupan capas más externas, mientras que algunas de las más internas permanecen total o parcialmente desocupadas. Tal ocurre en los lantánidos, lo cual explica algunas de sus propiedades. En ellos los electrones ocupan los orbitales 5p y 6s antes que el orbital 4f, más interno, que permanece o desocupado o solo parcialmente ocupado. Como consecuencia, los orbitales más externos 5p y 6s, (pertenecientes a los capas O y P, respectivamente), apantallan al orbital 4f, más interno. Prof. Enrique Montero Cátedra RELEC Universidad de Cádiz 36 La crisis de las tierras raras Un testimonio de la irracionalidad de nuestro modelo económico Analicemos la configuración electrónica del lantano, número atómico 57: 57 Lantano (La): 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p6 4d10 5s2 5p6 5d1 6s2 Observemos que mientras que quedan sin ocupar todos los orbitales 4f de la capa N, los orbitales s y p están totalmente ocupados y parcialmente ocupado el orbital d, todos ellos pertenecientes al nivel O, nivel más exterior que el N. Y no solo eso, sino que también se encuentra totalmente ocupado el orbital s de la capa P, aún más externa. En consecuencia, nos encontramos con un orbital interior, el 4f, totalmente desocupado, rodeado de varios orbitales más externos ocupados por electrones (algunos de estos orbitales totalmente llenos). ¿Qué ocurrirá en el caso del siguiente lantánido, el cerio, número atómico 58? ¿En qué orbital se situará el electrón adicional que se incorporará? Bien, pues este electrón ahora si se incorpora en el orbital 4f, más interno que los orbitales 5s, 5p o 6s. Y en cuanto al resto de los lantánidos, de crecientes números atómicos, los electrones que se van incorporando lo van haciendo, uno tras otro en dicha capa interna 4f, tal como se muestra en la tabla de la página siguiente. Prof. Enrique Montero Cátedra RELEC Universidad de Cádiz 37 CAPA / ORBITAL Número atómico Elemento 21 Escandio ( Sc) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d1 4s2 39 Itrio (Y) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p6 4d1 5s2 57 Lantano (La) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p6 4d10 5s2 5p6 5d1 - 6s2 58 Cerio (Ce) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p6 4d10 4f1 5s2 5p6 5d1 - 6s2 59 Praseodimio (Pr) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p6 4d10 4f3 5s2 5p6 - - 6s2 60 Neodimio (Nd) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p6 4d10 4f4 5s2 5p6 - - 6s2 61 Promecio (Pm) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p6 4d10 4f5 5s2 5p6 - - 6s2 62 Samario (Sm) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p6 4d10 4f6 5s2 5p6 - - 6s2 63 Europio (Eu) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p6 4d10 4f7 5s2 5p6 - - 6s2 64 Gadolinio (Gd) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p6 4d10 4f7 5s2 5p6 5d1 - 6s2 65 Terbio (Tb) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p6 4d10 4f9 5s2 5p6 - - 6s2 66 Disprosio (Dy) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p6 4d10 4f10 5s2 5p6 - - 6s2 67 Holmio (Ho) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p6 4d10 4f11 5s2 5p6 - - 6s2 68 Erbio (Er) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p6 4d10 4f12 5s2 5p6 - - 6s2 69 Tulio (Tm) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p6 4d10 4f13 5s2 5p6 - - 6s2 70 Iterbio (Yb) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p6 4d10 4f14 5s2 5p6 - - 6s2 71 Lutecio (Lu) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p6 4d10 4f14 5s2 5p6 5d1 - 6s2 K L M N O P Fuente: elaboración propia Prof. Enrique Montero Cátedra RELEC Universidad de Cádiz 38 Los electrones responsables de las propiedades de los iones lantánidos son los electrones de los orbitales 4f, los cuales se encuentran protegidos muy efectivamente de la influencias del exterior por los orbitales más externos 5s2, 5p6 y 6s2. En consecuencia, los estados de las diversas configuraciones 4fn sólo se ven afectados muy ligeramente por el medio que rodea a los iones. Observemos también como desde el cerio al gadolinio, la totalidad de los electrones de dicha capa 4f son electrones desapareados. Y que los siguientes elementos -hasta el tulio- también poseen electrones desapareados. En cuanto a sus propiedades físicas, lo más destacado de los elementos de las tierras raras son sus excepcionales propiedades magnéticas y ópticas. • Poseen configuraciones electrónicas muy especiales, lo que hace que sean prácticamente insustituibles en multitud de aplicaciones. • Se distinguen e identifican por el número de electrones que tienen en la subcapa 4f, subcapa relativamente superficial pero interna, la cual puede admitir hasta 14 electrones. • El origen del fuerte magnetismo de los átomos de los elementos de las tierras raras se debe casi completamente a la contribución de los electrones desapareados de la capa 4f, cuyos momentos magnéticos no solo no se cancelan entre sí, sino que se alinean con los campos exteriores, reforzándolos. Las diferencias en el comportamiento magnético entre ellos se explica por las diferencias en el número de electrones 4f que poseen. • La subcapa 4f se encuentra parcialmente apantallada por las subcapas más externas y completas 5s, 5p y 6s, como consecuencia de lo cual se reducen los posibles efectos de los demás iones del sólido sobre dichos orbitales 4f. Este apantallamiento permite que el acoplamiento spin-orbita sea más fuerte que los efectos de los campos eléctricos inhomogéneos procedentes de otros iones del cristal. • Estos elementos, al ser excitados, dan lugar a transiciones entre los orbitales 4f con unas líneas de emisión muy nítidas, ya que el mencionado apantallamiento protege muy efectivamente de influencias externas procedentes del medio circundante, siendo despreciables las interacciones con átomos vecinos. Prof. Enrique Montero Cátedra RELEC Universidad de Cádiz 39 La crisis de las tierras raras Un testimonio de la irracionalidad de nuestro modelo económico Respecto a sus propiedades químicas, la singularidad más destacada de las tierras raras es que todos sus elementos presentan un comportamiento químico extraordinariamente similar entre sí. El comportamiento químico de los elementos viene determinado por la estructura de sus capas más externas ya que, lógicamente, son éstas las que sirven a los átomos para establecer enlaces con otros átomos. Pues bien, a partir de esta consideración, es fácil entender el comportamiento químico tan similar de los distintos elementos de las tierras raras debido a la ya comentada casi idéntica distribución de sus electrones en los niveles más externos, O y P. Es precisamente esta estrecha analogía química lo que dificulta extraordinariamente la separación de unos elementos de las tierras raras de otros, a partir de los diferentes minerales en los que conjuntamente se encuentran. Los procesos de obtención de elementos puros son, en consecuencia, complicados y, por lo tanto, costosos. De hecho no fue hasta la década de los 40 del pasado siglo cuando se lograron desarrollar procesos rentables de purificación de los elementos de las tierras raras. También, como consecuencia de la gran similitud de sus propiedades químicas, en la larga historia de la tierra, estos elementos se han mantenido agrupados en determinadas rocas, incorporándose a ciertos minerales, tras eones de repetidos procesos de fusión y resolidificación, formación de montañas, erosión, exposición a vapores de agua e inmersión en el medio marino. La gran semejanza química de los distintos elementos de las tierras raras explica el hecho de que tiendan a encontrarse juntos en los mismos minerales, así como que la separación de dichos elementos se haga extraordinariamente difícil y también explica que se produjeran tantos descubrimientos falsos en lo que era simplemente mezcla de varios elementos. No existe mucha información sobre la toxicidad de las tierras raras, pero todo parece indicar que es baja o, en último caso, moderada: estos metales no son absorbidos por la piel, son mal absorbidos desde el tracto gastrointestinal y se absorben lentamente en los pulmones o tras ser inyectados. Prof. Enrique Montero Cátedra RELEC Universidad de Cádiz 40 La crisis de las tierras raras Un testimonio de la irracionalidad de nuestro modelo económico Tierras raras ligeras, pesadas y medias Desafortunadamente no existe un criterio universalmente aceptado en cuanto a la clasificación de las tierras raras. En efecto, no solo podemos encontrar ordenaciones que agrupan a dichos elementos tanto en dos como en tres categorías, sino que también ocurre que varían los elementos incluidos en cada una de estas categorías. En consecuencia, siempre se hace preciso conocer el criterio que se está utilizando. Tradicionalmente, basándose en el número atómico, los elementos de las tierras raras se han dividido, por lo general, en dos grupos15: tierras raras ligeras (Light Rare Earth Elements, LREE; números atómicos 57 a 63: La, Ce, Prxv, Nd, Pm, Sm y Eu) y tierras raras pesadas (Heavy Rare Earth Elements, HREE; números atómicos 64 a 71: Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb y Lu). TIERRAS RARAS LIGERAS La Ce Pr Nd Pmxi Sm TIERRAS RARAS PESADAS Eu Gd Tb Dy Sc Ho Er Tm Yb Lu Y Nota Aunque el itrio, de número atómico 39, es mucho más ligero que las tierras raras pesadas, normalmente se incluye en su mismo grupo debido a su comparable radio iónico y similares propiedades físicas y químicas, lo cual le hace estar presente en los mismos depósitos naturales. Por razones parecidas, el escandio se incluye en las tierras raras ligeras. Sin embargo, en ocasiones, se distinguen tres grupos en lugar de dos: tierras raras ligeras (Light Rare Earth Elements, LREE), tierras raras medias (Middle Rare Earth Elements, MREE) y tierras raras pesadas (Heavy Rare Earth Elements, HREE). En este caso, lo más común es el agrupamiento siguiente16: Tierras raras ligeras, LREE: lantano a neodimio Tierras raras medias, MREE: samario a holmio Tierras raras pesadas, HREE: erbio a lutecio TIERRAS RARAS LIGERAS La Ce Pr Nd TIERRAS RARAS MEDIAS Pm Sm Eu Gd Tb Dy TIERRAS RARAS PESADAS Ho Er Tm Yb Lu xv Normalmente el prometio no se considera ya que, recuérdese, es un elemento que ha de ser producido artificialmente en laboratorio, de él sólo se encuentran ultratrazas en materiales naturales y tampoco tiene isótopos estables de larga vida. Prof. Enrique Montero Cátedra RELEC Universidad de Cádiz 41 La crisis de las tierras raras Un testimonio de la irracionalidad de nuestro modelo económico Las tierras raras pesadas (HREE) son, por lo general (aunque no siempre), mucho más escasas que las ligeras (LREE). Así pues, la mayoría de los depósitos minerales de tierras raras están dominados, en términos de tonelaje, por la presencia de LREE. También, las HREE se presentan más frecuentemente en minerales que son más difíciles de procesar que los minerales, más comunes, más ricos en LREE. Prof. Enrique Montero Cátedra RELEC Universidad de Cádiz 42 La crisis de las tierras raras Un testimonio de la irracionalidad de nuestro modelo económico ¿De dónde se obtienen las tierras raras? Las rocas en las que se encuentran los minerales que contienen los elementos de las tierras raras son rocas ígneas, sedimentarias y metamórficas, las cuales se han enriquecido en elementos de las tierras raras mediante procesos primarios ígneos o hidrotermales o procesos secundarios sedimentarios. Para poder comprender dónde se localizan en la corteza terrestre estas rocas, trataremos brevemente los mencionados procesos mediante los cuales sus elementos se concentran en ciertos minerales. Sabemos que la corteza de la Tierra se ha generado a partir de procesos ígneos, es decir, aquellos en los que el magma (mezcla de rocas fundidas, volátiles y sólidos que se encuentran en el interior de la Tierra) se enfría y se solidifica. El enfriamiento del magma en la corteza da lugar a una serie de fases sucesivas de cristalización a temperaturas cada vez más bajas. A medida que la masa fundida del magma se va enfriando, van cristalizando minerales, es decir, se van formando minerales específicos para diferentes rangos de temperaturas, en un proceso denominado de cristalización fraccionada. Al cristalizar, los minerales que se van formando, van “descartando”, dejando aislados, sin combinarse, a determinados elementos en la fase fundida del magma (fase líquida). Estos elementos, que por su tamaño y/o carga presentan mayor dificultad para la formación de minerales, se denominan elementos incompatibles. Incompatibles significa, pues, que son elementos que tienen afinidad para permanecer en el material fundido. En consecuencia, a medida que el magma se va enfriando y se van formando diferentes minerales, el magma restante (es decir el que aún permanece en estado líquido) difiere cada vez más de la composición del magma original pues está enriquecido, lógicamente, en elementos incompatibles. Por esta razón, la corteza terrestre superficial es más rica en elementos incompatibles que las capas inferiores. La mayor parte de la corteza terrestre está constituida por silicatos; los minerales formadores de rocas se basan principalmente en un anión (carga negativa) concreto: el tetraedro de sílice SiO4-4. Diferentes cationes (carga positiva) de elementos tales como el magnesio, el hierro, el calcio, etc., presentan un alto grado de compatibilidad con el anión SiO4-4, por lo que se unen fácilmente a él formando minerales y, en consecuencia son separados del magma líquido en las fases iniciales del enfriamiento de éste. Prof. Enrique Montero Cátedra RELEC Universidad de Cádiz 43 La crisis de las tierras raras Un testimonio de la irracionalidad de nuestro modelo económico ¿Qué ocurre con los elementos de las tierras raras? Pues bien, tanto debido a sus tamaños como a sus inadecuados estados de valencia para formar minerales, la mayoría de los elementos de las tierras raras presentan un alto grado de incompatibilidad con la mayoría de los silicatos comunes. En consecuencia, van quedando aislados en la masa fundida durante la cristalización fraccionada a medida que, al enfriarse progresivamente el magma, van ocurriendo las sucesivas fases de cristalización de los diferentes minerales formados con elementos menos incompatibles que ellos. http://rareearthelements.us/ree_in_space Ilustración modificada de Wikimedia commons: http://en.wikipedia.org/wiki/File:Fractional_crystallization.svg Sólo en circunstancias poco comunes, y en unos pocos minerales de baja temperatura, (en rocas carbonáticas y fosfáticas), llegan los elementos de las tierras raras a formar minerales estables. No obstante, su incompatibilidad química con otros elementos hace que se incorporen con dificultad en las estructuras cristalinas de los minerales que forman las rocas. Por ello, más que incorporados a los mismos, lo más habitual es que estos elementos sean atrapados dentro de la roca en su conjunto por los minerales en crecimiento y queden distribuidos en silicatos en los que están presentes como una alteración de su red cristalina. Ésta es la forma en que la mayoría de los silicatos de las rocas de la corteza incorporan pequeñas cantidades de los elementos de las tierras raras. Así, al no integrarse en cantidades apreciables en los silicatos, permanecen dispersos en un amplio rango de tipos de rocas. Prof. Enrique Montero Cátedra RELEC Universidad de Cádiz 44 La crisis de las tierras raras Un testimonio de la irracionalidad de nuestro modelo económico Los elementos de las tierras raras ligeras son los de mayor radio iónico y los menos compatibles, mientras que los elementos de las tierras raras pesadas son los de menor radio iónicoxvi y los más compatibles. Esto explica, en partexvii, las diferencias de abundancia existentes entre los diferentes elementos constituyentes de las tierras raras en la corteza terrestre: los elementos de tierras raras ligeras (más incompatibles) se encuentran concentrados en mayor medida en la corteza terrestre que los de las tierras raras pesadas (más compatibles). En la mayoría de los yacimientos de minerales de tierras raras, los primeros cuatro elementos de tierras raras lantano, cerio, praseodimio, y neodimio- constituyen entre el 80% y el 99% del total de metales de tierras raras presentes en el mineral. Un proceso geológico mediante el cual, en ocasiones, se produce una concentración de elementos de las tierras raras a partir de rocas que los contienen se basa en el principio de que las rocas funden en el orden inverso al que cristalizan. Es decir, que los últimos minerales en formarse cuando el magma se enfría son los primeros en fundir cuando se calienta la roca. Los elementos incompatibles (como los de las tierras raras) en una roca, constituyen los eslabones más débiles en una estructura cristalina, y por lo tanto sus enlaces serán los primeros que se rompan si la temperatura se eleva. xvi Esto es debido a la denominada “contracción lantánida” que consiste en una significativa, progresiva y gradual disminución en el tamaño de los átomos e iones de los lántánidos con el aumento de su número atómico. En consecuencia, el lantano tiene el mayor tamaño y el lutecio el menor. Este hecho tiene ciertos efectos importantes sobre sus propiedades, como la que aquí mencionamos de su mayor o menor compatibilidad. Como regla general, los volúmenes de los átomos aumentan a medida que se incorporan capas electrónicas. La contracción lantánida se debe a lo siguiente: en un átomo con muchos electrones, los electrones externos son, simultáneamente, atraídos al núcleo (con carga positiva), y repelidos por los electrones de los subniveles más internos (cargas negativas). Debido a las características direccionales de los subniveles 4f, éstos tienen muy poca capacidad de apantallamiento, de las capas más externas. En consecuencia, las repulsiones que los electrones que se van añadiendo a 4f a lo largo de toda la serie lantánida ejercen sobre los subniveles más externos (5s, 5p y 6s) no pueden compensar el aumento de la atracción debida al incremento de la carga positiva en los núcleos a medida que se incrementa el número atómico y, debido a ello, las nubes electrónicas se contraen y los átomos se van haciendo más “compactos” de izquierda a derecha a lo largo del periodo; desde el lantano al lutecio. xvii Otra razón es la nuclear: los elementos de tierras raras con números atómicos pares (Ce (58), Nd (60), etc.) presentan abundancias cósmicas y terrestres mayores que los elementos de tierras raras vecinos con números atómicos impares (La (57), Pr (59), etc.). Prof. Enrique Montero Cátedra RELEC Universidad de Cádiz 45 La crisis de las tierras raras Un testimonio de la irracionalidad de nuestro modelo económico Así, si tiene lugar algún proceso geológico a elevada temperatura en rocas que contengan elementos de las tierras raras, estos elementos se liberarán, enriquecerán selectivamente el fluido resultante y darán lugar a una mayor concentración de los mismos en las rocas de más baja temperatura de fusión que se formenxviii. Fuente: Rare Earth Elements - A key to understanding geological sorting processes in the solar system http://rareearthelements.us/ree_in_space Ilustración modificada de: http://www.nvcc.edu/home/cbentley/105/billy_goat_trip.htm xviii El escandio, aunque se considera un elemento de las tierras raras, por poseer un radio iónico menor que el lutecio (el lantánido de menor radio iónico) no sigue al resto de los elementos de las tierras raras en las sucesivas transformaciones geológicas y, por ello, no se encuentra en los mismos minerales en los que se encuentra el resto. Prof. Enrique Montero Cátedra RELEC Universidad de Cádiz 46 La crisis de las tierras raras Un testimonio de la irracionalidad de nuestro modelo económico Minerales que contienen tierras raras Actualmente se conocen alrededor de 200 minerales que contienen elementos de las tierras raras, aunque solamente un número relativamente pequeño de ellos son menas cuyo tratamiento resulta rentable para la obtención de dichos elementos. Advirtamos que los elementos de las tierras raras no se presentan nunca en la naturaleza como elementos metálicos sino que lo hacen, en una amplia variedad de minerales, como haluros, carbonatos, óxidos y fosfatos. Generalmente las tierras raras no se extraen en minas específicas para alguno de estos elementos. Por el contrario, se suelen obtener como coproductos o productos secundarios de otros elementos que tienen aplicaciones, uso, precios y demanda del mercado totalmente diferentes. Tal es el caso de algunos minerales de hierro que contienen tierras raras de diferentes composiciones y concentraciones. Esto hace que el suministro de los elementos de las tierra raras sea parcial o totalmente independiente de sus niveles de demanda o de su precio17. El impacto de la coproducción en la dinámica del mercado es, pues, función del precio de los coproductos, de su abundancia en el mineral, así como de los costes de separación y refinado de cada producto. Por ejemplo, el hierro que se produce como producto primario en las minas de Baotou (China), es menos valioso en peso que las tierras raras, que son subproductos. El hierro se separa más fácilmente del mineral y se procesa con menos problemas para convertirlo en un producto comercializable. En otras minas la mayor parte de los ingresos provienen de la extracción de producto primario, por lo que se ignoran las consideraciones relativas a los metales minoritarios y, en consecuencia, las decisiones operacionales se toman basándose fundamentalmente en el precio y en la demanda del producto primario. La mayor parte de los elementos de las tierras raras se encuentran principalmente en tres minerales (bastnasita, monacita, y xenotima), en menor cantidad en otros (loparita y apatito) y en arcillas lateríticasxix. xix Las arcillas lateríticas son arcillas características de las regiones tropicales, de color rojizo o amarillento por el óxido de hierro que contienen (junto a hidróxido de aluminio) y que se han generado a partir de procesos de meteorización y alteración de rocas alumínicas. Prof. Enrique Montero Cátedra RELEC Universidad de Cádiz 47 La crisis de las tierras raras Un testimonio de la irracionalidad de nuestro modelo económico La tabla siguiente muestra algunos de los principales minerales que contienen tierras raras, su composición, algunos países donde existen yacimientos, así como el porcentaje máximo de óxidos de elementos de tierras raras (REO, Rare Earth Oxides) que pueden encontrarse en ellos. Dado que las tierras raras son frecuentemente separadas y vendidas en forma de óxidos, es habitual exponer la riqueza de los yacimientos en términos de óxidos de tierras raras en lugar de como elementos (REE: Rare Earth Elements). Monacita y bastnasita son las principales fuentes de tierras raras ligeras, principalmente Ce, La y Nd. La monacita, al igual que la bastnasita, tiene un contenido mayoritario de las tierras raras ligeras. Ahora bien, la monacita contiene menos La, más Nd y más tierras raras pesadas que la bastnasita. Prof. Enrique Montero Cátedra RELEC Universidad de Cádiz 48 La crisis de las tierras raras Un testimonio de la irracionalidad de nuestro modelo económico La monacita, que es el mineral más abundante, contiene en ocasiones y en cantidades variables, torio y también uranio, que son elementos radiactivos. Ello complica considerablemente su extracción, procesamiento así como la gestión de los residuos18. La xenotima contiene sobre todo tierras raras pesadas, incluyendo itrio, disprosio, erbio, iterbio y holmio. El yacimiento más importante se encuentra en Guangdong (China). Este mineral tiene un alto contenido en torio y uranio, por lo que presenta una alta radiactividad. En algunos casos, un alto contenido en elementos radiactivos llega impedir la explotación de un yacimiento, como es el caso de algunos yacimientos de monacita en China y uno de xenotima en Malasia19. En los años ochenta del siglo pasado se comenzaron a explotar las arcillas lateríticas del sudeste de China, las cuales contienen alrededor de un 0,2% de tierras raras bajo la forma de iones adsorbidos. Algunas de estas arcillas son ricas en itrio, mientras que otras son ricas en neodimio y lantanoxx. xx El significado de las siglas IAT de las figuras es Ion Adsorption Type (IAT), es decir arcillas del tipo de iones adsorbidos. Prof. Enrique Montero Cátedra RELEC Universidad de Cádiz 49 La crisis de las tierras raras Un testimonio de la irracionalidad de nuestro modelo económico El escandio está presente en más de 800 minerales, lo cual se explica porque la similitud de radio iónico y electronegatividad del Sc3+ con cationes muy abundantes en la naturaleza, tales como el Fe2+, Zr4+ ó Mg2+, justifica la facilidad que posee para remplazarlos. Por ello, existen pocos minerales ricos en escandio; solo existe un mineral en el que el escandio es mayoritario, la thorveita, que se obtiene como subproducto del procesado de la davidita, mineral del que se extrae uranio. Por estas razones es un metal escaso y caro. Prof. Enrique Montero Cátedra RELEC Universidad de Cádiz 50 La crisis de las tierras raras Un testimonio de la irracionalidad de nuestro modelo económico REFERENCIAS Prof. Enrique Montero Cátedra RELEC Universidad de Cádiz 51 La crisis de las tierras raras Un testimonio de la irracionalidad de nuestro modelo económico REFERENCIAS 1 https://www.youtube.com/watch?v=sTm4joZm3iA&feature=related https://www.youtube.com/watch?v=7t1Z7CuFWxI 2 http://www.voanews.com/english/news/Japan-to-Release-Chinese-Trawler-Captain-Involved-in-Boat-Collision-103705774.html 3 Rare and Foolish, Paul Krugman, The New York Times, October 17, 2010 http://www.nytimes.com/2010/10/18/opinion/18krugman.html 4 Tierras raras: materiales avanzados, R. 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Geochimica et Cosmochimica Acta 53, 197-214. 14 Rare Earth Elements – Critical resources for high technology: U.S. Geological Survey Fact Sheet 087-02, 4 p., Haxel, Gordon B., Hedrick, James B., and Orris, Grdeeta J. , 2005 15 The Principal Rare Earth Elements Deposits of the United States—A Summary of Domestic Deposits and a Global Perspective, U.S. Department of the Interior, U.S. Geological Survey, 2010, http://pubs.usgs.gov/sir/2010/5220/ Prof. Enrique Montero Cátedra RELEC Universidad de Cádiz 52 La crisis de las tierras raras Un testimonio de la irracionalidad de nuestro modelo económico 16 Geochemistry of Rare Earth Elements in the Ocean, A.V. Dubinin, Lithology and Mineral Resources, Vol. 39, No. 4, 2004, 289-307 (http://resources.metapress.com/pdf-preview.axd?code=r18384g017603454&size=largest) http://www.navigatorresources.com.au/Projects/Cummins-Range-%28REE%29/What-are-Rare-Earths 17 Critical Materials Strategy, U.S. Department of Energy, December 2010 18 Handling and Management of Thorium and Uranium in Mining and Processing of Rare Earth Minerals, White Paper, Rare Earth Industry and Technology Association, April 2012 http://www.reitaglobal.org/storage/REITA%20Th%20White%20Paper%20-%20final%20-%204-20-12.pdf 19 Builder of Rare Earth Plant in Malaysia Counters Complaints, The New York Times, Liz Gooch and Keith Bradsher, April 19, 2012 Prof. Enrique Montero Cátedra RELEC Universidad de Cádiz 53