Terres estranyes

1990/11/01 Barrenetxea, Tere - Elhuyar Fundazioa Iturria: Elhuyar aldizkaria

• Kimika

Es denominen terres estranyes als 17 metalls situats entre elements químics de nombre atòmic 21 i 71, així com als compostos que els produeixen.

Aquests disset elements són: Tres elements del grup III b [Escandi (Sc), Itri (I) i Lantani (La)] i la primera de les dues sèries, comunament denominades lantànid, que s'escriuen fora de la taula periòdica, composta per 14 elements. El nom de lantànid es deu a la seva descendència. La sèrie de lantànids es compon de: Ceri (Ce), Praseodimi (Pr), Neodimi (Nd), Prometio (Pm), Samari (Sm), Europi (Eu), Gadolini (Gd), Terbi (Tb), Disprosión (Dy), Holmi (Ho), Blutitorio (Blu).

Història

Nom de terra estranya, XVIII. Des del segle XX, data en la qual es van realitzar els primers descobriments sobre aquests metalls. La proporció d'aquests metalls era mínima en aquells minerals dels estudis inicials. Davant aquesta escassetat, aquests investigadors van creure que eren molt estranys en la superfície terrestre. Posteriorment s'ha pogut comprovar que estaven equivocats. El ceri, el lantani i el neodimi són més abundants en la superfície terrestre que el plom. L'itri és més comú que l'estany i l'escorça terrestre és tan rica en tulis com en iodes.

La història científica d'aquests elements és molt turbulenta. La recerca de molts anys de duresa, mescla i pas a pas després del coneixement acumulat fins a l'actualitat. Entre el primer descobriment d'un element d'aquesta família i l'últim a aïllar van passar 144 anys. Va trigar mig segle a descobrir que el didimio era una mescla de neodimi i praseodimi.

La llarga història de la recerca sobre terres estranyes va néixer en 1794. Aquest any el químic finlandès Johann Gadolin va aïllar el primer òxid de la família de terres estranyes. Va aïllar l'òxid d'una terra estranya d'un mineral obtingut en el municipi suec de Ytterby. Ell creia que tenia un element nou que va batejar com iterbita. Finalment, resumint, es va dir itria.

Anys després, en 1803, investigadors com Martin Heinrich Klaproth o els famosos Jöns Jacob Berzelius, van aïllar alhora una altra terra estranya, també òxid. Se li va donar el nom de Zeria en honor al recentment descobert asteroide Zere. Això també va ser un element pur. En 1808 Sir Humphry Davy va demostrar que les terres estranyes descobertes fins llavors no eren elements, sinó combinacions entre elements metàl·lics i oxigen. Als metalls que aportaven òxids de cería i itria se'ls van denominar ceri i itri.

Al llarg de quaranta anys es va considerar que la itria i la cería, és a dir, les que es consideraven òxids d'itri i de ceri, estaven químicament ben definides. Però realment eren mescles d'òxids de terres estranyes. En 1840 el mineralogista suec Carl Gustav Mosander va aconseguir finalment la divisió de la itria i la cería en terres estranyes. Aquest va ser el descobriment que va obrir la porta al camí cap a l'aïllament de tota la successió de terres estranyes.

En els anys posteriors es van realitzar nombroses recerques, però difícilment es podia avançar. Es van crear grans confusions entorn de certs descobriments, i amb la finalitat d'aclarir si aquests eren elements purs o confusions, es van realitzar nombroses publicacions. Els noms dels elements també canviaven de laboratori a laboratori.

En 1869, quan el químic rus Dimitri Ivanovitx Mendeleiev va proposar la taula periòdica, va preveure la necessitat de deixar un buit per a l'escándo. En 1871 també preveu algunes característiques d'aquest element. Quan en 1879 es va descobrir l'esquandio i es va informar de les seves característiques es va observar que s'ajustaven al que es preveu per MendeleiEV. Aquest fet va provocar que la taula de Mendeleiev fos acceptada entre els científics.

Les recerques van prosseguir amb duresa, la qual cosa va permetre aïllar la luteci en 1907, últim element de la sèrie.

Però la veritat és que l'element prometio no es va aïllar fins molt més tard. Quan Henry Moseley va assignar a cada element de la Taula periòdica un nombre atòmic, es va poder conèixer exactament on estaven els forats lliures. Fins als anys 1913-14 i Moseley va descobrir que els lantànids només podien ser 14 (des del cel fins a la lutecia) i que el nombre atòmic 61 era l'únic que encara estava per descobrir. No obstant això, no es va aïllar fins a 1947. Se'l va denominar Prometio.

Per què ha estat tan difícil identificar i aïllar aquests elements? La raó pot estar en el fet que aquests elements es troben en un mateix mineral i presenten característiques químiques molt similars. Per això han estat amagats durant tant de temps. El més lantànid és el grup d'elements amb característiques més similars. Analitzant un metall donat per pur en un descobriment amb les noves tècniques desenvolupades en els pròxims anys, en més d'una ocasió es va poder comprovar que era una mescla de dues o tres terres estranyes.

Un avantatge de tenir propietats químiques tan similars és que, en l'ús industrial, quan s'han d'aprofitar aquestes propietats, no val la pena una distribució molt fina. Aquesta distribució resulta necessària quan les característiques a aprofitar són característiques físiques.

Estructura electrònica

A continuació veurem com estan disposats els electrons d'aquests elements. Se sap que els electrons es disposen en capes al voltant del nucli de l'àtom. A cada capa li correspon un número quàntic n i per als lantànids n = 6. Cada capa té un determinat nombre d'electrons i aquests estan organitzats al seu torn en subcapas. Aquestes subcapas són "s", "p", "d" i "f".

A mesura que augmenta el nombre atòmic, el nombre d'electrons també augmenta. A l'estructura electrònica de l'element anterior se li afegirà un nou electró pel qual es relaciona a continuació. L'electró afegit no se situarà en qualsevol lloc. Una sèrie està formada pel conjunt d'elements que corresponen al nombre d'electrons necessaris fins a completar una subcapa en formació.

Els electrons més estables són els electrons "s" i "p", per la qual cosa tendeixen a situar-se en aquestes primeres subcapas. En finalitzar el cinquè període de la Taula periòdica, les subcapas 4s, 4p, 4d i 5s i 5p estan completes. El sisè període comença amb la incorporació de dues 6s electrons i el tercer va a l'orbital 5d formant l'element denominat lantani. El quart electró es dirigeix a la subcapa 4f, fins llavors buida. Atès que aquesta subcapa té capacitat per a 14 electrons, la sèrie està composta per 14 lantànids, des del zero fins al luteci.

L'itri i l'escandi que formen la família de les terres estranyes es troben en la mateixa columna de la taula periòdica en la qual es troba el lantani. Els electrons més superficials de l'escandi són dos electrons 4s i un electró 3d. En el cas de l'itri, els electrons 5s i 4d.

Primers usos de terres estranyes

El ceri va ser el primer que va guanyar fama i fama entre les terres estranyes i que en certa manera va provocar recerques fins a conèixer a tota la família.

El descobriment realitzat pel baró Auer von Welsbach en 1883 està en la base de l'interès que va suscitar el cel. El baró va publicar aquest any un nou mètode d'il·luminació. Welsbach van mullar un teixit en dissolució de sals de tori, ceri i altres terres estranyes. A continuació va descobrir que el teixit dóna llum brillant posant-lo en calor d'una flama de gas. Era un descobriment molt sorprenent per a aquesta època. Es tracta d'una característica que encara s'utilitza en l'actualitat, ja que és la manera de funcionament de la camisa refractària dels llums de gas del càmping.

Anys després, en 1903, el propi Auer von Welsbach va descobrir un altre ús de terres estranyes: la pedra mechera. El ceri és un piroforo, és a dir, té la facilitat d'inflamar-se espontàniament en l'aire i de treure espurnes fregant. El ceri va haver de ser aliat amb ferro per a usar-lo en pedres d'encenedor, de manera que no s'alimentava del foc. Aquest és el primer pas que es va donar per a utilitzar terres estranyes en metal·lúrgia.

Una característica comuna a aquests dos usos és que no requereixen elements de gran puresa. Per això, es van poder explotar industrialment en aquells temps en els quals els mètodes de distribució química per a aquests usos no estaven tan desenvolupats.

Usos industrials actuals

Metal·lúrgia

Entre 1960 i 1974 un aliatge denominat mischmetal, composta per lantanis, ceris i neodimis, va experimentar un espectacular auge en els processos de fosa i purificació de l'acer. A causa de l'afinitat d'aquest aliatge amb l'oxigen i el sofre, és adequada per al seu ús com a desoxidant i desulfurante. Millora les propietats anticorrosives.

En el ferro colat, els materials són més resistents, dúctils i per tant més fàcils de processar.

En l'actualitat es redueix l'ús d'aquest mischmetal en augmentar l'ús de compostos de calci en la desulfuració.

Reaccions catalitzades

Les terres estranyes estan molt esteses en reaccions químiques com la polimerització o la hidrogenació, que serveixen per a accelerar o modificar. Els lantànids rarament actuen com a autèntics catalitzadors, sent el seu paper assegurar l'estabilitat, activació i selectivitat del sistema catalític.

En el cracking del petroli, per exemple, s'utilitzen com a catalitzadors estructures cristal·lines denominades zeolites. Estan constituïts per silici i alumini i elements alcalins com a potassi i sodi. La substitució del sodi per una mescla de terres estranyes millora les característiques catalítiques i la vida efectiva de la zeolita.

Pot catalític de vehicles

Els catalitzadors s'utilitzen en el pot catalític per a estabilitzar, optimitzant el seu funcionament i allargant la seva vida. Els potes catalítics s'obtenen mitjançant l'aplicació de components actius (platí, pal·ladi i rodio) en una estructura similar a les cel·les d'abella formades per alumini i òxids de ceri o lantani. Als països amb legislació anticontaminació més exigent, l'ús del pot catalític és absolutament necessari, la qual cosa significa que es necessiten centenars de tones de terres estranyes anuals.

Vidre i ceràmica

La indústria del vidre i la ceràmica és un dels majors consumidors de terres estranyes. Les terres estranyes absorbeixen i emeten selectivament diverses longituds d'ona de l'espectre visible i ultraviolat. Per tant, els colors obtinguts són molt clars, molt definits i estables. Per això, les terres estranyes s'utilitzen com a colorants i fins i tot com luminoforos.

Encara que sembli el contrari, les terres estranyes també s'utilitzen per a obtenir vidre incolor. Afegint a un vidre vermell una estranya terra que absorbeix selectivament el vermell, s'obté un vidre incolor que reequilibra l'espectre de colors.

Els vidres amb terres estranyes suporten molt bé la llum solar, per la qual cosa s'utilitzen no sols per a finestres sinó també per a ulleres de sol.

Pantalla de TV en color

Com ja s'ha esmentat anteriorment, el primer ús industrial de l'òxid de ceri va ser l'encenedor de Welsbach, com diuen Auer, o uns altres. Sabem que el que està per sota d'aquest ús és una característica que es converteix en luminescent amb la calor. Aquest resultat era extremadament sorprenent en aquells temps, per la qual cosa va sorgir un gran interès entre científics i no científics sobre terres estranyes. Però ha estat necessari esperar fins a la dècada dels 60 per a poder donar valor a aquesta propietat física.

Per a llavors, tindrem en compte que per a la dècada dels 60 els mètodes de distribució química estaven molt més desenvolupats i va aparèixer una televisió de colors. Els luminoforos, és a dir, els aspectes sensibles del tub catòdic, a més de tenir una bona lluminositat i una llarga durada, han de donar un color molt ben definit. Atès que el vanadato de l'itri activat per Europa compleix aquests requisits, s'utilitza en pantalles de TV en color.

Aquestes són les característiques que justifiquen l'ús de l'europi en la il·luminació fluorescent.

Imants permanents

En 1969 els investigadors van descobrir que amb la introducció del samari en un aliatge de cobalt s'obtenia un imant durador extremadament poderós. Aquest imant és molt resistent a la desimantación i és 30 vegades més forta que els imants tradicionals i sis vegades més forta que les ferrites (els millors imants de l'hora).

Amb les terres estranyes es poden aconseguir imants molt més petits que tenen la mateixa força i així podem arribar al Walkman del ditxoso, tan conegut en l'actualitat. Els avantatges que ofereixen els imants de samari i cobalt són tan elevades que s'utilitzen en la majoria dels electroimants de motors de baixa i mitja potència, encara que el seu preu sigui molt elevat.

Amb l'objectiu de superar la barrera del preu, s'han realitzat més recerques i en 1983 s'ha detectat que els imants composts per ferboros i neodimis tenen les propietats adequades. D'aquesta forma es pot evitar l'ús d'un metall tan car com el samari. Aquest nou material no manté les seves característiques per sobre dels 300 °C (mentre que el samari-cobalt els manté fins als 700 °C), la qual cosa dificulta el seu ús per a certes funcions com els motors d'arrencada de vehicles.

Per superconductivitat

La superconductivitat consisteix en la desaparició de la resistència elèctrica i per tant de la dissipació energètica. Molts materials presenten aquesta propietat prop del zero absolut (-273 °C).

En els estudis dels últims anys s'han trobat materials que presenten aquesta propietat a temperatures superiors. En 1986, un òxid de lantani, bari i coure va ser trobat com a superconductor a -243 °C. A. Müller i J.G. Els físics alemanys Bednorz. Per aquest treball van rebre el Premi Nobel i van obrir una nova etapa en el camp de la superconductivitat a temperatures més altes.

Els nous estudis van portar el límit fins a -183 °C amb òxids ternaris amb terres estranyes. Avui dia el rècord ha aconseguit els -148 °C i ningú sap fins a quin punt els investigadors podran portar aquesta limitació en els pròxims anys.

Els usos esmentats no tanquen la llista. La radiologia, els làsers, l'òptica d'ajust i la joieria són camps que aprofiten les propietats de les terres estranyes.