¿Tierra rara o metal de transición?

En la Tabla Periódica moderna, el escandio encabeza el bloque de los elementos de transición y, aunque comparte características con ellos, también lo hace con los elementos de las tierras raras. Con corazón de metal de transición y cuna de tierra rara, el escandio se considera un miembro de ambas clases.

 

Un héroe sin capa

La dificultad para la extracción y purificación de los nuevos metales encontrados en la gadolinita yacía en la gran similitud en sus propiedades y reactividad. Wikimedia Commons

A finales del siglo XVIII, un mineral de color verde-café, la gadolinita, atrajo la atención de varios científicos cazadores de nuevos elementos. La dificultad para la extracción y purificación de los nuevos metales encontrados en la gadolinita yacía en la gran similitud en sus propiedades y reactividad; la mayoría de las veces quienes se encargaban de las separaciones, sólo podían conseguir mezclas de óxidos metálicos que en aquella época eran llamadas en general “tierras”. Así, tales tierras que eran tanto de extracción como de difícil purificación, por encontrarse mezcladas con compuestos de propiedades parecidas, se conocían como tierras raras. En 1792, Johan Gadolin descubrió en la gadolinita, al que se consideró el primer elemento de las tierras raras, el itrio. A partir de ese año la gadolinita ocupó durante varias décadas a los químicos que buscaban nuevos metales; para 1839 se descubrieron en dicho mineral otros dos elementos: el cerio y el lantano.  Entre 1843 y 1878 siguieron el terbio, erbio e iterbio, cuyo parecido en propiedades y compuestos formados es tanto como lo son sus nombres. El iterbio se encontró en una mezcla de óxidos a la que se nombró ytterbina, que se había logrado aislar de otros minerales además de la gadolinita. Lars Fredrick Nilson recibió la estafeta para recuperar el último elemento que escondían las tierras raras halladas en la ytterbina, proveniente de gadolinita y euxenita. En 1879, Nilson logró separar del óxido de itrio una tierra más: el óxido de un metal desconocido, que tras el estudio de sus propiedades y de su espectro de absorción de luz, concluyó que se trataba de un elemento nuevo al que, un año después, lo anunció de la siguiente manera:

 “Para el elemento caracterizado, propongo el nombre de escandio, lo que recordará su presencia en la gadolinita o euxenita, minerales que solamente se han encontrado en la Península Escandinava”

Nilson estaba lejos de obtener escandio puro, pero aun así, a través del estudio de las propiedades del óxido de escandio que pudo recuperar, hizo señalamientos sobre la fórmula del óxido que podía formar (Sc2O3) y sobre la posición que debía ocupar en la Tabla Periódica. Más adelante, en el mismo año en el que Nilson anunció la existencia del escandio, Per Teodore Cleve confirmó que el escandio se trataba del eka-boro, uno de los cuatro elementos misteriosos de los que Mendeleev predijo su existencia al presentar la Tabla Periódica en 1869. En una época en la que la genialidad de la Tabla Periódica de Mendeleev aún estaba en entredicho, la confirmación de la existencia del cuarto elemento augurado por el padre de ésta convirtió al escandio en el héroe del momento. Nadie dudaría, al menos durante unos cuantos años, de la capacidad predictiva de la creación de Mendeleev.

 

La resurrección del héroe

Con una masa atómica de 44.9559, número atómico 21, y siendo el más pequeño de los elementos de transición, así como de las tierras raras, el escandio no llamó la atención por sí mismo. Tal parece que la breve fama de este elemento lo condenó al olvido por muchos años, pues en realidad su fama se debió más a que permitió consolidar la capacidad predictiva de Mendeleev que a las aplicaciones que se le pudieron encontrar en aquella época. Tal vez por la dificultad para aislarlo o porque simplemente aún no se inventaba aquello para lo que estaba destinado, el escandio permaneció en el olvido durante algunas décadas. No fue sino casi 40 años después de su descubrimiento en forma de óxido, que el escandio se logró recuperar en su forma metálica a través de la electrólisis de una mezcla eutéctica de cloruros que Werner Fischer y su grupo de investigación llevaron a cabo en 1937. Varios años más tarde, en 1960, ya era posible obtener escandio metálico hasta con 99% de pureza. La obtención de escandio metálico dio un gran impulso a las posibles aplicaciones que éste podría tener y con ello, estuvo nuevamente en la mira de los científicos.

 

Fuerte como el titanio, ligero como el aluminio, duro como la cerámica y luminoso como el mercurio: los cuatro poderes del escandio.

El escandio puro es un metal de color blanco plateado, ligero, suave y de textura lisa, pero asociado con otros metales adquiere grandes cualidades. Las aleaciones del escandio con el aluminio y otros metales como el Li, Cu, Mg y Zn permiten la creación de materiales ligeros con gran dureza y resistencia. Así, las primeras aplicaciones de estas aleaciones se llevaron a cabo por los rusos durante la carrera espacial para la fabricación de cohetes. Actualmente, por la ligereza de las aleaciones que se pueden obtener, se usa en la fabricación de bicicletas, bates de beisbol, cubiertas de aeronaves, partes de automóviles e incluso en la fabricación de armas. La adición de escandio a aleaciones ya conocidas, permite potenciar sus características; en aleaciones Al-Cu-Sc se reduce el agrietamiento durante los procesos de soldadura; la aleación Al-Mg-Sc facilita la impresión 3D de modelos metálicos, tanto que este tipo de aleaciones se comienzan a estudiar para su uso en prótesis humanas, pues la presencia del escandio les da mayor resistencia, además de mejorar su biocompatibilidad y biodegradación. En aleaciones Ti-Sc se duplica la dureza del material en comparación con una aleación Ti-C, por lo que se dice que esta aleación es el material más duro después del diamante.

Por otro lado, la ionización de Sc2O3 o ScVO4 en un tubo arqueado de cuarzo o silicio al que se le aplica alto voltaje, genera una descarga de arco eléctrico de alta intensidad, emitiendo una luminosidad semejante a lo que ocurre con el mercurio en las lámparas de haluros metálicos. Pero la peculiaridad de las lámparas que contienen escandio es que presentan un espectro semejante al de la luz solar, también conocido como luz natural. Los usos de estas lámparas inicialmente fueron en espacios abiertos como iluminación pública, estadios y exhibiciones, sin embargo, recientemente la luz generada por las lámparas de escandio aumentan la eficiencia de los cultivos de plantas en ambientes cerrados e incluso extraterrestres como los invernaderos de la estación espacial;  no sólo porque recrea el espectro de luz natural, sino que en presencia de otras sales, como el bicarbonato, se puede reducir la banda espectral de emisión de luz para situaciones particulares.

El potencial que tiene el Sc para hacer interacciones, reacciones y aleaciones es debido principalmente a su arreglo electrónico que le confiere una valencia de 3

El potencial que tiene el Sc para hacer interacciones, reacciones y aleaciones es debido principalmente a su arreglo electrónico que le confiere una valencia de 3 y una alta acidez de Lewis; al ser un elemento pequeño es ligero, con una densidad cercana a la del aluminio (2.98 g/cm3 y 2.70 g/cm3, respectivamente). La estructura de sales inorgánicas de escandio muestra diferentes tipos de complejos con números de coordinación de 6, 7 y 8 que le permiten formar esferas, coronas y clusters, entre otras estructuras organometálicas complejas. Esto es de suma importancia, ya que con unos cuantos átomos de escandio se pueden organizar alrededor de él varios átomos de otros elementos, como el carbono en el voleiboleno, en donde 20 átomos de escandio se pueden unir con 60 átomos de carbono para generar una estructura super dura y con capacidad superconductora, que tiene forma de un balón de voleibol.

 

Un futuro incierto, pero prometedor

Aún en 2008 se alcanzaba a leer entre las aplicaciones del escandio que éstas eran escasas y se limitaban a la gran dureza que se consigue al preparar aleaciones escandio-aluminio o a su uso en lámparas. Sin embargo, desde 2012, la diversidad en sus aplicaciones va en aumento y a la par surge la necesidad de contar con estrategias para obtener escandio de manera más eficiente, de tal forma que la mayoría de los estudios actuales sobre este elemento, se enfocan en mejorar las técnicas para su recuperación de las minas en donde el escandio se obtiene como derivado de la extracción de otros metales de las tierras raras. Las aplicaciones del escandio ya no sólo aprovechan sus importantes cualidades, sino también se busca que tengan impacto directo en la vida humana. Aunque el escandio no forma parte de la bioquímica de los sistemas biológicos, hay evidencia que interactúa con algunas biomoléculas como el ADN y proteínas como la ferritina, por lo que puede presentar cierta toxicidad. A la fecha no se ha descrito un efecto tóxico in vivo e incluso, a nivel de ingeniería de tejidos, se habla del posible uso del escandio para el diseño de matrices biocompatibles que permitan el crecimiento de células en la regeneración de tejidos.

Existen estudios en los que se usa al escandio presente en minerales como un rastreador de los procesos relacionados con los fluidos en las rocas del manto terrestre, así como en eventos geoquímicos que pudieran contribuir tanto con el conocimiento de la evolución de la Tierra como con la biorremediación.

 

La estereo-especificidad que brinda el escandio en la polimerización de materiales es objeto de estudio de muchos científicos por las posibles aplicaciones que puedan encontrarse en la ciencia médica. Por otro lado, también existen estudios en los que se usa al escandio presente en minerales como un rastreador de los procesos relacionados con los fluidos en las rocas del manto terrestre, así como en eventos geoquímicos que pudieran contribuir tanto con el conocimiento de la evolución de la Tierra como con la biorremediación. Se realizan estudios en los que el escandio, junto con cátodos de titanio en celdas electrolíticas de estado sólido, se usa para mejorar la electrólisis de CO2 usando energía eléctrica renovable para producir combustibles igualmente renovables al mismo tiempo que se disminuyen las emisiones de CO2. En presencia de zirconio, el escandio se utiliza como un electrolito para producir electricidad en celdas de combustible de óxido sólido; una ventaja es que el material reduce la temperatura de operación aumentando la eficiencia de las celdas eléctricas, lo cual promete el desarrollo de nuevas generaciones de baterías eléctricas. El reconocimiento del potencial del escandio para formar materiales novedosos lo expone como un protagonista principal de los materiales del futuro y, aunque es claro que el destino le tiene preparado a este pequeño algo grande, los avances que se tengan en materia del uso del escandio, dependerán de su disponibilidad. La abundancia del escandio en la superficie terrestre es de 22 mg/kg; es más abundante que el plomo (14 mg/kg) y semejante a la del cobalto (25 mg/kg). Sin embargo, el escandio no se encuentra disponible en yacimientos, sino que está disperso formando parte de aglomerados de diferentes minerales distribuidos en todo el mundo, de tal forma que el desafío tecnológico consiste en aislarlo con una pureza aceptable. Junto con otros elementos de las tierras raras, la disponibilidad del escandio va a jugar un papel político y económico importante para algunas regiones del mundo. Las zonas con mayor disponibilidad de escandio son Grecia, China, Rusia, Japón, Estados Unidos y Filipinas. Irónicamente para Nilson, el orgulloso sueco que descubrió al escandio, la región escandinava no aparece en esta lista. C2

 

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Sobre el autor

Obtuvo el doctorado en Ciencias Bioquímicas en el Instituto de Fisiología Celular de la UNAM. Actualmente es profesor investigador del Departamento de Ciencias Naturales de la UAM, Unidad Cuajimalpa. En 2011 obtuvo el premio de Investigación de la UAM por sus estudios fisicoquímicos de la interacción de inhibidores en la triosafosfato isomerasa. Desde el 2016 es responsable del Cuerpo Académico Consolidado de Fisicoquímica y Diseño Molecular. Sus líneas de investigación incluyen el estudio teórico y experimental de las propiedades de interacción fisicoquímica de proteínas, estabilidad y reconocimiento con otras moléculas entre las que se encuentran posibles fármacos, semioquímicos y complejos bioinorgánicos.

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Obtuvo el doctorado en Ciencias Bioquímicas en el Instituto de Fisiología Celular de la UNAM. Actualmente es profesor investigador del Departamento de Ciencias Naturales de la UAM, Unidad...

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