Si escuchas la palabra tierra, la podrías asociar con el nombre de nuestro planeta, o con un tipo de suelo arcilloso fértil para el crecimiento de una planta. En cambio, cuando escuchas el término “tierras raras”, seguramente los relacionarás con algún tipo de suelo poco común. Sin embargo, dicha expresión se refiere a un grupo de elementos químicos de la Tabla Periódica conocidos como lantánidos, cuyo arquetipo es el lantano, del cual se deriva el nombre del grupo por ser el primero de dicha serie. Este elemento, cuyo símbolo es La, es más común en la naturaleza de lo que pudiera pensarse al mencionar tierra rara. Inclusive, los elementos que conforman el grupo también son comunes, y se encuentran en la corteza terrestre en forma de óxidos metálicos con propiedades químicas y físicas similares, por lo cual constituyen una de las familias de la Tabla Periódica. Entre los más abundantes se encuentran el lantano y el cerio.

El número atómico del lantano es 57, y es el 28º elemento más abundante en la corteza terrestre. Cada uno de los lantánidos presenta una configuración electrónica con los subniveles llenos 5s2 y 5p6, alrededor de una subcapa 4f incompleta, que se va llenando antes que el 5d, por lo que se les denomina grupo del bloque f; excepto el La que se le considera un elemento del bloque d, por su configuración 5d16s2. En su forma elemental, es un metal de color blanco plateado con una brillantez ideal para esferas de navidad. Además, es lo suficientemente blando para cortarlo fácilmente en trozos con una navaja. Es muy reactivo a la intemperie con el oxígeno del aire y a temperatura ambiente, por lo cual tiende a formar un óxido metálico, que además se combina fácilmente con otros minerales. Es por esta razón que su nombre se deriva del griego lanthaneîn (λανθανεῖν), que significa “escondido”, ya que su descubridor Carl Mosander lo encontró en su forma oxidada, escondido en un mineral de óxido de cerio en 1839. Cómo óxido metálico es común que adquiera un estado de oxidación 3+, es decir, como La(III) forma un óxido de color blanco cuya fórmula es La2O3; de hecho, este mismo estado de oxidación lo presenta cuando se combina con otros elementos para formar compuestos. Actualmente, se sabe que el La se encuentra principalmente en los minerales de tierras raras llamados: Allanita-(La) (CaLaAl2Fe2+(Si2O7)(SiO4)O(OH)), monacita-(La) (LaPO4), cerita ((La,Ce,Ca)9(Fe,Ca,Mg)(SiO4)3(SiO3OH)4(OH)3) y bastnasita-(La) ((La, Ce)CO3F). Los principales minerales consistentes en 25% y 38% de La son monacita y bastnasita, respectivamente.

Monacita. Foto de: Rob Lavinsky, iRocks.com

El lantano, como los demás elementos de la serie, se usa en la industria moderna debido a su peculiares propiedades catalíticas, magnéticas, ópticas, y químicas, las cuales han dado lugar a denominarlos “semillas industriales” o “vitaminas industriales”, debido a su creciente uso en el campo de la ingeniería química, electrónica, metalúrgica y en la medicina. En la actualidad, los países en los que se genera entre el 90 y 95% de la producción mundial son: Estados Unidos, China y Australia. En particular, la importancia del lantano radica en que se puede emplear puro o en combinación con otros elementos, y que, debido a sus propiedades fisicoquímicas peculiares, se usa para preparar vidrios ópticos de alto índice de refracción, superaleaciones, catalizadores, materiales cerámicos o baterías recargables con base en hidruros metálicos con níquel para su empleo en autos híbridos. Se podría ahondar en sus múltiples usos, sin embargo, nos centraremos en algunos ejemplos en los que se utiliza en el desarrollo de nuevos materiales; en un primer ejemplo, para su aplicación en remediaciones ambientales a través de la depuración de agua contaminada.

Carbón activado modificado con partículas de óxido de La.

La alta afinidad del lantano por el oxígeno ha favorecido la preparación de materiales híbridos, como por ejemplo carbón activado modificado con partículas de óxido de La(III). El carbón activado se caracteriza por tener una alta densidad de grupos funcionales oxigenados superficiales, por ejemplo, el ácido carboxílico (-COOH), fenólico, epóxido, lactona, entre otros. Los átomos de oxígeno de estos grupos tienen propiedades ácido-base. En particular, aquellos de carácter ácido pueden establecer un enlace covalente con el La(III) a través de una reacción inducida mediante calentamiento con microondas. Este proceso da lugar a la preparación de carbón activado modificado con oxi(hidroxi)dos de La(III), el cual se puede emplear para retirar fluoruros del agua de consumo humano, lo que se lleva a cabo mediante un mecanismo de sustitución de los grupos –OH del lantano por iones fluoruro F, que forman un enlace covalente de coordinación con dicho catión metálico debido a la alta afinidad entre ellos.

En México, es común que en algunos estados del país se encuentre agua subterránea con concentraciones elevadas de fluoruro. Entre ellos se encuentran: Aguascalientes, San Luis Potosí, Durango, Zacatecas y Guanajuato. La remoción del fluoruro del agua potable es importante porque el consumo continuo de este contaminante puede provocar su acumulación en el organismo y por consiguiente daños en la salud humana. Actualmente se lleva a cabo investigación científica enfocada al desarrollo de materiales novedosos, como el que se mencionó para su aplicación en procesos innovadores de tratamiento fisicoquímico de agua. Un ejemplo es la electroadsorción, la cual es una tecnología que combina la adsorción y el fenómeno electroquímico, en el que se usa un adsorbente como el carbón activado como electrodo. Esto se debe a la buena conductividad eléctrica de ese material, al que se le puede polarizar eléctricamente mediante la aplicación de un potencial eléctrico en una celda electroquímica, y con ayuda de un electrodo auxiliar. Al polarizar el electrodo, un ion con carga negativa como el fluoruro puede ser atraído electrostáticamente hacia el electrodo con carga positiva (ánodo), lo  que provoca un aumento en la capacidad de adsorción del material. Para que sea viable su aplicación en agua real, es necesario que el proceso se lleve a cabo de manera selectiva, y por ello la conveniencia de que el material de electrodo contenga cierta cantidad de oxi(hidróxidos) de lantano, que además no afecte las propiedades electroquímicas del material compuesto, para hacerlo viable como electrodo.

La electroadsorción es una tecnología que combina la adsorción y el fenómeno electroquímico, en el que se usa un adsorbente como el carbón activado como electrodo.

¿Por qué usar un material con La en un electrodo?: por sus excelentes características, ya que éstas han dado lugar a la fabricación de electrodos con base en La2O3, para su aplicación como capacitores, que son dispositivos que almacenan energía y pueden ser un puente entre baterías recargables y un capacitor electrolítico. Los capacitores pueden emplearse en el aprovechamiento de energías renovables, de allí su importancia.

Otro tipo de aplicación del lantano, desde el punto de vista electroquímico, es la fabricación de cátodos para celdas de combustible usando óxidos sólidos, para lo cual se utilizan materiales compuestos en los que el La se combina con otros elementos como el estroncio (Sr) o el cobalto (Co), dando lugar a, por ejemplo, La0.8Sr0.2Co0.2Fe0.8O3. Este cátodo electrocataliza la reducción de oxígeno gaseoso con buen desempeño en una celda, en una escala de laboratorio. Si esta reacción se favorece, entonces también la de la oxidación en el ánodo del H2, el combustible de la celda, lo que representa un buen balance energético que se deriva en la generación de energía eléctrica a partir de una energía química renovable almacenada en el hidrógeno gaseoso.

Dada la importancia del La para su uso industrial y el interés que se tiene en investigación científica, hay que considerar sus posibles implicaciones en el ambiente. Desde su extracción, mediante la actividad minera y procesamiento del mineral, conlleva la generación de efluentes líquidos que contienen una alta concentración de La, hasta los residuos que se generan a partir de sus aplicaciones industriales. Estas descargas pueden contaminar el ambiente y arriesgar la salud humana por ser un elemento carcinogénico y genotóxico. Además de que se puede acumular en la biota acuática y ser tóxico para otras especies. Es por ello que se tiene la necesidad de desarrollar métodos efectivos y económicos para su separación y pre-concentración, entre los que se encuentran los métodos de separación mediante membranas, intercambio iónico, precipitación química, extracción por solvente y adsorción. Éstos y otros métodos deben considerar la posibilidad de reutilizar un elemento tan útil como el La. C2.—–

 

Referencias

Binnemans, K., Jones, P.T., Blanpain, B., Van Gerven, T., Yang, Y., Walton, A., Buchert, M., 2013. Recycling of rare earths: a critical review. J. Clean. Prod. 51, 1-22.

Zhou, B., Li, Z., Chen, C., 2017. Global potential of rare earth resources and rare earth demand from clean technologies. Minerals 7, 203.

Sobre el autor

Obtuvo su doctorado en Ciencias Químicas en el Departamento de Química del CINVESTAV, realizando estudios de activación electroquímica de compuestos organometálicos de tipo rutenoceno. De 2006 a 2010 realizó dos estancias postdoctorales, la primera en el grupo de Electroquímica de Polímeros Conductores en Leibniz IFW-Dresden, Alemania y la segunda en el Instituto de Química Orgánica y Bioquímica de la Academia de Ciencias de la República Checa.

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Obtuvo su doctorado en Ciencias Químicas en el Departamento de Química del CINVESTAV, realizando estudios de activación electroquímica de compuestos organometálicos de tipo rutenoceno....

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