Tierras Raras: una guía esencial para entender el mineral del siglo XXI

En esta serie de publicaciones abordaremos aspectos fundamentales sobre las tierras raras, su composición e importancia para la economía del siglo XXI.

Los 17 elementos: una introducción a la familia de las Tierras Raras

Se llaman «raras», pero el cerio es tan abundante en la corteza terrestre como el cobre. Se esconden en los rincones más discretos de la tabla periódica, pero sin ellas no existirían los coches eléctricos, las turbinas eólicas, los smartphones ni los sistemas de guía de los misiles de precisión. Estos son los 17 elementos que han pasado de ser curiosidades de laboratorio a convertirse en la columna vertebral de la economía global del siglo XXI.

Un nombre engañoso con dos siglos de historia

Pocos términos en la ciencia resultan tan sistemáticamente malentendidos como «tierras raras». Al oírla, la imagen que se forma es la de elementos escasísimos, escondidos en los confines más remotos del planeta, presentes en la corteza terrestre en cantidades ínfimas. Esa imagen es, en su mayor parte, falsa. Y el malentendido tiene consecuencias: lleva a subestimar la magnitud del problema de suministro, a sobreestimar la dificultad de encontrar los depósitos y a confundir la rareza geológica —que no existe— con la rareza tecnológica e industrial, que sí es muy real y muy seria.

El origen del nombre se remonta a finales del siglo XVIII. Los químicos de la época llamaban «tierras» —del latín terra— a los óxidos metálicos que obtenían al calcinar minerales, y calificaban de «raras» aquellas que aparecían en minerales poco comunes o que resultaban difíciles de aislar y purificar. Cuando Johan Gadolin analizó en 1794 un mineral negro procedente de la cantera de Ytterby, en Suecia, e identificó en él un óxido desconocido al que llamó «yttria», estaba iniciando sin saberlo el proceso de descubrimiento de un grupo de diecisiete elementos que tardaría 150 años en completarse. El nombre «tierras raras» se instaló en la nomenclatura científica antes de que nadie supiera cuántos elementos había en el grupo ni cuán abundantes eran en realidad. Y ya no hubo manera de cambiarlo.

Quiénes son: los 17 miembros de la familia

Las tierras raras son un grupo de diecisiete elementos metálicos que comparten propiedades geoquímicas y químicas muy similares. El grupo está formado por dos subconjuntos:

• El primero es la serie de los lantánidos: los quince elementos que van del lantano (La, número atómico 57) al lutecio (Lu, número atómico 71), y que ocupan en la tabla periódica la primera de las dos hileras que convencionalmente se separan del cuerpo principal y se sitúan en la parte inferior. 

• El segundo subconjunto añade dos elementos más: el escandio (Sc, número atómico 21) y el itrio (Y, número atómico 39) que, aunque se encuentran en posiciones distintas de la tabla, comparten con los lantánidos sus propiedades geoquímicas fundamentales y aparecen en los mismos tipos de yacimientos minerales. Es por esto que la comunidad científica y la industria los incluyen siempre en el grupo.

Los quince lantánidos, en el orden en que aparecen en la tabla periódica, son: lantano (La), cerio (Ce), praseodimio (Pr), neodimio (Nd), prometio (Pm), samario (Sm), europio (Eu), gadolinio (Gd), terbio (Tb), disprosio (Dy), holmio (Ho), erbio (Er), tulio (Tm), iterbio (Yb) y lutecio (Lu). El prometio merece una mención especial: es el único lantánido que no tiene ningún isótopo estable y, por tanto, no existe en la naturaleza en cantidades detectables; fue sintetizado por primera vez en 1945 como subproducto de la fisión nuclear del uranio.

Tabla de los 17 elementos y sus aplicaciones principales

Símbolo, número atómico, y uso industrial más relevante de cada elemento de las tierras raras.

Fuente: USGS Mineral Resources Program, European Commission Critical Raw Materials Assessment 2023.

Dónde están en la tabla periódica: una posición que lo explica todo

La posición de los lantánidos en la tabla periódica no es casual ni arbitraria: refleja un hecho físico fundamental que explica casi todas sus propiedades. Los quince lantánidos corresponden al llenado progresivo del orbital 4f, una capa electrónica que puede albergar hasta catorce electrones y que se sitúa en el interior del átomo, completamente apantallada por las capas externas 5s, 5p y 6s. Esto tiene dos consecuencias de enorme importancia práctica:

• La primera consecuencia es que todos los lantánidos presentan una química exterior prácticamente idéntica: al estar los electrones de diferenciación —los del orbital 4f— tan profundamente escondidos en el interior del átomo, el entorno exterior del catión de tierras raras es casi el mismo en todos los casos. Esto explica por qué todos forman casi exclusivamente compuestos con estado de oxidación +3, tienen radios iónicos muy similares y se comportan de manera prácticamente intercambiable desde el punto de vista de la química de solución acuosa. Y también explica por qué separarlos entre sí es tan extraordinariamente difícil: para la química, son casi el mismo elemento.

• La segunda consecuencia es que, pese a esa uniformidad química exterior, sus propiedades físicas —especialmente las magnéticas y las ópticas— varían dramáticamente de un elemento a otro según la configuración precisa de electrones en el orbital 4f. El neodimio, con tres electrones desapareados en el 4f, genera uno de los campos magnéticos intrínsecos más potentes conocidos. El europio, con seis electrones en el 4f, produce una luminiscencia roja de una pureza espectral extraordinaria. El erbio, con once electrones en el 4f, emite luz infrarroja en la ventana de 1.550 nanómetros que coincide con la longitud de onda de mínima atenuación de la fibra óptica. Cada uno de los diecisiete elementos tiene, gracias al orbital 4f, una personalidad física completamente propia.

¿Qué diferencia a las Tierras Raras de otros metales estratégicos?

En los últimos años, la expresión «minerales críticos» o «metales estratégicos» se ha extendido hasta configurar una lista cada vez más larga de elementos: litio, cobalto, níquel, manganeso, grafito, galio, germanio, indio, los metales del grupo platino y varios más. ¿Qué hace a las tierras raras especiales dentro de este universo de materiales estratégicos?:

• La primera diferencia es la insustituibilidad técnica. Para la mayoría de las aplicaciones más críticas —los imanes permanentes de alta densidad energética, los amplificadores de fibra óptica, los fósforos de alta eficiencia en LEDs y los agentes de contraste para resonancias magnéticas—, no existe en la actualidad ningún otro elemento que proporcione el mismo rendimiento. El cobalto puede sustituirse parcialmente en las baterías de iones de litio. El platino tiene alternativas en algunos catalizadores. Pero el neodimio en los imanes de un motor eléctrico, o el erbio en los amplificadores de fibra óptica, o el gadolinio en el contraste de MRI, no tienen reemplazo funcional equivalente a los niveles de desempeño que exigen las tecnologías actuales. Y las investigaciones para encontrar sustitutos, aunque activas, no han producido todavía ningún resultado aplicable a escala industrial.

• La segunda diferencia es la extrema concentración geográfica del suministro. China controla aproximadamente el 60% de la extracción mundial de tierras raras y el 85-90% de su procesamiento y separación. Este nivel de dependencia de un único proveedor no tiene equivalente en ninguna otra materia prima estratégica. Ni el litio —repartido entre Chile, Australia y Argentina—, ni el cobalto —dominado por la República Democrática del Congo en extracción pero no en refinado—, ni el gas natural —con múltiples productores en todos los continentes— concentran tan extremadamente su producción en un solo país.

• La tercera diferencia es la complejidad técnica de su procesamiento. Extraer tierras raras de la mina es relativamente sencillo en algunos tipos de yacimiento. Lo verdaderamente difícil —y lo que China domina de forma casi exclusiva— es separar los diecisiete elementos entre sí con el grado de pureza que requieren las aplicaciones industriales. Los procesos de extracción por solventes y cromatografía de intercambio iónico necesarios para separar, por ejemplo, el praseodimio del neodimio, o el disprosio del holmio, son extraordinariamente complejos, consumen grandes cantidades de reactivos químicos y requieren instalaciones de procesamiento masivas que tardan años en construirse y décadas en optimizarse. China lleva cuarenta años refinando estas técnicas. Replicar esa capacidad desde cero en cualquier otro país es un desafío de primer orden que ningún competidor ha logrado superar todavía completamente.

El peso de las Tierras Raras en el mundo actual

Una forma de entender por qué las tierras raras importan tanto es hacer el ejercicio de imaginar un mundo sin ellas. Sin neodimio y praseodimio, no habría motores eléctricos compactos y eficientes, lo que haría inviables tanto los vehículos eléctricos como las turbinas eólicas de generación directa. Sin disprosio y terbio, los imanes de esos motores se desmagnetizarían a las temperaturas de operación reales. Sin erbio, los amplificadores de fibra óptica no funcionarían y la internet —en su forma actual— no existiría. Sin gadolinio, los médicos perderían la herramienta de diagnóstico por imagen más potente que existe para tejidos blandos. Sin europio y terbio, los leds no producirían luz blanca de calidad. Sin lantano y cerio, las refinerías de petróleo serían menos eficientes y los convertidores catalíticos de los coches de combustión no funcionarían.

El mundo que conocemos está construido sobre diecisiete elementos metálicos que la mayoría de las personas nunca ha oído mencionar. Esa invisibilidad, que durante décadas fue considerada irrelevante, se ha convertido en el último quinquenio en uno de los riesgos estratégicos más serios que enfrentan las economías industrializadas. Entender qué son, cómo funcionan y quién los controla ha dejado de ser una cuestión para especialistas. Es, simplemente, alfabetización básica sobre la economía del siglo XXI.