Elementos de tierras raras: Los catalizadores esenciales de la industria moderna
Si el petróleo es el alma de la industria, entonces las tierras raras son sus vitaminas. Las tierras raras son un valioso recurso estratégico utilizado en ciencia y tecnología de vanguardia, así como en aplicaciones militares, y se consideran la "madre de los nuevos materiales".
Sin embargo, "las tierras raras no son tierras". El término "tierras raras" es la abreviatura de un grupo de metales. Los elementos de tierras raras (ETR) se descubrieron a finales del siglo XVIII. Los científicos encuentran nuevos usos para las tierras raras casi cada tres o cinco años, y uno de cada seis inventos depende de ellas.
Las tierras raras son un recurso estratégico valioso, conocidas como el "glutamato monosódico (MSG) industrial" y la "madre de los nuevos materiales". Materiales funcionales como los imanes permanentes de tierras raras, materiales luminiscentes, materiales de almacenamiento de hidrógeno y catalizadores son fundamentales para las industrias de alta tecnología, la fabricación de equipos avanzados, la energía renovable y las industrias emergentes.
Según datos de 2015 del Servicio Geológico de Estados Unidos (USGS), las reservas mundiales de tierras raras ascienden aproximadamente a 130 millones de toneladas (medidas en óxidos de tierras raras, ETR). De estas, China posee 55 millones de toneladas, Brasil 22 millones, Estados Unidos 13 millones, Australia 2,1 millones, India 3,1 millones, Malasia 30.000 toneladas, y otros países suman 41 millones de toneladas.
Lista de aplicaciones de los 17 elementos de tierras raras (ETR)
- El lantano es el componente principal de los materiales para aleaciones y de las películas agrícolas.
- El cerio es el elemento líder en la industria del vidrio automotriz.
- El praseodimio es el elemento más utilizado en pigmentos cerámicos.
- El neodimio tiene amplias aplicaciones en la fabricación de materiales aeroespaciales.
- El prometio (Pm) es la fuente de energía auxiliar en satélites.
- El samario es el elemento utilizado en reactores nucleares.
- El europio (Eu) es un componente en la fabricación de lentes y en pantallas de cristal líquido (LCD).
- El gadolinio (Gd) actúa como medio de contraste en resonancias magnéticas médicas (RM).
- El terbio (Tb) se utiliza en los sistemas de control de alas de aeronaves.
- El erbio (Er) es uno de los componentes utilizados en telémetros láser militares.
- El disprosio (Dy) es el elemento que sirve como fuente de iluminación para cine e impresión.
- El holmio (Ho) es un componente clave en dispositivos de comunicación óptica.
- El tulio (Tm) hace posible el diagnóstico clínico y tratamiento de tumores.
- El iterbio (Yb) es un aditivo en dispositivos de memoria para computadoras.
- El lutecio (Lu) se utiliza en tecnología de baterías energéticas.
- El itrio (Y) se utiliza en cables conductores y componentes estructurales para aeronaves.
- El escandio (Sc) se utiliza frecuentemente en la fabricación de aleaciones.
Lantano (La)
El elemento 'lantano' fue nombrado en 1839 cuando el sueco Carl Gustaf Mosander descubrió que la ceria contenía otros elementos. Tomó prestada la palabra griega para 'oculto' y nombró este elemento 'lantano'.
El lantano tiene una amplia gama de aplicaciones, como en materiales piezoeléctricos, termoeléctricos, magnetorresistivos, luminiscentes, de almacenamiento de hidrógeno, vidrios ópticos, materiales láser y diversas aleaciones. También se emplea en la preparación de catalizadores para numerosos productos químicos orgánicos. Además, se utiliza en películas agrícolas fotoconversoras. Los científicos han denominado al lantano 'súper calcio' por sus efectos beneficiosos en los cultivos.
Cerio (Ce)
"El cerio (Ce) fue descubierto y nombrado por el alemán Martin Klaproth y los suecos Jöns Berzelius y Wilhelm Hisinger en 1803. El nombre conmemora el asteroide Ceres, descubierto en 1801."
(1) Como aditivo para vidrio, el cerio (Ce) puede absorber rayos ultravioleta e infrarrojos, y actualmente se utiliza ampliamente en vidrios automotrices. Protege contra los rayos UV y reduce la temperatura interior del vehículo, lo que ahorra energía en el aire acondicionado. Desde 1997, todo el vidrio para automóviles japonés contiene óxido de cerio. En 1996, se utilizaron al menos 2,000 toneladas de óxido de cerio para vidrios automotrices, y Estados Unidos empleó alrededor de 1,000 toneladas.
(2) Actualmente, el cerio (Ce) se utiliza en catalizadores de purificación de gases de escape automotrices, que evitan eficazmente la emisión masiva de contaminantes a la atmósfera. El consumo estadounidense en esta área representa un tercio del total de tierras raras utilizadas.
(3) El sulfuro de cerio es más seguro para el medio ambiente y la salud humana, pudiendo sustituir metales como plomo y cadmio en pigmentos. No solo aportan coloración a plásticos, sino que también son ideales para recubrimientos, tintas y la industria papelera. La empresa francesa Rhône-Poulenc es actualmente líder del mercado.
(4) El sistema láser Ce:LiSA El sistema láser Ce:LiSAF es un láser de estado sólido desarrollado por Estados Unidos. Puede detectar armas biológicas mediante el monitoreo de la concentración de triptófano y también tiene aplicaciones médicas. El cerio tiene una amplia gama de aplicaciones y está presente en casi todos los usos de tierras raras, como polvo para pulir, materiales de almacenamiento de hidrógeno, materiales termoeléctricos, electrodos de tungsteno-cerio, condensadores cerámicos, cerámicas piezoeléctricas, abrasivos de carburo de silicio con cerio, materias primas para celdas de combustible, catalizadores para gasolina, ciertos materiales magnéticos permanentes, y diversos aceros aleados y metales no ferrosos.
Praseodimio (Pr)
Hace unos 160 años, el sueco Mosander descubrió un nuevo elemento a partir del lantano, pero no era un elemento único. Mosander encontró que las propiedades de este elemento eran muy similares a las del lantano, por lo que lo nombró "praseodimio-neodimio".
"Praseodimio-neodimio" significa "gemelos" en griego. Aproximadamente 40 años después, en 1885, cuando se inventó la pantalla de lámpara de gas, el austriaco Welsbach logró separar dos elementos del "praseodimio-neodimio": uno se denominó "neodimio" y el otro "praseodimio". Estos "gemelos" fueron separados, y el praseodimio tuvo un amplio mundo para demostrar sus capacidades.
El praseodimio, un elemento de tierras raras, es el componente principal en vidrios, cerámicas y materiales magnéticos.
(1) Se utiliza para fabricar imanes permanentes. El uso de metal praseodimio-neodimio económico en lugar de metal de neodimio puro para producir materiales de imanes permanentes ha mejorado significativamente sus propiedades antioxidantes y mecánicas, y permite la fabricación de imanes de diversas formas. Se emplea ampliamente en diversos dispositivos electrónicos y motores.
(2) El craqueo catalítico del petróleo es una de sus aplicaciones. El catalizador para el craqueo de petróleo, elaborado mediante la adición de sustancias ricas en praseodimio y neodimio a un tamiz molecular de zeolita tipo Y, mejora la actividad, selectividad y estabilidad del catalizador, logrando un mayor rendimiento catalítico.
(3) El praseodimio también es una excelente opción para el pulido abrasivo. Además, su uso en el área de fibras ópticas está en constante crecimiento. Con el descubrimiento del praseodimio, el neodimio también surgió. La aparición del neodimio ha revitalizado el campo de las tierras raras, desempeñando un papel importante en este ámbito e influyendo significativamente en el mercado de tierras raras.
Neodimio (Nd)
El neodimio ha sido un tema candente en el mercado durante muchos años debido a su posición única en el campo de las tierras raras. El mayor usuario de neodimio metálico es el material de imanes permanentes de neodimio. La introducción de los imanes permanentes de NdFeB ha inyectado nueva vida al sector de alta tecnología de tierras raras y también ha aportado nuevas energías. Hoy en día, conocidos como el "Rey de los Imanes Permanentes", los imanes de NdFeB poseen una alta densidad de energía magnética.
Prometio (Pm)
En 1947, Marinsky (J.A.Marinsky), Glendenin (L.E.Glendenin) y Coryell (C.E.Coryell) lograron separar el elemento 61 del combustible de uranio gastado de un reactor atómico, denominándolo prometio en honor al dios griego Prometeo. El prometio es un elemento radiactivo artificial producido en reactores nucleares.
(1) Puede utilizarse como fuente de calor. Proporciona energía auxiliar para detectores de vacío y satélites artificiales.
(2) El Pm-147 emite rayos beta de baja energía y se utiliza en baterías de prometio. Estas sirven como fuente de energía para instrumentos de guía de misiles y relojes. Este tipo de batería es compacta y puede funcionar ininterrumpidamente durante varios años. El prometio también se emplea en instrumentos portátiles de rayos X, preparación de fósforos, medición de espesores y luces de navegación.
Samario (Sm)
En 1879, Boisbaudran descubrió un nuevo elemento de tierras raras a partir del 'praseodimio-neodimio' obtenido de la columbita de itrio, y lo nombró samario en referencia al mineral.
El samario es de color amarillo claro y es la materia prima para los imanes permanentes de samario-cobalto, los primeros imanes de tierras raras utilizados industrialmente. Estos imanes permanentes se presentan en dos tipos: la serie SmCo₅ y la serie Sm₂Co₁₇. La serie SmCo₅ se inventó a principios de la década de 1970, seguida más tarde por la serie Sm₂Co₁₇. Actualmente, la demanda del segundo tipo es predominante. La pureza del óxido de samario utilizado en estos imanes no necesita ser muy elevada; por razones de coste, se emplean principalmente productos con una pureza del 95%. El óxido de samario también se usa en condensadores cerámicos y catalizadores. Además, el samario posee propiedades nucleares y puede emplearse como material estructural, de blindaje y de control en reactores nucleares, permitiendo el uso seguro de la enorme energía generada por la fisión nuclear.
Europio (Eu)
En 1901, Eugène-Antoine Demarçay descubrió un nuevo elemento derivado del samario, al que llamó europio. Este nombre probablemente deriva del término 'Europa'. El óxido de europio es el componente principal de los fósforos. El Eu³⁺ actúa como activador de fósforos rojos, mientras que el Eu²⁺ es la fuente de fósforos azules. Actualmente, el Y₂O₂S:Eu³⁺ es el mejor fósforo en términos de eficiencia luminosa, estabilidad del recubrimiento y costos de reciclaje. Junto con mejoras tecnológicas para aumentar la eficiencia luminosa y el contraste, está ganando aplicaciones generalizadas. En años recientes, el óxido de europio también se ha utilizado como fósfor se ha utilizado como fósforo de emisión estimulada en nuevos sistemas de diagnóstico médico por rayos X. Además, se emplea en la fabricación de lentes coloreados y filtros ópticos, en dispositivos de almacenamiento de burbujas, y como material de control, blindaje y estructural en reactores nucleares.
Gadolinio (Gd). En 1880, el suizo G. de Marignac separó el "samario" en dos elementos: uno fue confirmado como samario por Sorit, y el otro fue validado mediante la investigación de Boisbaudret. En 1886, Marignac nombró a este nuevo elemento gadolinio en honor al descubridor del itrio, el químico neerlandés Gadolin, pionero en la investigación de tierras raras. El gadolinio desempeñará un papel crucial en la innovación tecnológica moderna. Sus principales usos son:
(1) Su complejo paramagnético hidrosoluble mejora la señal de imagen por resonancia magnética nuclear (RMN) en el cuerpo humano, con aplicaciones médicas clave.
(2) Su óxido de azufre puede utilizarse como matriz de rejilla para osciloscopios con brillo especial y pantallas fluorescentes de rayos X.
(3) El gadolinio en el granate de galio y gadolinio (Gd₃Ga₅O₁₂) es un sustrato monocristalino ideal para el almacenamiento magnético de burbujas.
(4) Puede utilizarse como medio de refrigeración magnética sólida sin las limitaciones del ciclo de Carnot.
(5) Se utiliza como inhibidor para controlar el nivel de reacción en cadena en centrales nucleares, garantizando la seguridad de los procesos de fisión.
(6) Se utiliza como aditivo en imanes de samario-cobalto (SmCo) para garantizar la estabilidad de su rendimiento ante variaciones de temperatura.
Gadolinio (Gd)
En 1880, el suizo G. de Marignac separó el 'samario' en dos elementos: uno confirmado como samario por Sorit, y el otro validado mediante la investigación de Boisbaudret. En 1886, Marignac nombró a este nuevo elemento gadolinio en honor al descubridor del itrio, el químico neerlandés Johan Gadolin, pionero en la investigación de tierras raras. El gadolinio está llamado a desempeñar un papel crucial en la innovación tecnológica moderna.
Sus principales aplicaciones son:
(1) Su complejo paramagnético hidrosoluble mejora la señal de imagen por resonancia magnética nuclear (RMN) en el cuerpo humano, con aplicaciones médicas clave.
(2) Su óxido de azufre (Gd₂O₂S) se utiliza como matriz de rejilla en osciloscopios con luminancia elevada y en pantallas fluorescentes para rayos X.
(3) El gadolinio en el granate de galio y gadolinio (Gd₃Ga₅O₁₂, GGG) constituye un sustrato monocristalino ideal para el almacenamiento magnético de burbujas.
(4) Puede emplearse como medio de refrigeración magnética sólida, superando las limitaciones del ciclo de Carnot.
(5) Se emplea como inhibidor para regular el nivel de reacción en cadena en centrales nucleares, garantizando la seguridad de los procesos de fisión.
(6) Se utiliza como aditivo en imanes de samario-cobalto (SmCo) para garantizar la estabilidad térmica de su rendimiento magnético.
Terbio (Tb)
El sueco Karl G. Mosander descubrió el terbio en 1843 durante sus investigaciones sobre las tierras de itrio. Su principal área de aplicación es la industria de alta tecnología, representando un proyecto intensivo en tecnología y conocimiento, situado en la vanguardia de la innovación tecnológica.
Las principales áreas de aplicación son:
(1) Fosforo utilizado como activador para polvo verde en fosforos tricromaticos, incluyendo matrices de fosfato activadas con terbio, matrices de silicato activadas con terbio y matrices de aluminato de cerio y magnesio activadas con terbio, todas las cuales emiten luz verde en estado excitado.
(2) En los últimos años, los materiales magneto-ópticos basados en terbio han alcanzado producción a gran escala. Los discos magneto-ópticos basados en películas delgadas amorfas de Tb-Fe se utilizan actualmente como medios de almacenamiento informático, incrementando la capacidad hasta 10-15 veces.
(3) Vidrio magneto-óptico. El vidrio rotador de Faraday con terbio es un material clave para fabricar rotadores, aisladores y circuladores, y se utiliza ampliamente en tecnología láser. En particular, el desarrollo de la aleación magnetostrictiva terbio-disprosio-hierro (Terfenol-D) ha abierto nuevas aplicaciones para el terbio. Descubierta en los años 70, el Terfenol-D contiene igual cantidad de terbio y disprosio (a veces con holmio añadido), y el resto es hierro. Desarrollada inicialmente en el Laboratorio Ames (Iowa, EE.UU.), esta aleación experimenta un cambio dimensional mayor que los materiales magnéticos convencionales bajo un campo magnético, lo que permite un movimiento mecánico de precisión. Inicialmente utilizado en sonares, el Terfenol-D se emplea ahora en sistemas de inyección de combustible, control de válvulas de líquidos, micro-posicionamiento, actuadores mecánicos, mecanismos de ajuste para aeronaves y telescopios espaciales.
Disprosio (Dy)
En 1886, el francés Paul-Émile Lecoq de Boisbaudran logró separar el holmio en dos elementos. Uno conservó el nombre de holmio, mientras que el otro fue denominado disprosio, término derivado del griego "dysprositos" (δυσπρόσιτος) que significa "difícil de obtener", en referencia a su compleja extracción del holmio.
Los principales usos del disprosio (Dy) son:
(1) Como aditivo para imanes permanentes de NdFeB. La adición de aproximadamente 2-3% de disprosio a estos imanes incrementa su coercitividad. Anteriormente, la demanda de disprosio era limitada, pero con el aumento en la necesidad de imanes NdFeB, se ha convertido en un elemento aditivo indispensable. El grado de pureza requerido oscila entre 95% y 99.9%, y su demanda está creciendo aceleradamente.
(2) El disprosio se utiliza como activador de fósforos. El ion trivalente de disprosio (Dy³⁺) es un centro activador prometedor para materiales luminiscentes tricromáticos de un solo centro. Presenta dos bandas principales de emisión: una en la región amarilla y otra en la azul. Los materiales luminiscentes dopados con disprosio pueden emplearse como fósforos tricromáticos.
(3) El disprosio es un material metálico esencial para la preparación de la aleación magnetostrictiva gigante terbio-disprosio-hierro (Terfenol-D), capaz de permitir el movimiento preciso en sistemas mecánicos avanzados.
(4) El disprosio metálico puede emplearse como material de almacenamiento magneto-óptico, ofreciendo alta velocidad de grabación y sensibilidad de lectura.
(5) Se utiliza en la fabricación de lámparas de disprosio, donde la sustancia activa empleada es yoduro de disprosio. Estas lámparas presentan las ventajas de alta luminosidad, excelente reproducción cromática, elevada temperatura de color, tamaño reducido y arco estable. Se han utilizado como fuente de iluminación en aplicaciones cinematográficas, de impresión, entre otras.
(6) Debido a su elevada sección eficaz de captura neutrónica, el disprosio se emplea en la industria nuclear para medir espectros de energía de neutrones o como absorbente neutrónico.
Holmio (Ho)
En la segunda mitad del siglo XIX, el descubrimiento del análisis espectral y la publicación de la tabla periódica, junto con los avances en la tecnología electroquímica de separación de elementos de tierras raras, impulsaron significativamente el hallazgo de nuevos elementos de este grupo. En 1879, el químico sueco Per Teodor Cleve descubrió el holmio, denominándolo así en honor a Estocolmo (Holmia en latín), capital de Suecia.
Los campos de aplicación del holmio aún requieren mayor desarrollo, y su consumo actual es relativamente bajo. Recientemente, el Instituto de Investigación de Tierras Raras de Baotou Steel ha utilizado tecnología de purificación por destilación a alta temperatura y alto vacío para desarrollar holmio metálico de alta pureza con un contenido extremadamente bajo de impurezas no pertenecientes a tierras raras, alcanzando Ho/ΣRE > 99.9%.
Los principales usos actuales del holmio (Ho) son:
(1) Se utiliza como aditivo en lámparas de haluros metálicos. Estas lámparas, derivadas de las lámparas de vapor de mercurio a alta presión, se caracterizan por contener diversos haluros de tierras raras en su interior. Actualmente predominan los yoduros de tierras raras, que durante la descarga generan múltiples líneas espectrales. En las lámparas de holmio, el yoduro de holmio (HoI₃) como fuente luminosa permite una mayor concentración de átomos metálicos en el arco, incrementando significativamente la eficiencia radiativa.
(2) El holmio puede emplearse como elemento dopante en granates de itrio-hierro (YIG) o itrio-aluminio (YAG).
(3) El granate de itrio-aluminio dopado con holmio (YAG:Ho) es un material láser que emite a 2 μm. El tejido humano presenta una eficiencia de absorción extremadamente alta para esta longitud de onda —aproximadamente tres órdenes de magnitud superior al YAG:HD—. En cirugía médica, los láseres de YAG:Ho generan un haz libre de holmio capaz de eliminar tejido graso con mínima generación de calor, reduciendo significativamente el daño térmico a tejidos sanos.
(4) La incorporación de pequeñas cantidades de holmio en la aleación magnetostrictiva Terfenol-D permite reducir el campo externo requerido para alcanzar su magnetización de saturación.
(5) Las fibras ópticas dopadas con holmio son ideales para fabricar componentes optoelectrónicos avanzados, como láseres de fibra, amplificadores de fibra, sensores de fibra óptica y dispositivos de comunicación óptica, que desempeñarán un papel crucial en el creciente campo de las telecomunicaciones por fibra.
Erbio (Er)
En 1843, el científico sueco Carl Gustaf Mosander descubrió el elemento erbio. Las propiedades ópticas del erbio son excepcionalmente destacadas y siempre han sido objeto de gran interés científico:
(1) La emisión luminiscente de Er³⁺ a 1550 nm tiene especial relevancia, ya que esta longitud de onda coincide exactamente con la mínima pérdida en fibras ópticas para comunicaciones. Tras la excitación con luz de 980 nm o 1480 nm, los iones de erbio (Er³⁺) transitan desde el estado fundamental ⁴I₁₅/₂ al estado excitado ⁴I₁₃/₂. Al volver al estado fundamental, emiten luz de 1550 nm. Aunque la fibra de cuarzo transmite luz en múltiples longitudes de onda, la atenuación varía. La banda de 1550 nm presenta la menor atenuación (0.15 dB/km) en fibra de cuarzo, acercándose al límite físico mínimo.
(2) Además, los cristales láser dopados con erbio y sus emisiones láser de 1730 nm y 1550 nm son seguros para los ojos humanos, presentan excelente transmisión atmosférica, alta capacidad de penetración en humo de combate, buena confidencialidad al ser difíciles de detectar por el enemigo, y ofrecen alto contraste en la iluminación de objetivos militares. Estos se han implementado en telémetros láser portátiles seguros para visión humana, diseñados específicamente para aplicaciones militares.
(3) El ion Er³⁺ puede incorporarse al vidrio para fabricar materiales de vidrio de tierras raras, que actualmente constituyen los materiales láser sólidos con mayor energía de pulso y máxima potencia de salida.
(4) El ion Er³⁺ también puede actuar como ion activo en materiales láser de tierras raras con conversión ascendente (upconversion).
(5) El erbio también se utiliza para la decoloración y coloración de lentes oftálmicas, vidrios y vitrocerámicas.
Tulio (Tm)
El tulio fue descubierto en 1879 por el químico sueco Per Teodor Cleve y nombrado en referencia a Thule, la antigua denominación de Escandinavia.
(1) El tulio se utiliza como fuente de radiación en equipos portátiles médicos de rayos X. Tras ser irradiado en un reactor nuclear, el tulio genera un isótopo que emite rayos X, permitiendo la fabricación de irradiadores sanguíneos portátiles. Estos dispositivos convierten el tulio-169 en tulio-170 mediante haces de neutrones de alta energía, emitiendo rayos X que irradian la sangre para reducir los leucocitos causantes del rechazo en trasplantes de órganos, disminuyendo así el riesgo de rechazo temprano.
(2) El tulio puede emplearse clínicamente para diagnosticar y tratar neoplasias, ya que presenta una mayor afinidad hematopoyética por el tejido tumoral. Las tierras raras pesadas poseen una mayor afinidad que las tierras raras ligeras, y el tulio encabeza la lista de las mayores afinidades.
(3) El tulio se utiliza como activador, LaOBr: Br (azul), en el fósforo utilizado en las pantallas intensificadoras de rayos X para mejorar la sensibilidad óptica, reduciendo así la exposición y el daño de los rayos X a los seres humanos. En comparación con las anteriores pantallas intensificadoras de tungstato cálcico, puede reducir la dosis de rayos X en 50%, lo que tiene una importante significación práctica en las aplicaciones médicas.
(4) El tulio también puede utilizarse como aditivo en nuevas fuentes de iluminación, como las lámparas de halogenuros metálicos.
(5) El Tm3+ puede añadirse al vidrio para fabricar materiales láser de vidrio de tierras raras, que actualmente son los materiales láser sólidos con mayor volumen de impulsos de salida y mayor potencia de salida. El Tm3+ también puede ser un ion activador para materiales láser de conversión ascendente de tierras raras.
Iterbio (Yb)
Jean Charles y G. de Marignac descubrieron un nuevo elemento de tierras raras en el 'erbio' en 1878, que posteriormente fue nombrado iterbio (Yb) en honor a Ytterby.
Los usos principales del itrbio son:
(1) Como material de revestimiento para pantallas de calor. El itrio puede ser muy efectivo para mejorar la resistencia a la corrosión de la capa de cinc electrolítico, y el recubrimiento al que se le añade itrio tiene una grano más fino, una distribución más uniforme y una estructura más compacta que aquellos sin la presencia de este elemento.
(2) Como material magnetoestrictivo. Este material posee la propiedad de magnetoestricción superlativa, es decir, se expande bajo la influencia de un campo magnético. La aleación está compuesta principalmente por una combinación de itrio/ferrita y disprosio/ferrita, y se añade una proporción determinada de manganeso para lograr la magnetoestricción superlativa.
(3) Los elementos de itrio se utilizan para medir la presión. Experimentos han demostrado que los elementos de itrio presentan una alta sensibilidad dentro del rango de presión calibrado, y al mismo tiempo han abierto una nueva vía para la aplicación del itrio en la medición de la presión.
(4) Rellenos basados en resina para cavidades en muelas, reemplazando la aleación de plata-mercurio que anteriormente se utilizaba comúnmente.
(5) Investigadores japoneses han completado la preparación de láseres de guía de ondas integrados basados en granate de gadolinio-gallo dopado con itrio, lo cual tiene gran significado para el desarrollo ulterior de la tecnología láser. Además, el itrio también se utiliza como activador de fósforos, en cerámicas para radiación, como aditivo en elementos de memoria para computadoras (burbujas), como flujo en fibras ópticas y como aditivo en vidrio óptico.
Lutecio (Lu)
En 1907, Welsbach y Urbain investigaron e independientemente descubrieron un nuevo elemento a partir del "itrio" utilizando métodos de separación diferentes. Welsbach nombró a este elemento Cp (Cassiopeium), mientras que Urbain lo llamó Lu (Lutecio), basándose en el antiguo nombre de París, Lutetia. Posteriormente, se descubrió que Cp y Lu eran el mismo elemento, por lo que se les denominó colectivamente como lutecio.
(1) Fabricación de algunas aleaciones especiales. Por ejemplo, una aleación de lutecio y aluminio puede utilizarse para realizar análisis de activación neutrónica.
(2) Los isótopos estables de lutecio actúan como catalizadores en reacciones de craqueo del petróleo, alquilación, hidrogenación y polimerización.
(3) Añadir elementos al granato de hierro-ytrio o al granato de aluminio para mejorar ciertas propiedades.
(4) Materiales básicos para almacenamiento de burbujas magnéticas.
(5) Un cristal funcional compuesto, el tetraborato de aluminio dopado con lutecio (Ytrio-Neodimio), pertenece al campo técnico de crecimiento de cristales mediante enfriamiento de soluciones salinas. Experimentos han demostrado que los cristales NYAB dopados con lutecio superan a los cristales NYAB en uniformidad óptica y rendimiento láser.
(6) Investigaciones realizadas por departamentos extranjeros han encontrado que el lutecio tiene usos potenciales en displays electrocrómicos y semiconductores moleculares de baja dimensionalidad.
Además, el lutecio también se utiliza en la tecnología de baterías de energía y como activador para fósforos.
Ytrio (Y)
En 1788, Karl Arrhenius, un oficial sueco del ejército que era además químico aficionado, mineralogista y coleccionista de minerales, descubrió un mineral negro que se parecía al asfalto y al carbón en el pueblo de Ytterby, ubicado fuera de la bahía de Estocolmo. Lo nombró "Ytterbite" en honor al nombre local del lugar. En 1794, el químico finlandés Johann Gadolin analizó una muestra de Ytterbite y descubrió que, además de óxidos de berilio, silicio e hierro, contenía un 38% de óxidos de un elemento desconocido, al que llamó "nueva tierra". En 1797, el químico sueco Anders Gustaf Ekeberg confirmó esta "nueva tierra" y la nombró "Ytria" (óxido de itrio).
(1) Un aditivo para aceros y aleaciones no férricas. Las aleaciones FeCr suelen contener entre 0.5 y 4% de itrio, lo que mejora la resistencia a la oxidación y la ductilidad de estos aceros inoxidables. La adición de una cantidad adecuada de tierra rara rica en itrio a la aleación MB26 mejora significativamente el rendimiento integral de la aleación, permitiendo sustituir a algunas aleaciones de aluminio de mediana resistencia para usarse como componentes estructurales en aeronaves. La adición de una pequeña cantidad de tierra rara rica en itrio a la aleación Al-Zr aumenta su conductividad. La mayoría de las fábricas nacionales de hilos han adoptado esta aleación. La adición de itrio a las aleaciones de cobre mejora tanto la conductividad como la resistencia mecánica.
(2) Los componentes de motores pueden desarrollarse utilizando materiales cerámicos de nitruro de silicio que contienen un 6% de itrio y un 2% de aluminio.
(3) Utilizar un haz láser de 400 vatios basado en granato de neodimio, itrio y aluminio para realizar procesos mecánicos como taladrado, corte y soldadura en componentes grandes.
(4) Pantallas fluorescentes para microscopios electrónicos compuestas por monocristales de granato de Y-Al tienen alta luminosidad fluorescente, baja absorción de luz dispersa, y buena resistencia al calor y al desgaste mecánico.
(5) Aleaciones estructurales de alto contenido de itrio, que pueden contener hasta un 90% de itrio, se utilizan en la aviación y otras aplicaciones que requieren baja densidad y alto punto de fusión.
(6) Materiales conductores de protones a alta temperatura dopados con itrio, como el SrZrO3, que actualmente están atrayendo mucha atención, tienen gran importancia en la producción de celdas de combustible, celdas electrolíticas y sensores de gas que requieren alta solubilidad de hidrógeno. Además, el itrio también se utiliza en materiales resistentes a altas temperaturas para recubrimientos, diluyentes para combustible de reactores nucleares, aditivos para materiales de imanes permanentes, y como captador (getter) en la industria electrónica.
Escandio (Sc)
En 1879, los profesores de química suecos L.F. Nilson (1840–1899) y P.T. Cleve (1840–1905) descubrieron un nuevo elemento en los minerales raros gadolinita y sylvinita. Lo nombraron “Escandio”, el elemento “similar al boro” predicho por Mendeleev. Su descubrimiento confirmó aún más la validez de la tabla periódica y la visión profética de Mendeleev.
En comparación con el itrio y los lantánidos, el escandio tiene un radio iónico mucho menor, y su hidróxido es significativamente menos básico. Por lo tanto, cuando el escandio y los elementos de tierras raras están mezclados y se tratan con amoníaco (o una base muy diluida), el escandio se precipita primero. Por esta razón, puede separarse relativamente fácilmente de los elementos de tierras raras utilizando el método de “precipitación fraccionada”. Otro método consiste en aprovechar la descomposición polarizada de los nitratos para la separación. Dado que el nitrato de escandio es el más fácil de descomponer, se puede lograr el propósito de la separación. El metal de escandio puede obtenerse mediante electrólisis.
Durante el procesamiento del escandio metálico, se mezclan tres sustancias: ScCl3, KCl y LiCl, y se someten a electrólisis utilizando cinc fundido como cátodo. El escandio se deposita en el electrodo de cinc, y luego el cinc se evapora, quedando únicamente el metal de escandio.
Además, el escandio es muy fácil de recuperar durante el procesamiento de minerales para obtener los elementos uranio, torio y lantánidos.
No solo se recupera durante el procesamiento de minerales para obtener elementos como el uranio, el torio y los lantánidos, sino también el escandio asociado presente en minerales de wolframio y estaño, los cuales se consideran una importante fuente de escandio. El escandio suele estar en estado trivalente en sus compuestos y es muy susceptible a la oxidación por el oxígeno del aire, formando Sc2O3. Al oxidarse, el metal pierde su brillo y cambia de color a gris oscuro.
Además de eso, los principales usos del escandio son:
(1) El escandio puede reaccionar con agua caliente para liberar hidrógeno y es también fácilmente soluble en ácidos. Es un agente reductor muy fuerte.
(2) Los óxidos e hidróxidos de escandio son solo ligeramente alcalinos, pero sus sales son casi insolubles en agua. El cloruro de escandio es un cristal blanco que es altamente soluble en agua y puede deliquescentarse en el aire.
(3) En la industria metalúrgica, el escandio se utiliza frecuentemente para fabricar aleaciones (como aditivo para aleaciones) con el fin de mejorar la resistencia, dureza, resistencia al calor y rendimiento de las mismas. Por ejemplo, la adición de una pequeña cantidad de escandio al hierro fundido puede mejorar significativamente las propiedades del hierro colado, y la adición de una pequeña cantidad de escandio al aluminio mejora su resistencia y resistencia al calor.
(4) El escandio es un elemento que encuentra numerosas aplicaciones en la industria de semiconductores. Un ejemplo de ello es el uso del sulfito de escandio en semiconductores que han ganado popularidad en diversos países. Además de esto, las ferritas que contienen escandio siguen siendo prometedoras para aplicarse como núcleos de computadoras.
(5) En la industria química, los compuestos de escandio se utilizan como agentes de deshidrogenación y deshidratación de alcohol, y también como catalizadores eficientes en la producción de etileno y cloro a partir de ácido clorhídrico residual.
(6) En la industria del vidrio, se pueden fabricar vidrios especiales que contienen escandio.
(7) En la industria de iluminación eléctrica, las lámparas de escandio-sodio, fabricadas con escandio y sodio, tienen las ventajas de alta eficiencia y una luz de color positivo.
(8) El escandio existe en la naturaleza en forma de 45Sc. Además, el escandio tiene nueve isótopos radiactivos, a saber, 40-44Sc y 46-49Sc. Entre ellos, el 46Sc ha sido utilizado como trazador en la industria química, metalúrgica y oceanografía.
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