Las Tierras Raras no son tan raras. Bueno, sí que lo son.

Las tierras raras no son raras (y el problema está en los electrones que no ves)

En una comida cualquiera alguien comenta:“Oye, ¿qué pasa con eso de las tierras raras?”

Y de pronto estás hablando de elementos con nombres impronunciables, de móviles, de imanes… y, si la conversación se pone interesante, de electrones que no hacen lo que se espera de ellos. Porque aquí está la primera sorpresa: las llamadas tierras raras no son especialmente raras.

No en abundancia, al menos. Muchos de estos elementos, los lantánidos, están bastante bien distribuidos en la corteza terrestre. El verdadero problema no es encontrarlos… es separarlos.

Y para entender por qué, hay que bajar un nivel más, hasta la estructura misma de los átomos y sus capas electrónicas.

Las llamas "tierras raras", que no son tierras ni son raras, resaltadas en la Tabla Periódica

La regla general… y la excepción (muy) incómoda

En química hay una idea fundamental: las propiedades de un elemento dependen de sus electrones más externos.

Son esos electrones los que forman enlaces, los que reaccionan químicamente, los que “muestran” el elemento al resto del universo. Por eso la tabla periódica funciona tan bien: al avanzar por ella, vas rellenando y cambiando esa capa externa según unas reglas bien definidas y, con ello, varía de forma predecible el comportamiento químico de los elementos.

Hasta que no funciona...

Aunque sea un poco farragoso, en este punto tenemos que recordar que las capas electrónicas (o niveles de energía) son regiones de la "corteza" atómica donde se agrupan los electrones; un orbital es la zona dentro de una capa donde se da mayor probabilidad de encontrar un electrón. No es una órbita como la de un planeta, sino una “nube” definida por la mecánica cuántica.  Perdón por el tecnicismo pero es necesario.

Al llegar a los lantánidos, los electrones empiezan a comportarse de forma… poco intuitiva. Los nuevos electrones no entran en la capa más "externa", sino que comienzan a rellenar orbitales más internos: los famosos 4f. La notación 4f significa capa 4 orbital tipo f (s, p, d, f,...)

Representación de los 7 orbitales 4f; a 2 electrones (gracias Pauli) por orbital, hacen los 14 electrones que caben en 4f.

Podríamos decir que los orbitales f son discretos, tímidos, se "esconden"... 

Los orbitales 4f están, en promedio, más cerca del núcleo que los 5d o 6s y tienen una forma que los hace muy poco eficaces apantallando a los electrones externos, que sienten cada vez más la atracción de la carga positiva de los protones del núcleo.

¿Qué significa eso?

Que los electrones en los orbitales f:

• no protegen bien a los electrones externos de la atracción del núcleo
• participan muy poco en los enlaces químicos
• y, en la práctica, no cambian demasiado el “aspecto externo” del átomo

Es como redecorar el interior de una casa sin tocar la fachada, y a la Química solo le interesa la fachada. La Fícia es la que se mete a comprobar la decoración.

Un ejemplo clarificador: lantano y cerio

El lantano (La) tiene una configuración electrónica aproximada:

→ [Xe] 5d¹ 6s²

Es decir, es como el gas noble Xenon y tiene además un electrón en el orbital 5d y 2 electrones en el orbital 6s. Son esos tres electrones externos los que definen su química.

Lantano y Cerio, más que primos hermanos.

El siguiente elemento, el cerio (Ce), añade un protón más en su núcleo y un electrón más en su corteza. Pero el electrón, en lugar de colocarse fuera, por ejemplo en 5d o 6s siguiendo el comportamiento del Lantano,  entra en el orbital 4f, iniciando el llenado de estos orbitales internos, de forma que su configuración electrónica es

→ [Xe] 4f¹ 5d¹ 6s²

¿Consecuencia? El lantano y el cerio se comportan casi igual químicamente.

Y lo mismo ocurre al seguir avanzando:

→ 4f², 4f³, 4f⁴…   hasta los 14 electrones que puede haber en los orbitales tipo f, dando así un total de 15 elementos con configuración química muy similar: los lantánidos o "tierras raras".

Los cambios suceden por dentro, mientras que por fuera, lo que realmente importa en química, apenas varía.

Representación de los orbitales 1s, 2p, 3d y 4f, y la famosa Regla de Aufbau de colocación de los electrones en los diversos orbitales. Nótese como en el Lantano la regla empieza a mostrar excepciones, al colocar su último electrón en 5d cuando le "correspondería" 4f

Una familia de casi-clones

Por eso los lantánidos son tan parecidos entre sí:

• casi todos forman iones 3+
• tienen radios muy similares (aunque disminuyen ligeramente: la contracción lantánida)
• reaccionan de formas muy parecidas

Separarlos implica aprovechar diferencias mínimas; los químicos se volvieron locos tratando de entender qué pasaba con unos elementos que por un lado parecían elementos diferentes pero que luego se comportaban igual, o prácticamente igual: "¿Son isótopos de un mismo elemento? Pero no puede ser, no se entiende nada.... que "raro" es todo esto"... Ahí está la verdadera “rareza”.

Lograr separarlos a escala industrial es complicado, lento y muy, muy caro, de ahí su alto valor económico.

Los Lantánidos, diferentes por dentro, pero casi iguales por fuera.

Debajo de los lantánidos aparecen los actínidos, donde se llenan los orbitales 5f.

Aquí la historia se vuelve incluso más compleja:

• los electrones 5f están menos “escondidos” que los 4f
• participan algo más en la química
• aparecen múltiples estados de oxidación

El resultado es una química más rica… pero también más difícil de predecir. Siguen siendo parecidos entre ellos, sí; pero ya no son tan "clónicos".

En resumen

Así que no, las tierras raras no son raras por ser escasas.

Son “raras” porque en esa región de la tabla periódica ocurre algo profundo:

• los electrones dejan de ocupar los lugares que esperaríamos,
• los orbitales f esconden los cambios reales,
• y los elementos se vuelven casi indistinguibles desde fuera.

En realidad, en casi cualquier trozo de materia que tengas delante hay trazas de prácticamente todos los elementos de la tabla periódica, incluidos los lantánidos, incluidos esos electrones que se esconden. La diferencia es que, en algunos rincones de la tabla, la Naturaleza ha decidido complicarnos un poco más el trabajo.

Reflexión final

Al final, lo fascinante no es que estos elementos sean difíciles de separar, es que nos obligan a aceptar algo más incómodo y mucho más interesante:

Que dos cosas pueden parecer iguales por fuera y ser profundamente distintas por dentro. Y que, muchísimas veces, la naturaleza decide esconder sus secretos no en lo lejano, en la profundidad del espacio-tiempo… sino en lo más pequeño, en la estructura fundamental de la materia.

Física Cuántica y Relatividad General, la última frontera🖖

Pero como éste, al fin y al cabo, es un club astronómico no podemos dejar de recordar un dato más:

Esos electrones escondidos en orbitales f, esos lantánidos y actínidos que tanto cuesta separar, no son un capricho aislado de la química.

Son el resultado de procesos extremos. Como ya sabemos por otro artículo, muchos de estos elementos se forman en estrellas moribundas, en capturas lentas de neutrones (el proceso s) o en eventos mucho más violentos, como supernovas o colisiones de estrellas de neutrones (el proceso r).

Es decir, la “rareza” que vemos en la Tabla Periódica es la huella de cómo el Cosmos fabrica sus átomos.

Así que la próxima vez que alguien te pregunte por las "tierras raras", puedes empezar hablando de química y acabar hablando de estrellas que mueren para que esas "rarezas" existan.

Las lluvias de "estrellas" (que ni son estrellas ni llueven) sin "tontás"

Uno de los "grandes" acontecimientos astronómicos de cada verano son las "Perseidas", que suelen llenar minutos de programación de los informativos que no tienen nada mejor que contar (bueno, sí lo tienen pero con el calor... ¡que pereza!) Un poquito cansados de los tópicos y tontás que se llegan a decir hemos pensado en aclarar las cosas que, en realidad, son bastante sencillas.

¡Mira! ¡Una estrella fugaz!  - Que no!!! Que no es eso!

Cada verano pasa lo mismo: alguien mira al cielo, ve un fogonazo cruzar la noche y grita emocionado “¡Una estrella se ha caído!”. Bueno, pues no. Ni estrella, ni caída, ni fugaz en el sentido de que se vaya a ningún sitio.

¿Qué demonios es entonces?

Una estrella fugaz es, en realidad, un meteoro. Palabra que viene del griego meteoros, que significa “alto en el aire”. Muy científico todo.

Un meteoro es básicamente un trocito de roca o polvo espacial (llámalo meteoroide cuando está flotando por ahí) que entra en la atmósfera de la Tierra a toda leche (de 11 a 72 kilómetros por segundo).

Meteoro o Estrella Fugaz (NASA)

Cuando esto ocurre, la fricción no quema literalmente el fragmento por dentro, sino que calienta el aire a su alrededor hasta temperaturas de 3.000 °C o más, eso es la mitad que la superficie del Sol. Ese aire se ioniza, forma un plasma y emite luz. Por eso la “colita luminosa” no es el meteoro ardiendo como un fósforo: es la atmósfera brillando de puro susto.

¿Llegan ardiendo hasta el suelo?

No, esto es mito nivel leyenda urbana. La mayoría de meteoroides son tan pequeños que se vaporizan completamente a decenas de kilómetros de altura. El aire hace de freno y horno a la vez: ¡se desintegran antes de llegar!

Si un trozo es lo bastante grande como para resistir, se va enfriando muy rápido al final de su trayectoria. Un meteorito que aterriza no llega ardiendo, lo normal es que esté frío o templado. Lo que más se calienta con la fricción es el aire, no el propio material.

Así que, precisemos, que al fin y al cabo esto es Ciencia.

• Meteoroide: La roca o partícula que está flotando en el espacio hasta que se ve atraído por La Tierra u otro astro.
• Meteoro: El destello luminoso en la atmósfera provocado por la entrada del meteoroide a toda velocidad.
• Meteorito: Lo que llega al suelo, si algo llega.

Meteoroide, meteoro o meteorito?
Excelente gráfico del Observatorio Astronómico de Córdoba

A veces, un meteoroide es grande (pongamos un melón, o una pelota de baloncesto). Eso genera un bólido: un destello que puede iluminar más que la Luna llena; a veces pueden provocar un "boom" sónico y dejar retumbando a medio pueblo. Estos sí pueden dejar fragmentos que busquen acogida en tu jardín. Pero tranquilos, es rarísimo, por eso luego cuestan tanto en internet.

¿Por qué brillan de colores?

¿Has notado que algunas estrellas fugaces son blancas, otras azuladas o verdosas? No es decoración navideña interplanetaria, es pura química. La roca (o la mota de polvo) trae consigo metales y minerales que se excitan (y se ionizan) con la brutalidad de la entrada atmosférica. Resultado: fuegos artificiales gratis.

• Verde: mucho magnesio.
• Naranja-amarillo: sodio, como en las farolas de antes.
• Rojo: oxígeno y nitrógeno de la atmósfera.
• Violeta: Calcio, sobre todo.
• Blancos-azulados: mucho hierro.

Lección gratis de Química Interplanetaria

Además, la velocidad influye: cuanto más rápido entra, más energía para ionizar, más brillo y más color. El tamaño también es muy importante aquí, cuanto mayor sea el meteoroide mejor se apreciará el color del meteoro.

Entonces, ¿qué narices son las Perseidas?

Las Perseidas son la lluvia de meteoros más famosa del verano. Cada agosto, la Tierra cruza la estela de polvo que deja el cometa Swift-Tuttle en su viaje alrededor del Sol. Ese polvillo cósmico (del tamaño de granos de arena) se encuentra con nuestra atmósfera y se lanza hacia la Tierra a casi 60 Km/s… voilà: cielo tachonado de rayas luminosas.

Las Perseidas se llaman así porque parecen venir de la constelación de Perseo, pero no tienen nada que ver con Perseo, solo es un punto de perspectiva. Una noche muy oscura y con suerte se pueden observar hasta 100 perseidas por hora.

El cometa Swift-Tuttle lo va dejando todo perdido de polvo, pero La Tierra
mantiene muy limpita su propia órbita atrayendo todo lo que encuentra a su paso,
y nos da un espectáculo a mediados de Agosto.

Una buena tasa, pero no la mayor; este honor corresponde probablemente a las Gemínidas, unas 150 por hora en las noches del 13 al 15 de diciembre. Pero claro, quien es el o la valiente que se va a las eras a observar las Gemínidas en una noche de diciembre?

¿Cómo verlas bien sin llorar de decepción?

1. Fuera del pueblo: nada de farolas, ni pantallas encendidas.
2. Manta o tumbona: cuello relajado, sin tortícolis.
3. Mirar al cielo, no al móvil. Las Perseidas te avisan gratis, no por notificación push.
4. Paciencia: ver una decente cada minuto es buen promedio.
5. Hora punta: mejor de medianoche a amanecer.

Gráfico para localizar las Perseidas el 13 de Agosto
La Luna estará todavía crecidita, así que podría ocultar el brillo de muchos meteoros

Un último deseo

Así que, la próxima vez que veas “una estrella fugaz”, recuerda: no es una estrella, no se está cayendo y no va a encender la barbacoa si aterriza. Es polvo cósmico, fuego atmosférico y un recordatorio de que, incluso una partícula minúscula, a la velocidad adecuada, puede arrancarte un “¡guau!”

En resumen:

• Las estrellas fugaces no son estrellas.
• Lo que brilla es el aire, no la roca.
• El color te cuenta su composición.
• La mayoría se desintegran mucho antes de llegar al suelo.
• Si llegan al suelo puede hacer pupa según su tamaño, pero ya está frío.
• La próxima vez que pidas un deseo, piensa que estás confiando tu suerte a un grano de polvo espacial a 60 km/s.

Y así, cada agosto, la Tierra barre su porción de polvo cósmico… y nos regala uno de los espectáculos más humildes, y más bonitos, del cielo.

Hasta Septiembre... si es que volvemos 😉

“¡Estamos en gravedad cero!” — Este... deja que te diga algo.

Seguro que has oído esa frase en películas, series o incluso en vídeos de astronautas o cosmonautas flotando en el espacio. Y sí, ahí están, moviéndose como plumas en el aire… o mejor dicho, en el "vacío". Entonces, ¿es verdad que están en “gravedad cero”? Pues no, no lo es.

Vamos a dejarlo claro desde el principio: la gravedad está en todas partes. Incluso donde parece que no está.

¿Qué es eso de la “gravedad cero”?

Lo que normalmente llamamos “gravedad cero” es un nombre algo tramposo. Deberíamos hablar de microgravedad (valores muy bajos de gravedad) o, mucho mejor, de ingravidez (sensación de ausencia de gravedad). Suena menos espectacular, pero es mucho más preciso y, sobre todo, cierto.

Imagina que estás en una montaña rusa justo en el momento en que comienza a caer. Por un instante, sientes que tu cuerpo se levanta del asiento: estás cayendo. No porque no haya gravedad, sino porque tú y el asiento caéis al mismo ritmo. Esa es la sensación que tienen los astronautas… ¡pero todo el tiempo!

Están en caída libre constante. Orbitan la Tierra, sí, pero cayendo hacia ella sin llegar a tocarla, porque se mueven tan rápido de forma tangencial que la curva de su caída coincide con la curvatura del planeta. Como decía Perelman, están en caída constante pero no aciertan a chocar contra la Tierra 😉 Por cierto que la velocidad tangencial que necesita la nave para seguir sin "acertar" se puede calcular como: 

Entonces… ¿por qué flotan?

Porque están en un entorno donde todo está cayendo a la vez: ellos, su nave, los objetos dentro… no hay “suelo” que los detenga. Y como nada frena esa caída, da la impresión de que flotan. Pero la gravedad sigue ahí, tirando de ellos con fuerza: aproximadamente un 90 % de la que sentirían en tierra.

No flotan porque la gravedad haya desaparecido, sino porque todo su entorno cae junto con ellos.

La tripulación 67 de la ISS jugando con la ingravidez
(pero bajo gravedad, de otra forma saldrían despedidos de la Tierra y nunca hubieran vuelto)

Otra forma de ver que algo no cuadra: si los cosmonautas, que están como mucho a 450 km de la Tierra, no experimentaran gravedad, ¿cómo es posible que la Luna, que está a más de 384.000 kilómetros, quede atrapada por la fuerza gravitatoria terrestre? En efecto, la Luna experimenta la fuerza de gravedad de la Tierra… y nuestras naves espaciales en órbita, mucho más.

¿Todavía te cuesta imaginarlo? Prueba con esto:

Imagina que estás en un ascensor y, de repente, se rompe el cable (¡esperamos que nunca te pase!). Mientras caes, si sueltas una pelota, no caerá al suelo del ascensor: quedará flotando frente a ti, acompañándote en la caída. Da la impresión de que no hay gravedad… justo cuando estás a punto de estrellarte contra el suelo.

El inolvidable Stephen Hawking experimentando Ingravidez  en el avión de Zero-G.
Básicamente un enorme ascensor al que se le corta el cable pero aterriza en lugar de estrellarse.

Eso es ingravidez: la gravedad sigue ahí, pero como todo cae igual… no se nota.

¿Y en el espacio profundo?

Aún lejos de la Tierra, la gravedad no desaparece. Lo que ocurre es que se debilita con la distancia. Pero incluso entre planetas, estrellas o galaxias, la gravedad nunca es cero. Es como una telaraña gigante que lo conecta todo. Cuanto más lejos estés de una masa, más débil será la fuerza, pero seguirá existiendo.

Por eso las sondas espaciales pueden ser desviadas por planetas, o viajar siguiendo trayectorias curvas: están “aprovechando” la gravedad de esos cuerpos.

La confusión del término

Decir “gravedad cero” suena bien, pero es un atajo lingüístico. Un poco como decir que “el Sol sale por el Este”, cuando sabemos que no es el Sol el que se mueve. Es una forma sencilla de expresar algo más complejo… pero vale la pena entender la diferencia para no caer en falsas concepciones que luego serán difíciles de eliminar de nuestro entendimiento sobre la naturaleza.

Fotograma de la película Gravity, una de las más respetuosas con
las leyes físicas sobre Gravedad.

Así que en la próxima película o historia de ciencia ficción, cuando hablen de gravedad cero o de máquinas que anulan la gravedad, acuérdate del ascensor cayendo. Y piensa que, si realmente no hubiera gravedad, ni el satélite ni los astronautas estarían ahí arriba: habrían salido disparados en línea recta, como un tornillo suelto en el espacio. Y entonces podrás decir: Este... deja que te diga algo.