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.