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ELEMENTOS RAROS DISPERSOS

La corteza terrestre consta de muchas decenas de elementos químicos. Sólo 15 de ellos son relativamente frecuentes y habituales, pues toman parte en la composición de casi todas las rocas. Los demás son menos corrientes.

Algunos de los elementos más raros originan grandes concentraciones, formando depósitos minerales en diferentes yacimientos; otros, como, por ejemplo, el oro o el platino, muy poco abundantes en la corteza terrestre, forman granos diminutos, casi imperceptibles de metal en estado nativo, y raras veces pepitas de mayor tamaño.

Pero aun siendo raros, se les encuentra formando minerales independientes, aunque su tamaño sea pequeño, incluso tan pequeño que la vista no los percibe, pero en todos los casos constituyendo minerales propios. Sin embargo, existen ciertos elementos químicos muy escasos en la corteza terrestre que no forman minerales propios e independientes. Las combinaciones químicas de estos elementos se hallan disueltas en otros minerales más comunes, del mismo modo que el azúcar o la sal se disuelven en el agua, aunque por el aspecto exterior no podamos decir si el agua es pura o tiene algo disuelto.

Exactamente igual, es difícil y no siempre posible juzgar por el aspecto exterior de los minerales qué impurezas químicas contienen en disolución. En el caso del agua, es suficiente probarla para saber si es insípida, dulce o salada. El análisis químico en los minerales es más complejo y el proceso de separación de los elementos químicos que se ocultan en minerales ajenos presenta grandes dificultades.

Los elementos químicos efectuaron largas y complicadas "peregrinaciones", por las disoluciones y masas fundidas antes de llegar a combinarse en el seno de las rocas y vetas minerales, constituyendo minerales sólidos, compuestos químicos más estables. Durante este largo proceso, los elementos experimentan numerosas y diversas transformaciones. Este camino lo recorren juntos, sin separarse unos de otros, sólo los elementos muy semejantes entre sí.

Cuanto más semejantes sean las propiedades químicas de dos elementos cualesquiera, tanto más difícil será encontrar la reacción química que sirva para separarlos. Ciertos elementos raros, en vez de aislarse y formar minerales independientes, se disuelven, se difunden en los minerales pertenecientes a otros elementos químicos. Por ello los llamamos elementos dispersos.

¿Qué clase de elementos son éstos: En la vida ordinaria, incluso durante las clases de Química en la escuela media, casi no oímos hablar de ellos, a pesar de que con el progreso de la técnica estos elementos van introduciéndose cada vez más en nuestra vida.

Estos elementos son el galio, indio, talio, cadmio, germanio, selenio, telurio, renio, rubidio, cesio, radio, escandio y hafnio. Unicamente hemos mencionado los más característicos, si quisiéramos podríamos enumerar todavía más.

Veamos dónde y en qué condiciones se hallan estos elementos en la naturaleza, de qué modo el hombre los descubrió en otros minerales y cuáles son sus aplicaciones.

He aquí, sobre la mesa, un trozo de mineral amarillo pardusco, que en las superficies de fractura presenta con frecuencia facetas perfectamente planas y brillantes. Es un mineral pesado que por su aspecto exterior no se parece en nada a una mena, a pesar de que lo es. Se denomina blenda de zinc o, también, esfalerita.

Su composición es muy sencilla: a cada átomo de zinc le corresponde otro de azufre. Pero estos son sólo los elementos primordiales. La simplicidad de su composición es sólo aparente. Nuestro ejemplar es amarillo-pardusco, sin embargo, existen otras variedades de este mismo mineral de distintos colores: pardo, pardo oscuro, negro pardusco e, incluso, totalmente negro y, en este caso, poseen verdadero brillo metálico.

Figura 25.1 Laboratorio moderno donde se verifica el proceso de separación de las tierras raras de las soluciones que las contienen, a base de cristalizaciones sucesivas

¿A qué se debe esto?

La coloración oscura de la blenda de zinc se debe a las impurezas

de sulfuro de hierro que se hallan disueltas en su masa. La blenda de zinc sin impurezas de hierro, es casi incolora, amarillo-verdosa o de color verde claro. Por tanto, la tonalidad más o menos oscura de este mineral es el rasgo característico que indica el contenido de hierro. El análisis roentgenográfico de la estructura de la blenda de zinc ha demostrado que las partículas sueltas de zinc y de azufre se hallan distribuidas de la forma siguiente: cada átomo de zinc está rodeado de cuatro átomos de azufre y cada átomo de azufre, de cuatro de zinc.

Cuando existen impurezas de hierro, este elemento reemplaza a algunos de los átomos de zinc, debido a lo cual la blenda adquiere una nueva coloración. Los átomos de hierro se distribuyen de modo completamente uniforme: un átomo de hierro ocupa el puesto de cada centésimo átomo de zinc, o el lugar correspondiente a cada quincuagésimo, trigésimo, vigésimo, décimo... Y el "dueño hospitalario", el zinc, se dirige al hierro y le dice: ¿,No habrás poblado en exceso mi casa? A pesar de que el hierro abunda en la naturaleza mucho más que el zinc, la capacidad del primero para remplazar en la blenda al segundo tiene ciertos límites determinados. Los hombres de ciencia llaman a esta propiedad miscibilidad limitada.

Este ejemplo puede utilizarse también para hacer una comparación interesante: del mismo modo que en una madriguera desocupada, en la que antes habitaba una zorra, nunca buscarán acogimiento, por ejemplo, un ratoncito, ni un oso, que necesita una guarida más espaciosa para pasar el invierno, sino que la utilizarán sólo animales de tamaño semejante al de la zorra, en la blenda de zinc, el puesto de este último podrán ocuparlo sólo aquellos elementos cuyos átomos sean de tamaño aproximado al átomo de zinc.

En la blenda de zinc, encontramos los siguientes elementos raros dispersos: cadmio, galio, indio, talio, germanio... Como pueden ustedes ver, el zinc es un dueño muy hospitalario. Y no sólo el zinc, el azufre también está capacitado, pero en grado mucho menor, para dar hospitalidad a otros dos elementos raros dispersos, el selenio y el telurio.

La composición de la blenda de zinc es, por tanto, mucho más compleja de lo que parece a primera vista. Aproximadamente lo mismo puede decirse de los llamados minerales descoloridos, de la pirita de cobre (calcopirita) y de otros minerales.

Pero los geoquímicos han descubierto nuevas leyes complementarias.

Figura 25.2 Manguito o camiseta de incandescencia en cuya composición entra el óxido de torio, utilizable para los mecheros de gas

Resulta que las blendas negras de zinc ricas en hierro, por lo general, no contienen cadmio; en cambio, son ricas en indio y, a veces, en germanio. El galio se concentra principalmente en las blendas de zinc de color pardo claro, y el cadmio en las de color amarillo de miel.

Figura 25.3 Sección de selenio en una fábrica

El selenio y el telurio abundan, por lo general, en las variedades oscuras. Como ven ustedes, el grado de amistad entre los elementos químicos no es siempre igual; las condiciones, los diferentes elementos vecinos son los que determinan qué clase de "inquilinos" pueden instalarse en el lugar designado para el zinc...

El descubrimiento e identificación de los elementos raros dispersos constituye una tarea difícil que exige el empleo de métodos especiales. Debido a su gran valor industrial, la búsqueda de estos elementos se realiza incluso en el caso de que su porcentaje en el mineral hallado sea muy pequeño. En ayuda de los métodos analíticos usuales más perfeccionados y de las reacciones químicas más sensibles, vienen los métodos especiales de análisis espectroscópico y roentgenoquímico.

Estos métodos que no exigen complejas reacciones químicas de separación, permiten determinar rápidamente (cualitativa y cuantitativamente) qué otros elementos entran en la composición del mineral dado. La blenda de zinc con 0,1 % de indio se considera ya como mineral de indio y no de zinc, puesto que el precio del indio, incluso en tan pequeñas cantidades, es superior al de todo el zinc...

¿Por qué se les dedica tanta atención a los elementos raros dispersos, por qué despiertan tanto interés, qué es lo que determina su alto precio? La causa principal es la importancia de sus aplicaciones, las propiedades especiales y características que poseen, tanto los propios metales, como los productos obtenidos de sus combinaciones.

Por ejemplo, el óxido de torio, cuando se calienta, emite una luz viva, cegadora, a lo que debe su aplicación para los manguitos o camisetas de incandescencia.

Figura 25.4 Verificación de un filamento de wolframio para lámparas eléctricas de incandescencia. En la parte superior se ve la silueta de un hilo arrollado en espiral, aumentado 80 veces, para lámparas de 60 vatios; en el centro, una vuelta de espiral. En la parte inferior se muestra un cabello humano, como término de comparación

Con rubidio y cesio se obtienen superficies especulares que despiden fácilmente electrones, lo que les hace insubstituibles para las células fotoeléctricas.

Veamos dónde y cómo se utilizan los metales raros o sus compuestos, obtenidos exclusivamente de la blenda de zinc que acabamos de describir.

E1 cadmio es un metal de color gris claro, relativamente blando y que funde a 321°C. Sin embargo, si preparamos una mezcla compuesta de una parte de cadmio metálico, una parte de estaño, dos de plomo y cuatro de bismuto (estos cuatro metales funden a temperaturas superiores a 200°C), obtendremos una aleación, conocida con el nombre de Wud, que funde a 70°C.

¡Qué cosa más curiosa! Si hacemos una cucharilla de esta aleación y tratamos de disolver, agitando con ella, azúcar en un vaso de té caliente, nuestra cucharilla se fundirá y.. . en el fondo del vaso, bajo la capa de infusión de té, se acumulará el metal líquido. Modificando las proporciones de estos cuatro elementos, puede obtenerse la aleación de Lipóvich que funde a 55°C. Semejante aleación en estado líquido puede tocarse con la mano sin el menor cuidado.

Los metales de bajo punto de fusión se emplean en numerosas ramas de la industria. Existe un metal al que le basta el calor de la mano para fundirse. Este metal es el galio, uno de los elementos más dispersos que se hallan en la blenda de zinc. Además, el galio se encuentra en las micas, arcillas y en algunos otros minerales.

El galio funde a 30°C, y es, después del mercurio (que funde a -39°C), uno de los metales con más bajo punto de fusión, lo que le permite remplazar en muchas aplicaciones al mercurio, cuyos vapores, como sabemos, son muy tóxicos, cosa que no ocurre con el galio. Por ello, el galio, lo mismo que el mercurio, puede utilizarse en la fabricación de termómetros. Pero si con los termómetros ordinarios de mercurio se miden temperaturas desde -40° hasta +360° (punto de ebullición del mercurio), con los termómetros de galio pueden determinarse temperaturas desde +30° hasta 700-900° (temperatura de reblandecimiento del vidrio). Si se emplea cristal de cuarzo pueden medirse temperaturas hasta de 1500°C, pues el galio hierve a 2300°C.

Si los tubos de estos termómetros se hacen de vidrio especial refractario, entonces puede medirse la temperatura de la llama o la de muchos metales en estado fundido.

A propósito, el galio tiene otra particularidad muy interesante: lo mismo que el agua es más pesada que el hielo, debido a lo cual los témpanos de hielo flotan en el agua, el metal galio es más ligero en estado sólido que fundido y, por consiguiente, flota en el galio líquido.

Esta rara propiedad la tienen también el bismuto, la parafina y el hierro colado. En todos los demás casos, las substancias sólidas, al fundirse, se hunden en su propia masa líquida.

Ocupémonos nuevamente del cadmio. Este metal, además de servir para preparar valiosas aleaciones fusibles, se utiliza en la industria de tranvías. ¿Han tenido alguna vez ocasión de ver un trole viejo de tranvía, de los que tienen forma de arco? ¡Qué hendidura tan profunda se forma en la parte central del arco como resultado de su constante rozamiento con el cable de línea! El cable, por el mismo motivo, también se desgasta.

Sin embargo, basta agregar sólo un 1 % de cadmio, para que la resistencia al desgaste de los cables se eleve considerablemente. El cadmio se emplea también en las redes tranviarias para los cristales coloreados de las luces de señales. La adición de sulfuro cádmico concede al vidrio un bello color amarillo; si se agrega seleniuro cádmico, el vidrio adquiere color rojo.

Figura 25.5 Pezuñas de vaca corroídas por la acción del selenio existente en la hierba de un terreno infectado

Las aplicaciones del indio no son menos interesantes que las del cadmio. Sabemos que las aleaciones de cobre se deterioran con gran rapidez por la acción del agua salada del mar. Sin embargo, en la construcción de submarinos e hidroaviones no siempre es posible substituir estas aleaciones por otros metales químicamente más estables. Pero si agregarnos a estas aleaciones cantidades pequeñísimas de indio, su estabilidad ante la acción corrosiva del agua del mar crece en alto grado.

La adición de indio a la plata hace aumentar su brillo de modo extraordinario, o sea, eleva su capacidad reflectora. Esta propiedad se utiliza en la fabricación de espejos para reflectores; el indio contenido en la capa especular incrementa notablemente la densidad de la luz reflejada por el proyector.

Propiedades completamente inesperadas posee el selenio, elemento raro disperso, pariente próximo del azufre. De ordinario se halla en pequeñas cantidades en los minerales sulfurosos.

Según sea la intensidad de luz que le ilumine, su conductividad eléctrica varía de modo brusco. Debido a esta particularidad, el selenio se utiliza en la técnica de transmisión de imágenes por telégrafo y por radio. En ella se basa el funcionamiento de muchos dispositivos de control automático, destinados a registrar el paso de piezas de colores claro u oscuro en las cadenas transportadoras de las fábricas. Por último, la medición exacta de la intensidad luminosa sólo ha sido posible gracias al empleo del selenio.

Otra importante aplicación del selenio: para la fabricación de vidrio limpio e incoloro. De ordinario, el vidrio se obtiene fundiendo una mezcla de arena cuarcífera, piedra caliza y un álcali (carbonato sódico o sulfato sódico). Debe emplearse arena lo más pura posible, sobre todo que no tenga hierro, pues este elemento transmite al vidrio un tono verdusco característico, como vemos en el vidrio de las botellas ordinarias.

Es suficiente una cantidad insignificante de hierro para que aparezca esta coloración. Para los cristales de las ventanas se necesita un vidrio puro y transparente, todavía de mejor calidad debe ser el que se emplea para los cristales de las gafas y lentes, y de una pureza irreprochable el que se utiliza en los aparatos ópticos (microscopios, gemelos y telescopios). Si se agrega seleniato sódico al vidrio en estado fundido, el selenio se combina con el hierro, extrayéndolo de esta forma de la masa vítrea fundida y se obtiene un cristal incoloro de excelente calidad.

El vidrio que se emplea para la fabricación de aparatos ópticos, para gemelos dotados de alta luminosidad y gran capacidad de amplificación, para aparatos fotográficos, etc., debe poseer también otras propiedades especiales. Y esto se consigue adicionando dióxido de germanio en pequeñas proporciones.

El germanio, lo mismo que el selenio, es uno de los elementos raros y dispersos que se hallan en cantidades ínfimas en ciertas variedades de la blenda de zinc. Se encuentra también en algunas clases de hulla.

Hasta hace poco tiempo casi nadie se interesaba por el germanio. Pero en estos últimos años, después del descubrimiento de los semiconductores, este elemento ha pasado a ser uno de los más importantes. Los dispositivos semiconductores de germanio pueden verse en los radiorreceptores portátiles, en las máquinas calculadoras y hasta en los cohetes cósmicos.

Hemos visto cómo se comportan los elementos raros dispersos en los minerales y menas que los contienen, cuáles son las propiedades que caracterizan a estos metales tan poco comunes, hemos hablado también de sus diversas aplicaciones.

La importancia de estas aplicaciones explica el por qué los geoquímicos prestan tanta atención a los elementos raros dispersos.