Lantánidos y actínidos: guía del bloque f

Las dos filas apartadas bajo la tabla periódica pueden parecer un apéndice, pero contienen algunos de los elementos más importantes de la tecnología y la energía modernas. Los imanes de los teléfonos y de los motores de los coches eléctricos, el combustible de las centrales nucleares y las fuentes de energía de las sondas del espacio profundo proceden todos de estas filas. Juntas forman el bloque f, donde los electrones llenan los orbitales f. La fila superior es la de los lantánidos y la inferior la de los actínidos.

Estructura del bloque f

Hay siete orbitales f, que admiten hasta catorce electrones. Los lantánidos van del lantano (57) al lutecio (71), y los actínidos del actinio (89) al lawrencio (103): quince elementos en cada serie según la convención habitual de incluir el primero.

Los orbitales 4f que se llenan a lo largo de los lantánidos están en lo más profundo del átomo, apantallados por los electrones externos 5s y 5p. Los electrones que intervienen en la química son sobre todo los externos, así que los lantánidos se parecen muchísimo entre sí. La mayoría existe como iones +3. Las excepciones, como el cerio en estado +4 y el europio en estado +2, están relacionadas con subcapas f que quedan vacías, semillenas o llenas.

La contracción lantánida

Del lantano al lutecio el número atómico aumenta en catorce, pero los átomos y sus iones +3 se hacen ligeramente más pequeños. Es la contracción lantánida.

La causa es el mal apantallamiento que proporcionan los electrones 4f. Cada paso añade un protón y un electrón 4f, pero los orbitales f son difusos y de forma complicada, así que apenas protegen a los electrones externos de la creciente carga nuclear. Por eso aumenta la carga nuclear efectiva que sienten los electrones externos, lo que atrae la nube electrónica hacia dentro.

Este pequeño encogimiento deja huella en toda la tabla.

• El circonio y el hafnio como gemelos: el hafnio, del periodo 6, tiene casi exactamente el mismo tamaño que el circonio, situado justo encima en el periodo 5. Normalmente un elemento un periodo más abajo es más grande, pero la contracción lantánida anula el aumento. Ambos se parecen tanto químicamente que el hafnio no se descubrió hasta 1923, oculto en las menas de circonio, y siguen siendo difíciles de separar.
• Metales del periodo 6 muy densos: unos átomos que apenas crecen de tamaño mientras ganan mucha masa hacen que el osmio, el iridio y el platino sean excepcionalmente densos.
• Lantánidos difíciles de separar: los lantánidos vecinos difieren muy poco de tamaño, lo que hace que separarlos químicamente sea una tarea minuciosa. Antes de que maduraran los métodos de intercambio iónico y de extracción con disolventes a mediados del siglo XX, obtener un lantánido puro era extremadamente laborioso.

Tierras raras que no son tan raras

Las tierras raras son los quince lantánidos más el escandio y el itrio, diecisiete en total. El escandio y el itrio son elementos del grupo 3, pero aparecen en los mismos minerales y sus iones +3 se comportan de forma parecida, así que se agrupan juntos.

A pesar del nombre, las tierras raras no son especialmente escasas en la corteza terrestre. El cerio es aproximadamente tan abundante como el cobre, e incluso las más escasas, como el tulio y el lutecio, son más comunes que el oro o el platino. Se llaman raras porque los yacimientos económicamente concentrados son poco comunes y porque separar y refinar estos elementos casi idénticos es difícil. El prometio es la excepción: no tiene isótopos estables y en la naturaleza solo aparece en trazas minúsculas.

Buena parte de la historia de las tierras raras gira en torno a Ytterby, una pequeña aldea de Suecia. Los minerales de una cantera cercana dieron el itrio, el terbio, el erbio y el iterbio, y los cuatro recibieron el nombre de la aldea.

En la industria moderna, pequeñas cantidades de tierras raras marcan grandes diferencias de rendimiento.

• Neodimio, praseodimio y disprosio: imanes permanentes de neodimio-hierro-boro de motores de vehículos eléctricos, aerogeneradores, auriculares y discos duros.
• Samario: imanes de samario-cobalto que conservan su fuerza a altas temperaturas.
• Europio y terbio: fósforos rojos y verdes de pantallas y lámparas fluorescentes.
• Erbio: amplificadores de señal en las comunicaciones por fibra óptica.
• Gadolinio: contrastes para resonancia magnética.
• Cerio: polvo para pulir vidrio y catalizadores de escape de automóviles.
• Lantano: aleaciones de las baterías de níquel-hidruro metálico y vidrio de alto índice de refracción para objetivos de cámara.

La minería y el refinado producen a menudo residuos ácidos y subproductos radiactivos como el torio y el uranio, así que la carga ambiental es considerable. La producción y el refinado se concentran además en un pequeño número de países, lo que ha convertido la seguridad del suministro en una cuestión política en muchos lugares. Esa es una de las razones por las que atrae atención el reciclaje de tierras raras de aparatos electrónicos desechados.

Actínidos: todos radiactivos

Ninguno de los quince actínidos tiene un isótopo estable. El torio y el uranio, sin embargo, tienen semividas tan largas que han sobrevivido desde la formación de la Tierra; son elementos primordiales. El torio-232 tiene una semivida de unos 14.000 millones de años, el uranio-238 de unos 4.500 millones y el uranio-235 de unos 700 millones. Estas semividas largas hacen de los isótopos del uranio una herramienta clave para la datación radiométrica de las rocas y de la propia Tierra.

A diferencia de los lantánidos, los primeros actínidos muestran una amplia gama de estados de oxidación. El uranio va de +3 a +6 y el plutonio de +3 a +7. Los orbitales 5f se extienden más lejos del núcleo que los 4f y participan con más facilidad en los enlaces. Ese comportamiento llevó a los químicos de principios del siglo XX a tratar estos elementos como una prolongación de los metales de transición del bloque d, una visión que corrigió en 1945 el concepto de los actínidos de Glenn Seaborg.

Los elementos transuránicos

Los elementos con número atómico mayor que el 92 del uranio se llaman elementos transuránicos. Están casi ausentes de la naturaleza, y casi todos se fabricaron primero artificialmente.

1. En 1940, en Berkeley, Edwin McMillan y Philip Abelson bombardearon uranio con neutrones y produjeron neptunio (93).
2. Poco después el equipo de Seaborg identificó el plutonio (94). El plutonio-239 se fisiona con facilidad, lo que le dio un papel desmesurado en la historia de la energía y las armas nucleares.
3. El americio (95) y el curio (96) llegaron hacia 1944, y el berkelio (97) y el californio (98) en 1949-1950.
4. El einstenio (99) y el fermio (100) se identificaron por primera vez en 1952 en los restos de una prueba de bomba de hidrógeno.
5. El mendelevio (101), el nobelio (102) y el lawrencio (103) se fabricaron en aceleradores lanzando iones ligeros contra núcleos pesados de blanco.

Las semividas suelen acortarse al aumentar el número atómico, y el número de átomos que pueden fabricarse de una vez cae en picado. Ningún elemento más allá del fermio se ha reunido jamás en cantidad visible.

La radiactividad y sus usos

Los elementos radiactivos son peligrosos, pero cuando se comprende y controla su comportamiento son extremadamente útiles.

• Uranio-235: combustible de los reactores nucleares de potencia. Solo supone alrededor del 0,7 % del uranio natural, así que el combustible suele enriquecerse.
• Plutonio-238: combustible de los generadores termoeléctricos de radioisótopos, que convierten el calor de desintegración en electricidad. Han alimentado sondas del espacio profundo lejos del Sol y vehículos exploradores en Marte.
• Americio-241: semivida de unos 432 años. Una cantidad diminuta se usa en algunos detectores de humo iónicos.
• Californio-252: una potente fuente de neutrones que se usa para arrancar reactores y analizar materiales.

El peligro de la radiación no depende solo del elemento, sino del tipo de radiación (alfa, beta o gamma), de la dosis y de la vía de exposición. Un emisor alfa fuera del cuerpo se detiene con una hoja de papel, pero inhalado o ingerido puede causar daños graves. Por eso los actínidos solo se manipulan bajo una regulación estricta.

Resumen

Los lantánidos se parecen tanto que son difíciles de separar, pero sus sutiles diferencias deciden el rendimiento de imanes, fósforos y láseres. Los actínidos son todos radiactivos y son fundamentales para la energía nuclear, la exploración espacial y la datación radiométrica. Aunque las dos filas están apartadas de la tabla principal, siguen la misma regla que todo lo que hay encima de ellas: los electrones llenan los orbitales por orden. Recorre los elementos del bloque f y compara sus estados de oxidación y sus fechas de descubrimiento para ver el patrón por ti mismo.