¿LA TABLA PERIÓDICA DE LOS ELEMENTOS QUÍMICOS EN EXTINCIÓN?

¿LA TABLA PERIÓDICA DE LOS ELEMENTOS QUÍMICOS EN EXTINCIÓN?

 

QBP Elvia Mercedes Cabañas Cortés

episteme1900@gmail.com

 

Palabras clave: Tabla periódica, agotamiento, sostenibilidad, desechos, reciclado, devastación socioambiental.

 

En 2019 se celebraron 150 años de que el químico ruso Dimitri Ivánovich Mendeléiev ordenó los 63 elementos químicos conocidos, de acuerdo a su peso atómico, en forma de tabla. Esta Tabla Periódica de los elementos es un ícono de la ciencia, una construcción teórica y colectiva que en la actualidad tiene 118 elementos. Los químicos, físicos e investigadores de otras disciplinas afines, alertan de que, si se siguen demandando los elementos de la manera en que hasta ahora se hace, con elevados niveles de consumo y, en aumento, se acerca una situación crítica de suministro de los mismos y lo que se ha dado en llamar, la “extinción” de la Tabla Periódica.

CONMEMORACIÓN Y CELEBRACIÓN DE LA TABLA PERIÓDICA DE MENDELÉIEV

Hace 151 años, en 1869 el químico rusoDimitri Ivánovich Mendeléiev (1834-1907), ordenó la gran mayoría de los elementos químicos identificados hasta ese momento. Encontró que había una periodicidad, una repetición de propiedades químicas y físicas particulares a intervalos regulares a medida que aumentaba el peso atómico.

Los 63 elementos químicos propuestos formaban columnas y, con una excelente capacidad de predicción, Mendeléiev dejó espacios vacíos para que fueran colocados los elementos que todavía no se habían descubierto.Predijo la existencia de varios elementos como el galio (Ga) 31, escandio (Sc) 21 y germanio (Ge) 32, que fueron descubiertos durante la vida de Mendeléiev (1). También predijo las propiedades del tecnecio (Tc) 43, que después de muchos estudios, en 1937 se identificó plenamente y se le dio su nombre, de la palabra griega technètosque signfica “artificial”, por ser el primer elemento químico producido de forma artificial en el laboratorio.

Con las múltiples investigaciones posteriores, se llegó a la tabla periódica actual, uno de los más poderosos íconos de la ciencia que representa la esencia de la química, una construcción teórica y colectiva de todos los elementos que integran el universo. Con los cuatro nuevos elementos adicionados en 2016, se tienen 118 elementos aprobados por la Unión Internacional de la Química Pura y Aplicada (IUPAC, por sus siglas en inglés), así como por la Unión Internacional de la Física Pura y Aplicada (IUPAP).

El elemento 118, el oganesón (Og) es el elemento más pesado conocido en el universo y con él se completan los siete períodos de la Tabla Periódica de Elementos.Actualmente la tabla periódica está ordenada de acuerdo a su número atómico, es decir, la cantidad de protones que se encuentran en el núcleo de un elemento, lo que a su vez determina el número de electrones que orbitan alrededor de dicho núcleo (2).

La celebración de 2019 del Año Internacional de la Química, permitió también rendir homenaje a los recientes descubrimientos y denominación de cuatro elementos super pesados: Nihonio, (Nh) 113, Moscovio, (Mc) 115, Téneso, (Ts) 117 y Oganesón, (Og) 118, como resultado de una estrecha colaboración científica en el plano internacional (2).

 

DEMANDA MUNDIAL DE ELEMENTOS QUÍMICOS

La cada vez más elevada demanda de elementos químicos, para los muy diferentes procesos industriales y agrícolas entre otros, ha propiciado que los investigadores de química, física, la ciencia de los materiales y demás disciplinas afines, se preocupen por las cantidades en que se presentan los elementos en la naturaleza, su abundancia en las diferentes regiones del planeta, su disponibilidad, así como las proyecciones de la demanda futura de los mismos. Varios elementos químicos que alguna vez fueron curiosidades de laboratorio, ahora ocupan un lugar destacado en las nuevas tecnologías como turbinas eólicas, paneles de energía solar y automóviles eléctricos. Si se implementan ampliamente, tales inventos tienen la capacidad de transformar las formas de producción, transmisión, almacenamiento o conservación de energía (3). En las últimas décadas se han producido avances en la tecnología, particularmente con respecto a las comunicaciones, la tecnología de la información y los productos de consumo. Esto ha llevado a niveles de comodidad y conveniencia sin precedentes, diagnósticos y tratamientos médicos mejorados, transporte más eficiente y acceso rápido a cantidades de información que eran inimaginables hace una generación. Sin embargo, esto ha sido acompañado por un considerable agotamiento de los recursos (4).

En 2014 la Sociedad Americana de Química dio a conocer la investigación de los ocho metales geológicamente más escasos: que son antimonio, bismuto, boro, cobre, oro, molibdeno, renio y zinc. Este estudio analiza la necesidad de reducir la extracción de metales escasos de la corteza terrestre, para que sea sostenible su uso (5).

Esta misma Sociedad Americana de Química (ACS, por sus siglas en inglés), publicó en 2017 una tabla periódica denominada Los elementos en peligro de la tabla periódica”,donde se muestran los 44 elementos químicos que enfrentarán limitaciones de suministro en las próximas décadas. Estos elementos críticos incluyen elementos de tierras raras, metales preciosos e incluso algunos que son esenciales para la vida, como el fósforo. En la Fig. 1, en naranja claro, se presentan los 28 elementos que presentan Disponibilidad limitada y riesgo de futuro suministro. En naranja fuerte, los 7 elementos en Amenaza creciente con el aumento de su usoy en rojo fuerte los 9 elementos en Grave amenaza en los próximos 100 años.

La Sociedad Química Europea (EuChemS, por sus siglas en inglés), constituida por más de 160 000 químicos, propone una nueva tabla periódica: “Los 90 elementos químicos naturales que componen todo” ¿Cuánto queda? ¿Es suficiente? (Fig. 2) “…. se presenta una nueva versión, que se ha compilado para resaltar la disponibilidad restante de los 90 elementos y su vulnerabilidad a medida que la industria continúa devorando los recursos del mundo. De particular interés son los elementos específicos que se utilizan en la fabricación de teléfonos y otros dispositivos electrónicos”, dijo el profesor David Cole-Hamilton, vicepresidente de la EuChemS. Esta nueva tabla periódica dada a conocer en enero de 2019, considera 90 de los 118 elementos, pues los otros 28 elementos son sintéticos producidos en el laboratorio y algunos de ellos con una vida de fracciones de segundo, pues son sumamente inestables. Realmente son 92 los elementos químicos naturales que componen todo. Se han excluido los elementos sintéticos después del uranio. La EuChemS espera que esta Tabla Periódica única y provocadora de pensamientos, lleve a la reflexión y, en última instancia, a la acción.

En la tabla de la Fig. 2, están representados 92 elementos pues el tecnecio y el prometio, que son radiactivos, se encuentran en cantidades muy pequeñas en la naturaleza y generalmente se utilizan los de origen sintético.

El Tecnecio (Tc) 43es el radioisótopo más utilizado en la práctica diagnóstica actual. Aproximadamente el 80% de los procedimientos de medicina nuclearlo utilizan, principalmente en procedimientos de diagnóstico para observar el funcionamiento de los órganos del cuerpo humano. Hay radiofármacos basados en el tecnecio que favorecen la formación de imágenes en los estudios funcionales del cerebro, miocardio, glándula tiroidea, pulmones, hígado, vesícula biliar, riñones, esqueleto, sangre y tumores (1, 2).

El Prometio (Pm) 61se genera artificialmente en reactores nucleares, ya que es uno de los elementos resultantes de la fisión del uranio (U) 92, torio (Th) 90 y plutonio (Pu) 94. Todos sus isótopos conocidos son radiactivos. La mayoría del Pm se usa solo en investigación, aunque un poco se emplea en baterías atómicas especializadas. Estas son aproximadamente del tamaño de un alfiler y se usan para marcapasos, misiles guiados y radios (1, 2).

En la tabla periódica propuesta por la EuChemS, el área ocupada por cada elemento da una indicación de la cantidad de ese elemento en lacorteza terrestre y la atmósfera. La tabla está codificada por colores para mostrar que en algunos casos se están consumiendo elementos muy rápidoy de continuar así, su disponibilidad será limitada.

Uno de los aspectos importantes de esta nueva tabla periódica de la EuChemS, es que muestra los elementos químicos que son utilizados en la fabricación de teléfonos inteligentes y al igual que los elementos en negro, indica que éstos provienen de minerales de zonas en conflicto donde los derechos humanos son violentados, por la destrucción del medio ambiente y por el despojo. Estos minerales de conflicto provienen de minas en países donde se libran guerras por la propiedad de los derechos mineros.

El ícono del móvil está en 31 elementos químicos, pero otras fuentes mencionan que pueden ser hasta 70 y 80 elementos presentes en teléfonos móviles, que tendrán escaseces crecientes en los próximos años, ya que son utilizados también en otros dispositivos electrónicos como las computadoras y tabletas. En la Fig. 3 se muestran los elementos que componen un teléfono inteligente, sus funciones y tasas de reciclaje. Otra fuente menciona que solo se reciclan 4 metales del 1% de los móviles recuperados en 2016.

“Cada mes se descartan o reemplazan unos 10 millones de teléfonos inteligentes solo en la Unión Europea.La mayoría de ellos se envían al mundo en desarrollo, ya sea para su reutilización o para reciclaje, pero el reciclaje no es eficiente. Debemos analizar cuidadosamente nuestras tendencias para desperdiciar y reciclar indebidamente dichos artículos. A menos que se proporcionen soluciones, corremos el riesgo de ver que se agotan muchos de los elementos naturales que conforman el mundo que nos rodea, ya sea debido a los suministros limitados, su ubicación en áreas de conflicto o nuestra incapacidad para reciclarlos por completo. Algunos de los elementos tienen menos de 100 años para el futuro si seguimos usándolos al ritmo que lo hacemos. Entonces, las innovaciones de los teléfonos celulares y otros dispositivos electrónicos ¿son realmente necesarias?”, se preguntan en la EuChemS.

La EuChemS propuso esta versión de la tabla periódica en el Parlamento Europeo en enero de 2019, y han logrado llevarla a las escuelas de toda Europa. En los Países Bajos, la tabla ha sido entregada a 200 maestros, y en Italia están enviando una copia a todas las escuelas. La Real Sociedad de Química del Reino Unido, ha enviado una copia a cada uno de sus 50,000 miembros.

“Es sorprendente pensar que todo lo que vemos a nuestro alrededor en el mundo natural está formado por solo 90 bloques de construcción, los 90 elementos naturales. Además, estos 90 elementos, en diferentes combinaciones, conforman todas las maravillas de la naturaleza, y toda la tecnología y los dispositivos que usamos todos los días. Necesitamos tener una mejor manera de lidiar con estos recursos, o no los tendremos más”, dice David Cole-Hamilton.

 

ELEMENTOS QUÍMICOS EN SITUACIÓN CRÍTICA DE SUMINISTRO

Se dice que los elementos están en extinción, pero los elementos no se extinguen, de acuerdo a la Ley de la Conservación de la Materia: «nada se pierde, nada se crea, todo se transforma». El problema es que se dispersanyes más difícil recuperarlos, reutilizarlos o reciclarlos, pues los costos son elevados, no son rentables y generalmente los elementos quedan en los vertederos a cielo abierto o en cualquier otro espacio, contaminando suelo, agua y aire. También son incinerados, con los elevados peligros que esto representa.

 

Aplicaciones de elementos químicos en situación crítica de suministro.

Elementos que están en grave riesgo en 100 años

Helio (He) 2.  En ambas tablas periódicas presentadas, el helio es el único elemento que puede perderse o extinguirse en la Tierra. Es tan ligero que cuando entra en la atmósfera, se le escapa a la gravedad terrestre y se pierde en el espacio. El helio se forma naturalmente en el subsuelo por descomposicón radiactiva del uranio (U) 92 y el torio (Th) 90, los cuales liberan partículas alfa, que son núcleos de helio en un proceso que se ha llevado, miles de millones de años. El helio es un subproducto de la producción de gas natural. En una perforación sale la mezcla de gas natural y helio, y se separan por destilación fraccionada. Es importante recolectar eficientemente el helio liberado al extraer gas natural; de lo contrario, rápidamente se perderá un elemento crítico sin sustitutos conocidos hasta ahora. El helio se usa en diagnóstico médico para imagenología de resonancia magnética (IRM), pues enfría estos equipos que usan súper imanes o superconductores. Otro uso importante es para diluir el oxígeno en el “aire” que usan los buzos para respirar en aguas profundas. Existen métodos especiales para recuperar el helio en estas dos aplicaciones. También se usa como medio de enfriamiento para el Gran Colisionador de Hadrones. Una aplicación muy generalizada e inconveniente del helio, es para inflar globos, pues de esa manera, se pierde para siempre (3, 4, 6).

“La Sociedad Americana de Física está profundamente preocupada por la posible pérdida de las reservas acumuladas de helio. El helio es esencial para lograr las temperaturas extremadamente frías requeridas por muchas tecnologías actuales y emergentes, así como para la investigación científica avanzada. La demanda general de helio ha aumentado constantemente, y hay muchas razones para creer que esta tendencia continuará”. Las excelentes propiedades térmicas del helio, combinadas con su inercia química y nuclear, lo convierten en el fluido de elección para el diseño avanzado de reactores nucleares (3).

 

Zinc (Zn) 30.  El zinc es actualmente el cuarto metal más consumido en el mundo después del hierro, el aluminio y el cobre. Aproximadamente la mitad del zinc que se produce se utiliza en el galvanizado de zinc para proteger al acero de la corrosión. El siguiente uso más importante del zinc, son las aleaciones con el cobre y otros metales para formar materiales de automóviles, componentes eléctricos y accesorios para el hogar. Se emplea en baterías de la industria aeroespacial especialmente para misiles. Se consumen grandes cantidades de zinc para producir fundiciones a presión, que son importantes en las industrias automotriz, eléctrica y de hardware. El óxido de zinc se ocupa ampliamente en la fabricación de muchos productos, como pinturas, caucho, cosméticos, productos farmacéuticos, plásticos, tintas, jabones, baterías, textiles y equipos eléctricos. El sulfuro de zinc se aprovecha para hacer pinturas luminosas, luces fluorescentes y pantallas de rayos X.  El zinctambién tiene fecha de agotamiento, se extraen millones de toneladas al año, pero la oferta es finita y la demanda es infinita.(3, 4, 6).

Galio (Ga) 31.  Se estima que el galio constituye el 0.0015 por ciento de la corteza terrestre y no hay suministros concentrados del mismo. El galio es difícil de extraer y se encuentra junto con el zinc o el aluminio. Y dado que hay poco, se extrae con dificultad, pero se utiliza mucho, y está en riesgo de desaparición.El arseniuro de galio tiene una estructura similar al semiconductor silicio y es un sustituto del mismo para la industria electrónica, así como el nitruro de galio. La producción de semiconductores demanda un 98% del galio. Se usa también en paneles solares. Tiene usos importantes en LED azules y verdes y sensores de presión para interruptores táctiles. Se encuentra en productos que requieren funcionar a altas temperaturas durante mucho tiempo, como el teléfono celular, en los circuitos integrados de alta pureza de las computadoras, la TV, los componentes del cristal líquido y diodos de láser (dispositivo que emite luz monocromática) (3, 4, 6). En la Fig. 4, se muestra el galio y otros elementos componentes de las lámparas de LED (Diodos Emisores de Luz, por sus siglas en inglés).

Germanio (Ge) 32.  El óxido de germanio tiene un alto índice de refracción y dispersión. Esto lo hace adecuado para su uso en lentes de cámara gran angular y objetivos para microscopios. Este es ahora el uso principal de este elemento. El germanio se utiliza en lámparas fluorescentes, como catalizador y como agente de aleación. Agregar 1% de germanio a la plata evita que se empañe. Tanto el germanio como el óxido de germanio son transparentes a la radiación infrarroja y, por lo tanto, se usan en espectroscopios infrarrojos y en los sistemas de visión nocturna. Como importante semiconductor es componente de diodos, transistores, radares y fibra óptica (3, 4, 6).

Arsénico (As) 33.  Cerca del 70% de la producción mundial de arsénico se usa en la preservación de la madera en forma de arseniato de plomo y cromo. En los paneles solares o celdas fotovoltaicas, se usa el semiconductor arseniuro de galio (GaAs). El arsénico también se usa en la construcción de diodos de láser y LED (3, 4, 6). El elevado consumo de arsénico, así como de mercurio (Hg) 80, siendo de los elementos más tóxicos que existen, ha sugerido ser la causa de origen de enfermedades humanas insidiosas que se han vuelto prevalentes (7). Cabe decir también, que el mercurio se encuentra en amenaza creciente con el aumento de su uso.

Plata (Ag) 47.  La plata se usa para hacer espejos, ya que es el mejor reflector de luz visible conocido. También se utiliza en aleaciones dentales, soldaduras y aleaciones de soldadura fuerte, contactos eléctricos y baterías. El bromuro y el yoduro de plata fueron importantes en la historia de la fotografía, debido a su sensibilidad a la luz. En la fotografía digital, las sales de plata siguen siendo importantes para producir imágenes de alta calidad y proteger contra la copia ilegal. Es empleada cada vez más en electrónica por su elevada conductividad, en los contactos de circuitos integrados y en teclados de computadoras. Las pinturas plateadas se utilizan para hacer circuitos impresos de electrónica. Las nanopartículas de plata se usan en la ropa para evitar que las bacterias digieran el sudor y formen olores desagradables, pero estos nanomateriales son tóxicos. (3, 4, 6).

Indio (In) 49.  El indio, otro elemento en peligro de suministro, es un aditivo de gasolina y un componente de las barras de control utilizadas en reactores de energía nuclear y se está consumiendo muy rápido. El 45% de todo el indio extraído, se utiliza como óxido de indio y estaño, que son componentes de la película conductora de las pantallas táctiles de los celulares, tabletas y de los cajeros automáticos, entre otros dispositivos. Se adhiere fuertemente al vidrio y es transparente.También se usa en los paneles solares y pantallas planas. Este óxido de indio y estaño es el principal conductor que existe, pero es uno de los elementos menos abundantes en la corteza terrestre. Las reservas de indio en la tierra son tan escasas que se calcula que este material para el uso de pantallas interactivas, podría terminarse en 20 o 50 años o encontrarse en fuentes de difícil acceso, ocasionando costos inaccesibles. El nitruro, el fosfuro y el antimoniuro de indio, son semiconductores utilizados en transistores y microchips (3, 4, 6). El estaño, más abundante que el indio, es uno de los elementos con disponibilidad limitada y riesgo de futuro suministro, como menciona la ACS y la EuChemS.

Telurio (Te) 52. El telurio constituye ~ 0.0000001 % de la corteza terrestre; es más raro que el oro y el platino. El telurio se ha utilizado para vulcanizar caucho, teñir vidrio y cerámica, en CD y DVD regrabables, en aplicaciones de semiconductores y como catalizador en la refinación de petróleo. Es utilizado en la generación de energía solar fotovoltaica avanzada, como telururo de cadmio (CdTe) que domina actualmente la industria de paneles solares de película delgada, los más eficientes a la fecha (3, 4, 6).
La exposición al telurio es peligrosa, tanto en su minería, como en los procesos industriales en que se ocupa. El telurio es muy tóxico y teratogénico (perturba el desarrollo de un embrión o feto). Los trabajadores expuestos a cantidades muy pequeñas de telurio en el aire desarrollan “aliento de telurio”, que tiene un olor a ajo. El cadmiotiene efectos tóxicos en los riñones y en los sistemas óseo y respiratorio; además, está clasificado como carcinógeno para los seres humanos (6).

Hafnio (Hf) 72. El hafnio, se encuentra en cantidades minúsculas en minerales que contienen zirconio. Se utiliza en los chips de las computadoras y de los teléfonos inteligentes. Se usa para fabricar barras de control, ya que es un buen absorbente de neutrones, controlando así los reactores nucleares en general y también los reactores de los submarinos nucleares. Está presente en aleaciones de hierro, titanio, niobio y otras aleaciones metálicas. Se ocupa ampliamente para cortar acero y en sopletes de plasma. Los catalizadores de hafnio se han usado en reacciones de polimerización (3, 4, 6).

Elementos en amenaza creciente con el aumento de su uso

Los siete elementos en esta situación (en color naranja fuerte de la Fig. 1), corresponden al rutenio (Ru) 44, rodio (Rh) 45, tantalio (Ta) 73, osmio (Os) 76, iridio (Ir) 77, platino (Pt) 78 y uranio (U) 92. Cinco de estos elementos corresponden al grupo de los metales del grupo de platino(MGP) que son el rutenio, rodio, osmio, iridio, platino y paladio (Pd) 46, con propiedades químicas y físicas similares como su elevada resistencia al desgaste, al deslustre, a la corrosión, al ataque químico y a las altas temperaturas. Todos los MGP, comúnmente aleados entre sí o con otros metales, pueden actuar como catalizadores que se ocupan en una amplia gama de procesos industriales. Hay una elevada demanda de rodio y platino en los convertidores catalíticos de los automóviles. El uso principal de los MGP es en autocatálisis y como catalizadores industriales, pero otras aplicaciones importantes incluyen joyería, fabricación de productos químicos y farmacéuticos, refinación de petróleo, productos eléctricos, de electrónica, teléfonos móviles, paneles solares y fibras ópticas, entre otros múltiples usos (9). Por su elevado costo los MGP se consideran metales preciosos, junto con el oro y la plata. El paladio corresponde a los elementos que representan disponibilidad limitada y riesgo de futuro suministro. La abundancia en la corteza terrestre de los metales preciosos, es de las más bajas (7), como puede verse en la Fig. 5.

Es interesante ampliar la información del Iridio (Ir) 77, que es uno de los elementos más raros de la Tierra. Debido a su alto punto de fusión y baja reactividad, el iridio se usa como contacto en las bujías. Su resistencia a la corrosión se aprovecha para hacer los cristales de las luces de LED. El iridio se utilizó para crear la barra métrica estándar utilizada para medir la unidad de distancia desde 1889 hasta 1960. El metal tiene varios usos importantes en la química, como en la producción de cloro y en una amplia gama de reacciones catalíticas, especialmente en el sector farmacéutico, pero también en la conversión de biomasa. El consumo global de iridio en dispositivos eléctricos ha aumentado en un 30 por ciento. Se espera que esta tendencia al alza continúe con la industria electrónica. El problema con el iridio es doble: 1º) la extracción y el procesamiento del iridio es costoso, requiere mucho tiempo y produce importantes impactos ambientales. Los procesos para extraer y refinar el iridio son altamente intensivos en energía con un gran potencial de calentamiento global (10), como se puede ver en la Fig. 6.  2º) La mayoría del iridio se extrae en Sudáfrica, que tiene una elevada tensión social: junto con los problemas socioeconómicos, de seguridad y ambientales que afectan a las minas y las ciudades cercanas, los últimos 10 años han visto más violencia y huelgas laborales que en cualquier otro momento posterior al apartheid (8, 9).

Todos los elementos químicos y minerales tienen diferentes procesos que contribuyen al calentamiento global, como se puede observar en la Fig. 6 anteriormente mencionada, pues todos necesitan de energía fósil en su ciclo de vida. Llama la atención que con el rodio se genera mayor cantidad de CO2.

 

Elementos con disponibilidad limitada y riesgo futuro de suministro

Los 28 elementos en esta condición corresponden al litio (Li), boro (B), magnesio (Mg), fósforo (P), escandio (Sc), vanadio (V), cromo (Cr), manganeso (Mn), cobalto (Co), niquel (Ni), cobre (Cu), selenio (Se), estroncio (Sr), itrio (Y), zirconio (Zr), noiobio (Nb), molibdeno (Mo), praseodimio (Pd), cadmio (Cd), estaño (Sn), antimonio (Sb), tungsteno (W), oro (Au), mercurio (Hg), talio (Tl), plomo (Pb), bismuto (Bi) y neodimio (Nd). En la Fig. 1, se marcan en naranja claro.

Litio (Li) 3.  El 56% de litio se usa en baterías recargables de alta potencia para vehículos eléctricos y para almacenamiento de energía. Se piensa sustituir los coches actuales que usan energía fósil, por carros eléctricos con pilas que tengan de 2 hasta de 65 kilos de litio, para mayores recorridos sin cargar la batería. Para 1 000 millones de coches eléctricos con pilas de 65 kilos, se requieren 65 millones de toneladas de litio. Actualmente ya hay 2 millones de autos eléctricos. Pero, las reservas estimadas en 2018 a nivel mundial por el Servicio Geológico de EE. UU. (U.S.G.S.) son de 47 millones de toneladas de litio. Se estima que la demanda de litio aumentaría unas 300 veces en 10 a 15 años (11).

Las baterías de litio recargables más pequeñas se utilizan ampliamente para teléfonos celulares, computadoras portátiles, cámaras digitales y otros dispositivos electrónicos. El litio y el lantano se utilizan en baterías de alto rendimiento. Las aleaciones de aluminio y litio se encuentran en aviones, cuadros de bicicletas y trenes de alta velocidad.Las aleaciones livianas de litio y magnesio y las resistentes aleaciones de litio y aluminio, son más duras que el aluminio solo y tienen aplicaciones estructurales en la industria aeroespacial y otras(3, 4, 6).  El cobalto es otro componente fundamental de las pilas para autos eléctricos y se encuentra en esta misma condición de disponibilidad limitada y riesgo de futuro suministro.

En 2018, el 60% del litio a nivel mundial se encontraba en los salares del “Triángulo del Litio” de América del Sur, en Bolivia, Chile y Argentina. En esta zona hay muchos conflictos sociales, pues algunas sitios son sagrados para los pueblos originarios de la región y se genera devastación del medio ambiente. El proceso de refinado origina una cantidad muy elevada de agua contaminada, que se vierte en la presa del Mauro en Chile, la presa más grande y tóxica de América Latina (12).

Fósforo (P) 15.  El fósforo tiene muchas aplicaciones industriales que van desde la síntesis química final hasta la metalurgia y los recubrimientos. La demanda mundial de fósforo es de aproximadamente 20 millones de toneladas por año y continúa creciendo, estimándose que alcanzará su pico para el año 2030 (4). A este ritmo, se espera una escasez en los próximos 20 o 50 años. Lo más preocupante es que el fósforo es un nutriente esencial requerido para la vida tal como la conocemos en la tierra y es insustituible.Forma la columna vertebral de azúcar y fosfato del Ácido Desoxirribonucleico (ADN) y del Ácido Ribonucleico (ARN). Es importante para la transferencia de energía en las células y se encuentra en muchas otras moléculas biológicamente importantes (6). El 90% de la producción mundial de fósforo mineral es para fertilizantes, principalmente para la agricultura industrial. Gran parte de este fertilizante se pierde como escurrimiento, contribuyendo en última instancia a la eutrofización del medio acuático tanto marino como de aguas continentales. Esto significa grandes lagunas o zonas costeras a nivel mundial sin vida, pues se favorece el crecimiento masivo de algas, que impiden el paso de la luz del sol, así como del oxígeno. Al morir las algas, las cianobacterias se reproducen y generan sustancias tóxicas (3, 4).

 

LOS LANTÁNIDOS O TIERRAS RARAS

Los lantánidos o tierras raras, constituyen una serie de elementos desde el lantano al lutecio con números atómicos del 57 al 71, del Grupo III de la tabla periódica. A éstos se les ha adicionado el escandio y el itrio, ya que todos ellos tienen propiedades físicas y químicas similares. A pesar del nombre, los metales de tierras raras, no son de hecho raros. Estos 17 elementos metálicos son comunes en la corteza terrestre y se encuentran como óxidos metálicos contenidos en unos 25 minerales. El nombre de “tierra” proviene de la antigua denominación que se daba a los óxidos en el siglo XIX, y en cuanto a “raras”, hace referencia a la dificultad de extraer y procesar los materiales, ya que los yacimientos de estos elementos normalmente se mezclan con otros materiales geológicos y resulta complicado extraerlos individualmente.

Las tierras raras son estratégicas para las tecnologías avanzadas, pues tienen usos en una gran variedad de aplicaciones vinculadas con sus excelentes propiedades eléctricas, magnéticas, luminiscentes, catalíticas y ópticas. Se encuentran en los sectores de automoción, telecomunicaciones, electrónica, aeroespacial, tecnologías militares, catalizadores, metalurgia, vidrio/pulido e imanes. En la producción de energías de bajo consumo como turbinas eólicas, paneles solares, vehículos eléctricos e iluminación. Por el momento son insustituibles (3, 4, 7, 13). La abundancia de los lantánidos, es de nivel medio como se observa en la figura 5.

China extrae y produce en su propio territorio un 90% de las 17 tierras raras a nivel mundial, con poca regulación ambiental, lo que le ha permitido el control de las mismas desde 1990. El gobierno chino ha reconocido el increíble daño ambiental. “La minería excesiva de tierras raras ha provocado deslaves, ríos obstruidos, emergencias por contaminación ambiental e incluso accidentes y desastres importantes, que han causado gran daño a la seguridad y la salud de las personas y al medio ambiente ecológico” (14).

En la explotacióny procesamientode las tierras raras se crean cantidades considerables de desechos tóxicos, radiactivos, gases y polvos. La obtención de una tonelada de tierras rarasproduce alrededor de 9 000 y 12 000 metros cúbicos de gases, ricos en polvo concentrado, conformado por ácido sulfúrico, dióxido de azufre y ácido fluorhídrico y más de 75 000 litros de agua acidificada. También se genera cerca de una toneladade restos radioactivos de torio (Th) 90, uranio (U) 92 y radio (Ra) 88, que se encuentran en el subsuelo mezclados con las tierras raras, en función de la zona geológica. La presencia de estas impurezas radiactivas es ubicua y de baja concentración, constituyendo un problema en el refinado o purificación de las tierras raras (6). Los procesos necesarios para extraer las tierras raras del mineral y refinarlos en productos utilizables, son extremadamente peligrosos y tóxicos. Por ejemplo, el cerio (Ce) 58 se extrae triturando mezclas minerales y disolviéndolas en ácido sulfúrico y nítrico, y esto debe hacerse a gran escala industrial, lo que resulta en una gran cantidad de desechos venenosos como subproducto.

Los materiales radioactivosy ácidosutilizados para extraer y procesar las tierras raras, contaminan las fuentes de agua cercanas a la mina, causando enfermedades en los seres humanos y animales que las consumen. Hay daño a los suelos aledaños, incapacitándolos para su producción agrícola y animal, lo que representa un gran impacto socialdentro de las comunidades cercanas a las minas. Además, los cráteres creados para su producción generan un gran impacto visual, pudiendo disminuir la vistosidad de un paisaje entero. La explotación de estos recursos se lleva a cabo en minas a cielo abierto y los polvos generados no pueden ser tratados ni controlados, siendo expulsados directamentea la atmósfera, causando la intoxicación de plantas, animales y seres humanos expuestos a los mismos (15).

En Baotou, ciudad industrial de Mongolia Interior en China, hay un lago artificial formado de los lodos negros residuales, provenientes del refinado de las tierras raras.   …. “Después de ver el impacto de la minería de tierras raras, es imposible ver los dispositivos que uso todos los días de la misma manera. Mientras veía a Apple anunciar su reloj inteligente recientemente, se me ocurrió una idea: una vez que fabricamos relojes con minerales extraídos de la Tierra y los tratamos como reliquias preciosas; ahora usamos minerales aún más raros y queremos actualizarlos anualmente. Las compañías de tecnología nos instan continuamente a actualizarnos; comprar la tableta o teléfono más nuevo. Pero no puedo olvidar que todo comienza en un lugar como Baotou, y un terrible lago tóxico que se extiende hasta el horizonte”. Escribe Tim Maughan, de la BBC de Londres, después de un viaje por la cadena de suministro global, rastreando la ruta que toman los productos electrónicos de consumo desde China a las tiendas y hogares, a través de portacontenedores y fábricas (16).

Finalmente, resulta interesante lo que está sucediendo con la eliminación por la orina del gadolinio (Gd) 64, una vez que ha sido introducido por vía intravenosa y utilizado como sustancia base de contraste para la obtención de imágenes por resonancia magnética (IRM). Hasta 2018 se han administrado casi 500 mil millones de dosis de gadolinio a pacientes en todo el mundo. El elemento fue detectado en el Mar del Norte frente a Alemania en la década de 1990, y desde entonces se ha documentado en ríos, canales, aguas superficiales, en el océano y aguas de países como Australia, Japón, Francia y los Estados Unidos. El gadolinio liberado en el ambiente marino afecta a muchos organismos. Se ha demostrado que medusas y rotíferos microscópicos (plancton diminuto) son más sensibles que los crustáceos a los elementos de tierras raras como el gadolinio, que puede ser tóxico para ciertas especies de algas. Es posible que estos productos químicos puedan regresar a los seres humanos a través de la cadena alimentaria (17).

Desde la década de 1980, los agentes de contraste basados en gadolinio (ACBG) se han utilizado habitualmente en la resonancia magnética como quelatos estables del ion Gd 3+, sin efectos tóxicos. En general, los ACBG se consideran de los agentes de contraste más seguros. Sin embargo, se ha observado que pueden acumularse en los tejidos, huesos y probablemente en el cerebro del paciente. Causan fibrosis sistémica nefrogénica en pacientes con insuficiencia renal y alteración de la homeostasis del calcio en el organismo. Los ACBG se eliminan predominantemente por vía renal sin metabolización. Posteriormente, no se someten a procesos de degradación en las plantas de tratamiento de aguas residuales y se vierten al ecosistema acuático (18).

 

POSIBLES ALTERNATIVAS AL BAJO SUMINISTRO DE ELEMENTOS

  1. Para la Sociedad Europea de Química, la protección de los elementos en peligro de extinción debe lograrse en varios niveles.Como individuos, debemos preguntarnos si las actualizaciones de nuestros teléfonos y otros dispositivos electrónicos son realmente necesarias, y debemos asegurarnos de que reciclamos correctamente para evitar que los dispositivos electrónicos viejos no terminen en vertederos o contaminen el medio ambiente.A nivel político, necesitamos ver un mayor reconocimiento de los riesgos que plantea la escasez de elementos, y se deben tomar medidas para apoyar mejores prácticas de reciclaje y una economía circular eficiente.Además, la transparencia y las cuestiones éticas deben considerarse para evitar el abuso de los derechos humanos, así como para permitir que los ciudadanos tomen decisiones informadas al comprar teléfonos inteligentes u otros dispositivos electrónicos, ya que muchos de los elementos que necesitamos en nuestros productos electrónicos se importan de zonas de conflicto.

La ONU propone la expansión del tiempo de vida de los elementos, por medio de la Economía Circular, donde los bienes de consumo usados se reparan, reutilizan y reciclan.Un solo uso y luego descartar no puede continuar, esto lo retoma también la EuChemS.

  1. “Se necesitan más personas y más dinero dedicado a identificar posibles sustitutos, informar a los investigadores y al público sobre los problemas de los elementos críticos para las tecnologías relacionadas con la producción de energía, y mejorar la eficiencia con la que extraemos, usamos y reclamamos estos elementos, también senecesita tecnología de reciclaje de alta tecnología”, comenta el físico Robert Jaffe (19).

3.R. Arvidson y B. A. Sanden, exploran la idea de que los metales escasos y ampliamente demandados, puedan ser sustituidos por nanomateriales de carbono, principalmente por el grafeno, nanotubos y fullerenos, que sustituirían a 14 metales geológicamente escasos como son: antimonio, berilio, cromo, cobalto, galio, germanio, oro, indio, niobio, platino, plata, tantalio, estaño y tungsteno. Sin embargo, dicen los autores, “recomendamos más estudios para analizar estas tecnologías con respecto a su desempeño ambiental para evitar problemas al pasar de la escasez de metales a los efectos (eco) tóxicos de los nanomateriales de carbono u otros impactos relacionados con su producción y uso” (20).

  1. La síntesis es la principal vocación de la Química, hay que innovar en la síntesis de sustancias iguales o similares a las sustancias naturales o la síntesis de sustancias que no existen en la naturaleza. Sintetizar materiales para catálisis, óptica, semiconductores, electrónica, celdas fotovoltaicas, paneles solares y materiales para almacenar energía eléctrica (21).

5.“A medida que nuestro suministro de algunos elementos esenciales se agota, es hora de comenzar la minería urbana”, dice Emma Davies de la Real Sociedad de Química, del Reino Unido. Es decir, buscar en la basura urbana, en los vertederos los dispositivos que contengan los elementos químicos críticos para recuperarlos (22).

 

REFLEXIONES FINALES

La elevada disminución del suministro de los elementos, metales y minerales, plantea situaciones muy complejas, pues en el momento actual del calentamiento global en aumento, por los altos niveles de CO2y demás contaminantes, es importante reflexionar sobre este problema.

La tendencia exponencial de la demanda de los minerales para los dispositivos de alta tecnología, así como el bajo nivel de reciclaje, y la ineficiencia del mismo requieren de una mayor extracción con consecuencias ambientales, sanitarias, energéticas, hídricas y de huella de carbono. Los procesos de recuperación, reutilización y reciclaje de los productos industriales de cualquier uso: doméstico, de salud, de servicios o industriales, tienen altos costos. Necesitan instalaciones, equipos, personal capacitado y tecnologías específicas, suministro de algunos otros materiales, agua y energía para los procesos utilizados. Todo proceso que use energía fósil, genera CO2.

Para los productos de alta tecnología que están en aumento, se necesitan procesos de recuperación, reutilización y reciclaje con tecnologías avanzadas y sumamente específicas.

Los ciclos de vida de los elementos y minerales, desde la extracción, refinado, transporte, procesos productivos de los dispositivos industriales y de consumo, hasta los productos al término de su vida útil, incluyendo la recuperación, el reuso, el reciclado, son insosteniblesy, la devastación ambiental y los conflictos socioambientales, se producen de manera desigual, tanto dentro de los países, como a nivel mundial. El caso más preocupante es el de las inmensas toneladas de basura electrónica, que cada año aumentan. Esto representa todo un desafío para su recuperación y reciclado, por los elevados peligros socioambientales y de salud generados, principalmente en el reciclado informal en los países receptores de África, China misma, y así como México.

La Tierra es finita, el suministro global de metales y minerales también, la eliminación de metales de las existencias naturales, ocasiona una reducción del suministro total de metales, que no se puede reemplazar por completo, ya que no es posible la recuperación total de los metales, sobre todo cuando se encuentran en pequeñas cantidades en matrices complejas. Los productos de alta tecnología son esenciales para el funcionamiento de la modernidad actual dominante. Se requieren metales especificos que abarquen toda la tabla periódica para obtener un redimiento óptimo, así como la verdadera existencia, de los productos actuales de alta tecnología. Cada uno de estos metales tiene propiedades químicas y físicas distintas basadas en su estructura nuclear y/o electrónica que, a menudo, no puede ser replicada por ninguna otra sustancia, natural o artificial. La sustitución de un metal determinado en el producto, por otro metal o por materiales sintéticos, generalmente da como resultado una disminución marcada en el rendimiento (7).

Hay más preguntas que respuestas a este complejo problema. Algunas son las siguientes: ¿Es posible obtener la sostenibilidad, considerando también la toxicidad de muchos de los elementos, al medio ambiente, a los trabajadores y a los usuarios? ¿Es posible y conveniente seguir con el mismo nivel de producción y consumo de dispositivos y equipos?

¿Es posible definir prioridades sobre qué productos tecnológicos son los estrictamente necesarios y sostenibles para apoyar su producción? ¿Quién o quienes pueden definir esto y cuándo? ¿De dónde saldrán los recursos económicos para financiar los procesos de recuperación, reuso y reciclado de los materiales y equipos desechados? ¿De los usuarios, de los Estados, de la industria, de todos los anteriores? ¿Cuáles son las consecuencias de seguir esta tendencia productiva dominante actual, para las generaciones futuras?

 

REFERENCIAS

1) Fernández EJ. y J Fernández. El icono de los químicos: la tabla periódica de los elementos. An Quím 2012; 108(3): 314-312.

2)  Karol PJ. et al. Discovery and assignment of elements with atomic numbers 113, 115, 117 and 118. IUPAC announces the verification of the discoveries of four new chemical elements: The 7th period of the periodic table of elements is complete.Pure Appl Chem2016; 88:139.

3)  Energy Critical Elements. 2010. Securing Materials for Emerging Technologies. A report by the aps panel on public affairs & the materials research society. American Physical Society (APS).

4)  The Chemical Sciences and Society Summit (CS3). Documento de la reunión internacional de químicos, sobre el uso eficiente de los elementos. 2013, Japón.

5)  Henckens M, et al.Metal scarcity and sustainability, analyzing the necessity to reduce the extraction of scarce metals. Resour Conserv Recycl 2014; 93: 1-8.

6) Royal Society of Chemistry, UK. http://www.rsc.org/periodic-table

7) Izatt RM, et al.Challenges to achievement of metal sustainability in our high-tech society. Chem Soc Rev 2014; 43: 245. DOI: 10.1039/c3cs60440c

8) Morris A. 2017. Critical elements series: Iridium – An amazingly useful element, but at what cost? Sociedad Americana de Química, ACS por sus siglas en inglés.

9) https://communities.acs.org/community/science/sustainability/green-chemistry-nexus-blog/blog/2017/04/18/critical-elements-series-iridium-an-amazingly-useful-element-but-at-what-cost

10)  Nuss P, Eckelman MJ. Life Cycle Assessment of Metals: A Scientific Synthesis. PLoS ONE 2014; 9(7): e101298. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0101298

11)  Gramling C. 2019. The search for new geologic sources of lithium could power a clean future. Sciences News. https://www.sciencenews.org/article/search-new-geologic-sources-lithium-could-power-clean-future

12) How sustainable is your smartphone? – interactive.Holtum C. et al.2014. The Guardian.  http://www.theguardian.com/sustainable-business/ng-interactive/how-ethical-is-your-smartphone

13)  Study on the review of the list of Critical Raw Materials. Final Report. 2017. European Commission

14)  Paramaguru K. 2013. Rethinking our risky reliance on rare earth metals. http://science.time.com/2013/12/20/rare-earths-are-too-rare/

15)  Asociación Geoinnova, España. https://geoinnova.org/blog-territorio/extraccion-tierras-raras-impacto-ambiental/

16) Maughan T. 2015. The dystopian lake filled by the world´s tech lust. BBC.

http://www.bbc.com/future/story/20150402-the-worst-place-on-earth

17)  Rapp LJ. 2018.  Is a chemical used in MRIs a threat to marine ecosystems?. https://www.hakaimagazine.com/news/is-a-chemical-used-in-mris-a-threat-to-marine-ecosystems/

18) Rogowska J, et al. Gadolinium as a new emerging contaminant of aquatic environments. Environ Toxicol Chem 2018; 37(6):1523–1534.

19)  Energy-critical elements: Why you should care about chemistry. https://joeljean.wordpress.com/tag/robert-jaffe/

20)  Arvidsson R, Sanden BA. Carbon nanomaterials as potential substitutes for scarce metals. Journal of Cleaner Production. 2017; 156: 253-261.

21) The role of the chemical sciences in finding alternatives to critical resources. 2012. National Research Council (US) Chemical Sciences Roundtable. National Academic Press. Washington. DC.

22)  https://www.chemistryworld.com/section/feature/critical-thinking/3004558.article