Por Maria Alice Ibañez Duarte
Os chamados Elementos Terras Raras abreviados por ETR consistem em um conjunto de 17 elementos dos quais 15 deles estão agrupados na Tabela Periódica dos elementos sob o número atômico 57, correspondente ao lantânio. São chamados de lantanídeos (do lantânio ao lutécio).
A tabela periódica organiza os elementos químicos em ordem de número atômico e por semelhança de suas propriedades. O fato de todas as ETRs estarem agrupadas sob o lantânio reflete o seu comportamento na natureza, pois ocorrem misturados em alguns minerais. Têm uma configuração eletrônica similar e, exceto o lantânio, que inicia a série, todos têm elétrons preenchendo o orbital 4f.
Os outros dois elementos terras raras são o Ítrio e o Escândio, colocados no mesmo grupo na tabela periódica, considerados ETRs por possuírem propriedades similares.
São classificadas em leves e pesadas de acordo com seu número atômico.
- Terras raras leves, número atômico 57 a 63: lantânio (La), cério (Ce), praseodímio (Pr), neodímio (Nd), promécio (Pm), samário (Sm) e európio (Eu). São mais abundantes na natureza e exceto neodímio e praseodímio possuem menor valor de mercado.
- Terras raras pesadas, número atômico 64 a 71: gadolínio (Gd), térbio (Tb), disprósio (Dy), hólmio (Ho), érbio (Er), túlio (Tm), itérbio (Yb), lutécio (Lu). São mais raras e, portanto, mais valiosas.
Contrariamente à sua denominação, estes elementos não são raros na crosta terrestre, porém ocorrem em concentrações muito baixas, em formações rochosas massivas, sendo o desafio encontrar jazidas com concentrações suficientes para que sua extração e processamento seja economicamente viável.
A configuração eletrônica dos ETRs, elétrons preenchendo o orbital 4f, lhes confere uma série de propriedades que os tornam imprescindíveis nos dias de hoje.
- Propriedades magnéticas (neodímio, disprósio e samário)
Possuem propriedades magnéticas notáveis devido aos elétrons desemparelhados na subcamada 4f. Um ímã de neodímio tem 18 vezes mais energia magnética do que um ímã de ferro. Ímãs de terras raras são amplamente utilizados hoje em dia em muitas aplicações, incluindo turbinas eólicas, motores elétricos, sistemas de orientação em aeronaves e mísseis, alto-falantes para eletrônicos pessoais e discos rígidos de computadores.
- Propriedades luminescentes (európio, ítrio, érbio e neodímio)
Possuem propriedades luminescentes, o que significa que emitem luz quando estimulados pela radiação eletromagnética.
A luminescência ocorre quando os elétrons de um determinado composto são estimulados por uma fonte de radiação, mudam de posição na estrutura eletrônica e, ao voltarem ao estado inicial, devolvem esta energia para o meio na forma de luz. As propriedades luminescentes das terras raras estão diretamente relacionadas com a sua estrutura eletrônica também na subcamada 4f.
Esses elementos são usados como fósforos (substâncias emissoras de luz) em fontes de luz energeticamente eficientes, como diodos emissores de luz (LEDs) e lâmpadas fluorescentes compactas. Os fósforos de európio produzem luz vermelha, que se mostrou crucial para o desenvolvimento da televisão em cores na década de 1960. As propriedades fluorescentes dos íons de érbio os tornam especialmente úteis para amplificar sinais transmitidos por fibras de vidro. Amplificadores de fibra dopados com érbio intensificam o sinal em linhas de fibra ótica de alta capacidade que transportam dados de internet e chamadas telefônicas de longa distância ao redor do mundo.
Os lasers representam outro uso das propriedades luminescentes de vários elementos de terras raras. Ítrio-alumínio-granada (YAG) é um meio comum para lasers de estado sólido. Quando dopados com érbio, os lasers YAG produzem comprimentos de onda de luz focalizada, úteis para cirurgia oral e odontologia. Quando dopados com neodímio, os lasers YAG são amplamente utilizados em aplicações industriais, médicas e militares, como telêmetro (determinação da distância até o alvo) e designadores de alvo (apontamento preciso do alvo) para mísseis guiados.
- Propriedades elétricas (cério, lantânio, neodímio e praseodímio)
A condutividade elétrica é a capacidade de um material de conduzir corrente elétrica e é determinada pela estrutura eletrônica do material. Nos ETRs a condutividade elétrica é influenciada pela presença de elétrons desemparelhados na camada 4f e sua interação com as camadas eletrônicas mais externas.
As propriedades elétricas dos elementos de terras raras os tornam úteis para baterias de níquel-hidreto metálico (NiMH). Os ânodos dessas baterias são feitos de mischmetal (mistura de cério, lantânio, neodímio e praseodímio), de fabricação mais barata, pois os metais de terras raras não precisam ser totalmente separados uns dos outros. As terras raras conferem à bateria maior densidade energética e capacidade de armazenar energia após muitos ciclos de descarga e recarga. Essas baterias são amplamente utilizadas em carros híbridos e ferramentas de construção portáteis.
- Propriedades catalíticas (cério e lantânio)
A estrutura eletrônica das terras raras as torna úteis como catalisadores para reações químicas. Cério e lantânio são as principais terras raras usadas em aplicações catalíticas, visto que esses dois metais são muito mais abundantes e vendidos a preços muito mais baixos. O cério é usado em conversores catalíticos de carros movidos a gasolina. Este elemento captura e libera oxigênio prontamente, tornando-o útil para converter monóxido de carbono (CO) tóxico em dióxido de carbono (CO2) não tóxico por meio da oxidação. O lantânio é comumente usado no craqueamento catalítico em leito fluido, o processo de refino de petróleo bruto em hidrocarbonetos úteis específicos, como a gasolina.
As propriedades que tornam os ETRs tão importantes são dependentes da configuração 4f destes elementos, embora este não seja o caso para o lantânio, que não possui elétrons na camada 4f, mas é classificado como ETR já que compartilha as mesmas propriedades químicas e ocorre nos mesmos minérios.
A tabela a seguir lista as aplicações de cada um dos ETR:
| Número Atômico | Elemento | Símbolo | Estado de Oxidação mais comum | Usos |
| 21 | Escândio | Sc | +3 | Ligas metálicas, componentes aeroespaciais, iluminação |
| 39 | Ítrio | Y | +3 | LEDs, materiais fosforescentes, supercondutores |
| 57 | Lantânio | La | +3 | Lentes óticas, catalisadores, eletrodos de baterias |
| 58 | Cério | Ce | +3, +4 | Pós de polimento, catalisadores, aditivos de vidros |
| 59 | Praseodímio | Pr | +3 | Magnetos, coloração de vidros, motores de aviões |
| 60 | Neodímio | Nd | +3 | Magnetos (NdFeB), lasers, fones de ouvido |
| 61 | Promécio | Pm | +3 | Baterias nucleares (radioativo e muito raro) |
| 62 | Samário | Sm | +2, +3 | Magnetos (SmCo), lasers, reatores nucleares |
| 63 | Európio | Eu | +2, +3 | Fosforescência vermelha e azul em TVs, LEDs |
| 64 | Gadolínio | Gd | +3 | Contraste para exames de RNM, armazenamento de dados, ligas metálicas |
| 65 | Térbio | Tb | +3 | Fosforescência verde, células combustíveis, dispositivos magneto óticos |
| 66 | Disprósio | Dy | +3 | Magnetos, reatores nucleares, lasers |
| 67 | Hólmio | Ho | +3 | Lasers, barras moderadoras para reatores nucleares |
| 68 | Érbio | Er | +3 | Amplificadores de fibras óticas, lasers, cerâmicas |
| 69 | Tulio | Tm | +3 | Aparelhos de Raios-X portáteis, lasers |
| 70 | Itérbio | Yb | +2, +3 | Medidores de tensão, lasers, painéis solares |
| 71 | Lutécio | Lu | +3 | PET scan, catalisadores, Vidros de alta refração |
Métodos de separação de ETR
Como já foi disto anteriormente, as ETRs não são raras, ao contrário, são abundantes na crosta terrestre. Porém o fato de ocorrerem simultaneamente nos mesmos minerais, tais como bastnasita, monazita, xenotima, e argilas iônicas, e terem as mesmas propriedades químicas, torna o seu processamento para obtenção dos elementos isolados extremamente difícil. Resumidamente o processamento das ETRs até a obtenção dos elementos individuais passa por:
1. mineração
2. beneficiamento dos minérios por flotação, separação magnética ou por gravidade
3. dissolução (abertura) dos minérios com ácidos ou bases fortes
4. extração por solventes na fase aquosa resultante da abertura
Nesta última, mais complexa e trabalhosa etapa, as ETRs são repetidamente misturadas com vários ácidos que possuem afinidade (tendência a reagir) com diferentes elementos de terras raras. Em seguida, permitindo que essas misturas se separem em diferentes solventes imiscíveis, são conseguidas gradualmente maiores concentrações de metais específicos em cada separação. Repetido centenas ou milhares de vezes, esse processo pode alcançar purezas superiores a 99,9%.
Reservas mundiais
A China possui as maiores reservas mundiais de ETRs. Quarenta e quatro milhões de toneladas métricas, expressas em óxidos de terras raras (Re2O3), estão na China, que sendo também o maior produtor mundial produziu em 2024 270.000 toneladas métricas. Apesar de ser o maior produtor mundial, a China tem o foco em garantir que suas reservas permaneçam elevadas, fazendo importações de outros países.
O Brasil detém a segunda maior reserva de terras raras do mundo, com 21 milhões de toneladas métricas.
Embora o país não tenha sido um grande produtor de terras raras em 2024, isso mudará em breve. A empresa de terras raras Serra Verde iniciou a produção comercial da Fase 1 de seu depósito de terras raras Pela Ema, no estado de Goiás, no início de 2024. Até 2026, a mineradora espera produzir 5.000 toneladas métricas de óxido de terras raras anualmente.
Capacidade de produção
A China é líder absoluta, concentra além das maiores reservas, cerca de 85-90 % da capacidade mundial de beneficiamento e separação de terras raras.
Outros países detentores de tecnologia em muito menor escala para a separação de terras raras são Japão, Estados Unidos, Bélgica, Franca e Austrália.
Quanto ao Brasil, a mina de Pela Ema, um dos maiores depósitos de argila iônica do mundo, produzirá os quatro elementos magnéticos críticos de terras raras: neodímio, praseodímio, térbio e disprósio. De acordo com a empresa, esta é a única operação de terras raras fora da China a produzir todas as quatro terras raras magnéticas.
Fontes consultadas:
