Extraños elementos de la Tierra

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extraños elementos de la Tierra
Nombre corto/título	ree y rem
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Elementos de tierras raras (tierras raras [1] ; abreviatura REE , inglés  TR , REE , REM ) - un grupo de 17 elementos , incluidos escandio , itrio , lantano y lantánidos ( cerio , praseodimio , neodimio , prometio , samario , europio , gadolinio , terbio , disprosio , holmio , erbio , tulio , iterbio , lutecio ).

Los elementos de tierras raras presentan una gran similitud entre ellos en cuanto a propiedades químicas y algunas propiedades físicas, lo que se explica por la estructura casi idéntica de los niveles electrónicos externos de sus átomos . Todos ellos son metales de color blanco plateado , mientras que todos tienen propiedades químicas similares (el estado de oxidación más característico es +3). Los elementos de tierras raras son metales , se obtienen por reducción de los óxidos correspondientes , fluoruros, electrólisis de sales anhidras y otros métodos.

De acuerdo con las propiedades químicas y la coexistencia en la naturaleza, se dividen en subgrupos:

• itrio (Y, La, Di-s - Lu)
• cerio (Ce - Eu)

Según su masa atómica, los lantánidos se dividen en:

• luz (Ce - UE)
• pesado (Di-s - Lu)

El término

El nombre "tierra rara" (del lat.  terrae rarae - " tierra  rara ") se le dio debido al hecho de que:

• relativamente raro en la corteza terrestre (contenido (1,6-1,7)⋅10 −2 % en masa)
• forman óxidos refractarios, prácticamente insolubles en agua (dichos óxidos se denominaban " tierras " a principios del siglo XIX y antes ).

El nombre "elementos de tierras raras" se desarrolló históricamente a fines del siglo XVIII  y principios del XIX, cuando se creía erróneamente que los minerales que contienen elementos de dos subfamilias: cerio (ligero: La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu ) y el itrio (pesado - Y , Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu) son raros en la corteza terrestre. Sin embargo, en términos de reservas de materia prima, los elementos de tierras raras no son raros; en términos de abundancia total, superan al plomo en 10 veces, al molibdeno  en 50 veces y al tungsteno  en 165 veces.

Abreviaturas aceptadas en la literatura científica moderna:

• TR - lat.  Terrae rarae  - tierras raras.
• RE - Inglés.  Elemento de tierras  raras - elementos de tierras raras.
• REM _  Metal de tierras  raras - metales de tierras raras.
• REE - Elementos de tierras raras

Historia

En 1794, el químico finlandés Johan Gadolin , explorando muestras de mineral cerca de la ciudad sueca de Ytterby (más tarde, los elementos de tierras raras itrio , terbio , erbio e iterbio recibieron el nombre de esta aldea ), descubrió una "tierra rara" hasta entonces desconocida, que él llamado así por el lugar del descubrimiento de itrio .

Posteriormente, el químico alemán Martin Klaproth dividió estas muestras en dos "tierras", a una de las cuales le dio el nombre de itrio, y a la otra la denominó cerio (en honor al pequeño planeta Ceres descubierto en 1801 , que, a su vez, fue el nombre de la antigua diosa romana Ceres ).

Un poco más tarde, el científico sueco Karl Mosander logró aislar varias "tierras" más de la misma muestra. Todos ellos resultaron ser óxidos de nuevos elementos, llamados tierras raras. Debido a la dificultad de separar los óxidos, los falsos anuncios sobre el descubrimiento de nuevos elementos de tierras raras se cuentan por decenas. Juntos, en 1907, los químicos habían descubierto e identificado un total de 16 elementos de este tipo . Con base en el estudio de las propiedades de los rayos X, a todos los elementos se les asignaron los números atómicos 21 ( escandio ), 39 (itrio) y 57 ( lantano ) a 71 ( lutecio ), excepto el 61.

En orden creciente de peso atómico, se organizan de la siguiente manera:

Z	Símbolo	Nombre	Etimología
21	Carolina del Sur	Escandio	en honor a escandinavia
39	Y	Itrio	después del pueblo sueco de Ytterby
57	La	Lantano	del griego "reservado"
58	Ce	Cerio	en honor al planeta menor Ceres , a su vez llamado así por la diosa Ceres
59	PR	Praseodimio	del griego "gemelo verde", debido a la línea verde en el espectro
60	Dakota del Norte	neodimio	del griego "nuevo gemelo"
61	Pm	Prometeo	en nombre del héroe mítico Prometeo , quien le robó el fuego a Zeus y se lo dio a la gente.
62	SM	Samario	llamado así por el mineral samarskite , en el que se descubrió
63	UE	europio	en honor a europa
64	Di-s	gadolinio	en honor a johan gadolin
sesenta y cinco	Tuberculosis	Terbio	después del pueblo sueco de Ytterby
66	dy	disprosio	del griego "difícil de alcanzar"
67	Ho	holmio	en honor a estocolmo
68	Eh	erbio	después del pueblo sueco de Ytterby
69	Tm	Tulio	del antiguo nombre de Escandinavia
70	Yb	Iterbio	después del pueblo sueco de Ytterby
71	Lu	lutecio	del antiguo nombre romano de París

Inicialmente, la celda número 61 estaba vacía, luego este lugar fue ocupado por promethium, aislado de productos de fisión de uranio y convirtiéndose en el miembro número 17 de esta familia.

Propiedades químicas

El escandio, el itrio y los lantánidos son altamente reactivos. La actividad química de estos elementos es especialmente notable a temperaturas elevadas. Cuando se calientan a 300-400 °C, los metales reaccionan incluso con hidrógeno , formando RH 3 y RH 2 (el símbolo R expresa un átomo de un elemento de tierras raras). Estos compuestos son lo suficientemente fuertes y tienen un carácter salino. Cuando se calientan en oxígeno, los metales reaccionan fácilmente con él, formando óxidos: R 2 O 3 , CeO 2 , Pr 6 O 11 , Tb 4 O 7 (solo Sc e Y , a través de la formación de una película protectora de óxido, son resistentes al aire , incluso cuando se calienta hasta 1000 °C). Durante la combustión de estos metales en una atmósfera de oxígeno, se libera una gran cantidad de calor. Al quemar 1 g de lantano, se liberan 224,2 kcal de calor. Para el cerio, un rasgo característico es la propiedad de piroforicidad, la capacidad de generar chispas cuando el metal se corta en el aire.

El lantano, el cerio y otros metales que ya están a temperaturas normales reaccionan con agua y ácidos no oxidantes, liberando hidrógeno. Debido a la alta actividad al oxígeno atmosférico y al agua, las piezas de lantano, cerio, praseodimio, neodimio y europio deben almacenarse en parafina, el resto de los metales de tierras raras se oxidan poco (a excepción del samario, que está cubierto con una película de óxidos, pero no se corroe completamente por él) y se puede almacenar en condiciones normales sin antioxidantes.

La actividad química de los metales de tierras raras no es la misma. Del escandio al lantano, la actividad química aumenta, y en la serie lantano - lutecio - disminuye. De ello se deduce que el metal más activo es el lantano. Esto se debe a una disminución de los radios atómicos de los elementos del lantano al lutecio por un lado, y del lantano al escandio por el otro.

El efecto de la "contracción de los lantánidos" (compresión) conduce al hecho de que los siguientes elementos después de los lantánidos (hafnio, tantalio, tungsteno, renio, osmio, iridio, platino) tienen radios atómicos reducidos en 0,2-0,3 Å, por lo que son muy similares propiedades con las propiedades de los elementos correspondientes del quinto período.

En los elementos (escandio, itrio, lantano), la capa d de la penúltima capa de electrones apenas comienza a formarse, por lo que los radios de los átomos y la actividad de los metales en este grupo aumentan de arriba a abajo. Por esta propiedad, el grupo se diferencia de otros subgrupos secundarios de metales, en los que el orden de cambio de actividad es opuesto.

Dado que el radio del átomo de itrio (0,89 Å) es cercano al radio del átomo de holmio (0,894 Å), este metal debería ocupar uno de los penúltimos lugares en términos de actividad. El escandio, por su actividad, debe situarse después del lutecio. En esta serie, se debilita el efecto de los metales sobre el agua.

Los elementos de tierras raras suelen exhibir un estado de oxidación de +3. Por esto, los más característicos son los óxidos R 2 O 3  - compuestos sólidos, fuertes y refractarios. Al ser óxidos básicos, para la mayoría de los elementos pueden combinarse con agua y crear bases - R (OH) 3 . Los hidróxidos de metales de tierras raras son poco solubles en agua. La capacidad de R 2 O 3 para combinarse con el agua, es decir, la función principal, y la solubilidad de R (OH) 3 disminuyen en la misma secuencia que la actividad de los metales: Lu (OH) 3 , y especialmente Sc (OH) ) 3 , presentan algunas propiedades anfóteras . Entonces, además de una solución de Sc (OH) 3 en NaOH concentrado , se obtuvo una sal: Na 3 Sc (OH) 6 2H 2 O.

Dado que los metales de este subgrupo son activos y sus sales con ácidos fuertes son solubles, se disuelven fácilmente tanto en ácidos no oxidantes como en ácidos oxidantes.

Todos los metales de tierras raras reaccionan vigorosamente con los halógenos, creando RHal 3 (Hal es halógeno ). También reaccionan con azufre y selenio, pero cuando se calientan.

Estar en la naturaleza

Como regla general, los elementos de tierras raras se encuentran juntos en la naturaleza. Forman óxidos muy fuertes, compuestos halógenos, sulfuros. Para los lantánidos, los compuestos de elementos trivalentes son los más característicos. Una excepción es el cerio, que se transforma fácilmente al estado tetravalente. Además del cerio, los compuestos tetravalentes forman praseodimio y terbio. Se conocen compuestos divalentes de samario, europio e iterbio. Las propiedades fisicoquímicas de los lantánidos son muy parecidas entre sí. Esto se debe a la peculiaridad de la estructura de sus capas de electrones.

El contenido total de elementos de tierras raras es superior a 100 g/t. Se conocen más de 250 minerales que contienen elementos de tierras raras. Sin embargo, solo 60-65 minerales en los que el contenido de Me 2 O 3 supera el 5-8% pueden clasificarse como minerales de tierras raras propiamente dichos. Los principales minerales de tierras raras son monacita (Ce, La)PO 4 , xenotima YPO 4 , bastnäsita Ce[CO 3 ](OH, F), parisita Ca(Ce, La) 2 [CO 3 ] 3 F 2 , gadolinita Y 2 FeBe 2 Si 2 O 10 , ortita (Ca, Ce) 2 (Al, Fe) 3 Si 3 O 12 (O, OH), loparita (Na, Ca, Ce)(Ti, Nb)O 3 , esquinita (Ce, Ca, Th)(Ti, Nb ) 2O6 . El más común en la corteza terrestre es el cerio , el menos, el tulio y el lutecio . De acuerdo con las reglas de la Comisión de Nuevos Minerales y Nombres de Minerales (CNMNM) de la Asociación Mineralógica Internacional (IMA), los minerales con una gran cantidad del elemento de tierras raras (o cerca de las tierras raras itrio y escandio ) en la composición reciben un sufijo especial, "refinador de Levinson" [2] , por ejemplo, se conocen dos minerales: gagarinita- (Y) dominada por itrio y gagarinita-(Ce) dominada por cerio.

A pesar del isomorfismo ilimitado, en el grupo de tierras raras, bajo ciertas condiciones geológicas, es posible una concentración separada de tierras raras de los subgrupos de itrio y cerio. Por ejemplo, con rocas alcalinas y productos posmagmáticos asociados, el subgrupo de cerio se desarrolla predominantemente, mientras que con productos posmagmáticos de granitoides con mayor alcalinidad, se desarrolla el subgrupo de itrio. La mayoría de los fluorocarbonatos están enriquecidos con elementos del subgrupo cerio. Muchos tantalo-niobatos contienen un subgrupo de itrio, mientras que los titanatos y los titanio-tantalo-niobatos contienen un subgrupo de cerio. También se observa cierta diferenciación de tierras raras en condiciones exógenas. La sustitución isomórfica de las tierras raras entre sí, a pesar de la diferencia en sus números de serie, se debe a los fenómenos de "compresión de los lantánidos": con un aumento en el número de serie, se completan las órbitas de los electrones internos, en lugar de externos, como un resultado de lo cual el volumen de iones no aumenta.

La acumulación selectiva de elementos de tierras raras en minerales y rocas puede deberse a diferencias en sus radios iónicos. El hecho es que los radios de los iones lantánidos disminuyen naturalmente de lantano a lutecio. Como resultado, es posible una sustitución isomórfica predominante, dependiendo del grado de diferencia en los tamaños de los iones de tierras raras sustituidos. Así, en los minerales de escandio, zirconio y manganeso, solo pueden estar presentes tierras raras de la serie lutecio-disprosio; los minerales de la parte media de la serie (itrio, disprosio, gadolinio) se acumulan predominantemente en los minerales de uranio; los elementos del grupo del cerio deben concentrarse en minerales de torio; Los minerales de estroncio y bario solo pueden contener elementos de la serie europio-lantano.

Producción

Hasta principios de la década de 1990, Estados Unidos era el principal productor [3] ( campo Mountain Pass ). En 1986, el mundo produjo 36.500 toneladas de óxidos de metales de tierras raras. De estos, 17.000 toneladas se encuentran en los EE. UU., 8.500 toneladas en la URSS y 6.000 toneladas en China. En la década de 1990, la industria se estaba modernizando en China con la participación del estado. Desde mediados de la década de 1990, China se ha convertido en el mayor productor. En 2007-2008, el mundo produjo 124 mil toneladas de elementos de tierras raras por año. China estuvo a la cabeza , produciendo hasta 120 mil toneladas en el campo Bayan-Obo , propiedad de la empresa estatal Inner Mongolia Baotou Steel Rare-Earth. En India 2.700 toneladas, Brasil 650 toneladas. En la década de 2010, China siguió una política de restricción de la extracción y exportación de metales de tierras raras, lo que estimuló los aumentos de precios y aumentó la producción en otros países [4] .

A finales de 2008, los datos de reservas son los siguientes: China 89 millones de toneladas, CEI 21 millones de toneladas, EE . UU. 14 millones de toneladas, Australia (5,8 millones de toneladas), India 1,3 millones de toneladas, Brasil 84 mil toneladas [5] .

En 2011, un equipo japonés descubrió depósitos de minerales de tierras raras en el fondo del Océano Pacífico analizando muestras de suelo de 80 lugares a profundidades de 3,5 a 6 km. Según algunas estimaciones, estos depósitos pueden contener hasta 80-100 mil millones de toneladas de materiales de tierras raras [6] [7] . La concentración de elementos en el mineral se estimó en hasta 1-2,2 partes por mil para itrio y hasta 0,2-0,4 partes por mil para REE pesado; los mejores depósitos subterráneos tienen un orden de magnitud de mayor concentración [8] [9] .

En la URSS y Rusia

En la URSS, la extracción industrial de metales de tierras raras se lleva a cabo desde la década de 1950 en la RSFSR, en Kazajstán, Kirguistán, Estonia y Ucrania y alcanzó las 8.500 toneladas por año [3] . Tras el colapso de la URSS y el colapso industrial, las cadenas productivas para la obtención de tierras raras comenzaron a desintegrarse [10] . Esto fue facilitado por la relativa pobreza de los minerales de los principales yacimientos.

La vasta base de materias primas nacionales de metales de tierras raras está ligada principalmente a depósitos de apatita - nefelina en la región de Murmansk [11] .

El principal productor de productos de tierras raras en Rusia es la planta de magnesio de Solikamsk . La empresa en realidad produce productos semielaborados: carbonatos y óxidos de samario, europio, gadolinio, lantano, neodimio, prometio, cerio [11] .

En 2010, Rosatom y Rostec establecieron un grupo de trabajo sobre elementos de tierras raras [3] . En 2013, el Ministerio de Industria y Comercio adopta un programa para desarrollar la extracción de elementos de tierras raras por valor de 145 mil millones de rublos. hasta 2020. En 2016, el impuesto de extracción de minerales para elementos de tierras raras se restablece a cero [12] .

En 2014, comenzó el desarrollo de proyectos para el desarrollo del depósito Tomtor más grande del mundo en Yakutia y la construcción de una nueva planta hidrometalúrgica de Krasnokamensk en el Territorio Trans-Baikal [13] . El inicio de la producción está previsto para 2023. Está previsto producir unas 14.000 toneladas de ferroniobio y unas 16.000 toneladas de óxidos REM [14] . En 2016, se inauguró un taller para procesar minerales de apatita con una capacidad de 200 toneladas de óxidos separados de elementos de tierras raras por año en la planta de Novgorod de Acron Company [15] [16] [17] . En 2018, en la ciudad de Korolev , cerca de Moscú , se lanzó una producción experimental con la producción de óxidos de elementos individuales: La 2 O 3 , Ce 2 O 3 , Nd 2 O 3 con una capacidad de 130 toneladas [18] . Está previsto reanudar la producción de un ciclo completo con una capacidad de hasta 3600 toneladas de óxidos separados sobre la base de la planta de magnesio de Solikamsk en la región de Perm [19] .

Aplicación

Los elementos de tierras raras se utilizan en diversas ramas de la tecnología: en radioelectrónica , fabricación de instrumentos , ingeniería nuclear, ingeniería mecánica , industria química , metalurgia , etc. La, Ce, Nd, Pr se utilizan ampliamente en la industria del vidrio en forma de óxidos. y otros compuestos. Estos elementos aumentan la translucidez del vidrio . Los elementos de tierras raras son parte de vidrios especiales que transmiten rayos infrarrojos y absorben rayos ultravioleta , vidrios resistentes al ácido y al calor. Los elementos de tierras raras y sus compuestos han cobrado gran importancia en la industria química, por ejemplo, en la producción de pigmentos, barnices y pinturas, y en la industria petrolera como catalizadores . Los elementos de tierras raras se utilizan en la producción de algunos explosivos , aceros especiales y aleaciones , como absorbentes . Los compuestos monocristalinos de elementos de tierras raras (así como vidrios) se utilizan para crear láser y otros elementos ópticamente activos y no lineales en optoelectrónica. A base de Nd, Y, Sm, Er, Eu con Fe-B, se obtienen aleaciones con propiedades magnéticas récord (elevadas fuerzas magnetizantes y coercitivas) para crear imanes permanentes de enorme potencia, en comparación con las ferroaleaciones simples.

El consumo de metales de tierras raras en Rusia es ahora de unas 2.000 toneladas al año. Aproximadamente el 70% se usa en electrónica, también se necesitan varios cientos de toneladas por año para la producción de catalizadores para la refinación de petróleo, una cantidad menor se usa en la producción de imanes y óptica. En general, solo alrededor de una cuarta parte de los metales de tierras raras en Rusia se utilizan para la producción de productos civiles, el resto, para la producción de productos técnico-militares. Los principales consumidores de metales de tierras raras en Rusia son empresas que forman parte de la estructura de Rostec: Roselectronics, United Engine Corporation, Shvabe holding, etc. [11] .

Acción fisiológica y toxicología de los metales de tierras raras

Muchos elementos de tierras raras no juegan un papel biológico pronunciado en el cuerpo humano (por ejemplo, escandio , iterbio , lutecio , tulio y otros). La toxicidad sistémica de muchos metales de tierras raras es baja.

Véase también

• lantánidos
• Prevalencia de elementos
• Mishmetal

Notas

1. ↑ Kogan B. I. Tierras raras // Naturaleza. 1961. Nº 12. S. 26-34.
2. ↑ Nickel E.Kh., Grice D.D. KNMNM MMA: reglas y pautas para la nomenclatura de minerales, 1998  // ZVMO (Notas de la Sociedad Mineralógica de toda Rusia). - 1999. - Nº 2 . - art. 61 .
3. ↑ 1 2 3 Viaje a las tierras raras . Consultado el 4 de octubre de 2017. Archivado desde el original el 4 de octubre de 2017. (indefinido)
4. ↑ Estados Unidos demandará a las tierras raras chinas . Consultado el 4 de octubre de 2017. Archivado desde el original el 4 de octubre de 2017. (indefinido)
5. ↑ RESÚMENES DE PRODUCTOS BÁSICOS MINERALES 2009 . Consultado el 5 de octubre de 2009. Archivado desde el original el 14 de junio de 2010. (indefinido)
6. ↑ Artem Terekhov. Japón ha descubierto enormes depósitos de materiales de tierras raras . 3DNoticias (4 de julio de 2011). Consultado el 25 de febrero de 2017. Archivado desde el original el 26 de febrero de 2017. (Ruso)
7. ↑ Enormes depósitos de tierras raras encontrados en el Pacífico: expertos de Japón | Reuters . Consultado el 17 de septiembre de 2017. Archivado desde el original el 18 de septiembre de 2017. (indefinido)
8. ↑ Lodo de aguas profundas en el Océano Pacífico como un recurso potencial para elementos de tierras raras
9. ↑ https://www.mayerbrown.com/Files/Publication/856c8826-2823-425a-b4df-b4603e4585b1/Presentation/PublicationAttachment/e45fc80e-0207-4e7a-8c13-b6a394ee776f/Wayrare_earth_elements.pdf Máquina Archivado el 21 de agosto los depósitos marinos suelen contener una concentración del 0,2 por ciento de tierras raras; los depósitos en la tierra pueden tener concentraciones del 5 al 10 por ciento"
10. ↑ Sevredmet sale del mercado . Consultado el 4 de octubre de 2017. Archivado desde el original el 4 de octubre de 2017. (indefinido)
11. ↑ 1 2 3 Siete pesando un as - ExpertRU . Consultado el 20 de noviembre de 2018. Archivado desde el original el 20 de noviembre de 2018. (indefinido)
12. ↑ El Ministerio de Industria y Comercio cancelará el impuesto a la extracción de estaño y tierras raras . Consultado el 4 de octubre de 2017. Archivado desde el original el 4 de octubre de 2017. (indefinido)
13. ↑ JV de Rostec y el grupo ICT procesarán minerales de metales raros . Consultado el 4 de octubre de 2017. Archivado desde el original el 4 de octubre de 2017. (indefinido)
14. ↑ Minería TriArc . Consultado el 4 de octubre de 2017. Archivado desde el original el 4 de octubre de 2017. (indefinido)
15. ↑ Elementos de tierras raras (enlace inaccesible) . Consultado el 4 de octubre de 2017. Archivado desde el original el 4 de octubre de 2017. (indefinido) 
16. ↑ Rusia fue la primera en el mundo en aprender a extraer metales de tierras raras del mineral de apatita . Consultado el 4 de octubre de 2017. Archivado desde el original el 4 de octubre de 2017. (indefinido)
17. ↑ Rara vez, pero acertadamente: Acron llena el mercado nacional de metales de tierras raras . Consultado el 8 de julio de 2020. Archivado desde el original el 8 de julio de 2020. (indefinido)
18. ↑ Movimiento Público Ruso "Renacimiento de la Edad de Oro". En Korolyov, cerca de Moscú, se abrió la producción de concentrados de metales de tierras raras . RuAN - Agencia Rusa de Noticias. Consultado el 21 de febrero de 2019. Archivado desde el original el 15 de abril de 2019. (indefinido)
19. ↑ SMZ estima la modernización de la producción de metales raros y de tierras raras en 6-7 mil millones de rublos. . Consultado el 4 de octubre de 2017. Archivado desde el original el 5 de octubre de 2017. (indefinido)

Literatura

• Kashirtsev V.A., Lifshits S.Kh., Suknev V.S. et al. Carbones de la cuenca del Lena como fuente potencial de elementos de tierras raras // Nauka — proizvodstvo. 2004. Nº 9. S. 52-54.
• Mikhailichenko A. I., Mikhlin E. B., Patrikeev Yu. B. Metales de tierras raras. - M. , Metalurgia , 1987. - 232 p.
• Berezkina L. G. Investigación fisicoquímica sobre la metalurgia de metales raros. - M. , IL , 1963. - 150 p.

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En catálogos bibliográficos	TIERRA : 4132099-2 J9U : 987007563113705171 LCCN : sh85111458 NDL : 00565699

metales de tierras raras
P ↓ G →                             3 cuatro   Carolina del Sur 5   Y 6 La Ce PR Dakota del Norte Pm SM UE Di-s Tuberculosis dy Ho Eh Tm Yb Lu lantánidos metales de transición

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Grupos	una 2 3 cuatro 5 6 7 ocho 9 diez once 12 13 catorce quince dieciséis 17 Dieciocho
Períodos	una 2 3 cuatro 5 6 7 ocho
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