Dióxido de circonio
Dióxido de circonio (ZrO
2) (a veces conocido como zirconia, que no debe confundirse con circón) es un óxido de circonio cristalino blanco. Su forma más natural, con una estructura cristalina monoclínica, es el mineral baddeleyita. Una zirconia cúbica estructurada estabilizada con dopantes, la zirconia cúbica, se sintetiza en varios colores para su uso como piedra preciosa y simulador de diamantes.
Producción, propiedades químicas, ocurrencia
La zirconia se produce calcinando compuestos de zirconio, aprovechando su alta termoestabilidad.
Estructura
Se conocen tres fases: monoclínica por debajo de 1170 °C, tetragonal entre 1170 °C y 2370 °C, y cúbica por encima de 2370 °C. La tendencia es hacia una mayor simetría a temperaturas más altas, como suele ser el caso. Un pequeño porcentaje de los óxidos de calcio o de itrio se estabilizan en la fase cúbica. El mineral muy raro tazheranita, (Zr,Ti,Ca)O2, es cúbico. A diferencia del TiO2, que presenta titanio de seis coordenadas en todas las fases, la zirconia monoclínica consta de titanio de siete coordenadas centros de circonio. Esta diferencia se atribuye al mayor tamaño del átomo de circonio en relación con el átomo de titanio.
Reacciones químicas
La zirconia no es químicamente reactiva. Es atacado lentamente por el ácido fluorhídrico concentrado y el ácido sulfúrico. Cuando se calienta con carbón, se convierte en carburo de circonio. Cuando se calienta con carbón en presencia de cloro, se convierte en cloruro de circonio (IV). Esta conversión es la base para la purificación del metal circonio y es análoga al proceso de Kroll.
Propiedades de ingeniería
El dióxido de circonio es uno de los materiales cerámicos más estudiados. ZrO2 adopta una estructura cristalina monoclínica a temperatura ambiente y cambia a tetragonal y cúbica a temperaturas más altas. El cambio de volumen causado por las transiciones de la estructura de tetragonal a monoclínica a cúbica induce grandes tensiones, lo que hace que se agriete al enfriarse a altas temperaturas. Cuando la zirconia se mezcla con algunos otros óxidos, las fases tetragonales y/o cúbicas se estabilizan. Los dopantes efectivos incluyen óxido de magnesio (MgO), óxido de itrio (Y2O3, itria), óxido de calcio (CaO) y óxido de cerio(III) ( Ce2O3).
La zirconia suele ser más útil en su fase 'estabilizada' estado. Al calentarse, la zirconia sufre cambios de fase disruptivos. Al agregar pequeños porcentajes de itria, estos cambios de fase se eliminan y el material resultante tiene propiedades térmicas, mecánicas y eléctricas superiores. En algunos casos, la fase tetragonal puede ser metaestable. Si hay cantidades suficientes de la fase tetragonal metaestable, entonces una tensión aplicada, magnificada por la concentración de tensión en la punta de la grieta, puede hacer que la fase tetragonal se convierta en monoclínica, con la expansión de volumen asociada. Esta transformación de fase puede luego comprimir la grieta, retrasando su crecimiento y mejorando la tenacidad a la fractura. Este mecanismo, conocido como endurecimiento por transformación, amplía significativamente la fiabilidad y la vida útil de los productos fabricados con zirconio estabilizado.
La brecha de banda ZrO2 depende de la fase (cúbica, tetragonal, monoclínica o amorfo) y métodos de preparación, con estimaciones típicas de 5 a 7 eV.
Un caso especial de zirconia es el policristal de zirconia tetragonal, o TZP, que es indicativo de zirconia policristalina compuesta solo de la fase tetragonal metaestable.
Usos
El uso principal de la zirconia es en la producción de cerámicas duras, como en odontología, con otros usos que incluyen una capa protectora sobre partículas de pigmentos de dióxido de titanio, como material refractario, en aislamiento, abrasivos y esmaltes.
La zirconia estabilizada se usa en sensores de oxígeno y membranas de celdas de combustible porque tiene la capacidad de permitir que los iones de oxígeno se muevan libremente a través de la estructura cristalina a altas temperaturas. Esta alta conductividad iónica (y una baja conductividad electrónica) la convierte en una de las electrocerámicas más útiles. El dióxido de circonio también se utiliza como electrolito sólido en dispositivos electrocrómicos.
La zirconia es un precursor del titanato de zirconato de plomo electrocerámico (PZT), que es un dieléctrico de alto κ que se encuentra en innumerables componentes.
Usos de nicho
La muy baja conductividad térmica de la fase cúbica de la zirconia también ha llevado a su uso como recubrimiento de barrera térmica, o TBC, en motores diésel y a reacción para permitir el funcionamiento a temperaturas más altas. Termodinámicamente, cuanto mayor sea la temperatura de funcionamiento de un motor, mayor será la eficiencia posible. Otro uso de baja conductividad térmica es como aislamiento de fibra cerámica para hornos de crecimiento de cristales, pilas de celdas de combustible y sistemas de calefacción por infrarrojos.
Este material también se utiliza en odontología en la fabricación de subestructuras para la construcción de restauraciones dentales como coronas y puentes, que luego se recubren con una porcelana feldespática convencional por razones estéticas, o de prótesis dentales fuertes y extremadamente duraderas construidas íntegramente de circonio monolítico, con una estética limitada pero en constante mejora. La zirconia estabilizada con itria (óxido de itrio), conocida como zirconia estabilizada con itria, se puede utilizar como material de base resistente en algunas restauraciones de coronas completas de cerámica.
La zirconia endurecida por transformación se utiliza para fabricar cuchillos de cerámica. Debido a la dureza, los cubiertos con filo de cerámica se mantienen afilados por más tiempo que los productos con filo de acero.
Debido a su infusibilidad y brillante luminosidad cuando estaba incandescente, se usaba como ingrediente de palos para protagonismo.
Se ha propuesto que la zirconia electroliza el monóxido de carbono y el oxígeno de la atmósfera de Marte para proporcionar combustible y oxidante que podría usarse como reserva de energía química para el transporte de superficie en Marte. Se han sugerido motores de monóxido de carbono/oxígeno para el uso temprano en el transporte de superficie, ya que tanto el monóxido de carbono como el oxígeno se pueden producir directamente mediante electrólisis de zirconia sin requerir el uso de ninguno de los recursos hídricos marcianos para obtener hidrógeno, que sería necesario para la producción de metano. o cualquier combustible a base de hidrógeno.
La zirconia se puede utilizar como fotocatalizador ya que su alta banda prohibida (~ 5 eV) permite la generación de electrones y huecos de alta energía. Algunos estudios demostraron la actividad de la zirconia dopada (para aumentar la absorción de luz visible) en la degradación de compuestos orgánicos y la reducción de Cr(VI) de las aguas residuales.
La zirconia también es un material dieléctrico potencial de alto κ con aplicaciones potenciales como aislante en transistores.
La zirconia también se emplea en la deposición de recubrimientos ópticos; es un material de alto índice utilizable desde el UV cercano hasta el IR medio, debido a su baja absorción en esta región espectral. En tales aplicaciones, normalmente se deposita mediante PVD.
En la fabricación de joyas, algunas cajas de relojes se anuncian como "óxido de circonio negro". En 2015, Omega lanzó un reloj completamente ZrO2 llamado "The Dark Side of The Moon&#. 34; con caja, bisel, pulsadores y cierre de cerámica, lo anuncian como cuatro veces más duro que el acero inoxidable y, por lo tanto, mucho más resistente a los arañazos durante el uso diario.
En la soldadura por arco de tungsteno con gas, los electrodos de tungsteno que contienen un 1 % de óxido de circonio (también conocido como zirconia) en lugar de un 2 % de torio tienen un buen inicio de arco y capacidad de corriente, y no son radiactivos.
Simulante de diamantes
Los cristales individuales de la fase cúbica de zirconia se usan comúnmente como simuladores de diamantes en joyería. Al igual que el diamante, la zirconia cúbica tiene una estructura cristalina cúbica y un alto índice de refracción. Distinguir visualmente una gema de zirconia cúbica de buena calidad de un diamante es difícil, y la mayoría de los joyeros tendrán un probador de conductividad térmica para identificar la zirconia cúbica por su baja conductividad térmica (el diamante es un muy buen conductor térmico). Los joyeros suelen llamar a este estado de zirconia zirconia cúbica, CZ o zircón, pero el apellido no es químicamente exacto. Zircon es en realidad el nombre mineral del silicato de zirconio (IV) natural (ZrSiO4).
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