El ZrO2, dióxido de zirconio, será el objeto de estudio en este trabajo, en el que se describirán las características principales de este compuesto (físicas y químicas), su obtención, su estructura y sus aplicaciones.
Características
El oxido de circonio se encuentra en la naturaleza formando parte de diversos minerales, los más importantes son: Badeleyita (ZrO2) y Zircón (ZrSiO4), principales fuentes de obtención de la circonita. El Zircón, aunque necesita un tratamiento mayor, es mucho más utilizado como materia prima para obtener circonita que la Badeleyita, debido a que el Zircón es uno de los minerales más abundantes en la corteza terrestre (como curiosidad decir que es el mineral más antiguo conocido en la tierra):
http://www.ecuadorciencia.org/noticias.asp?id=6520&fc=20090131
Badayelita y Zircón
En ambos minerales el Hafnio aparece como sustituyente del Zirconio (desde un 0,1 hasta un 2% aproximadamente). Hf y Zr son los elementos químicos más parecidos entre sí que existen. Debido a la contracción lantánida tienen radios iónicos prácticamente iguales, esto junto a que tienen los mismos electrones en su capa de valencia les confiere unas propiedades químicas muy similares. En la naturaleza el Hf y el Zr siempre aparecen juntos y en las únicas aplicaciones en las que es necesario separarlos es en aquellas en que se utilizan por sus propiedades de absorción de neutrones, en reactores nucleares, debido a que la sección de captura de neutrones del hafnio es unas 600 veces la del circonio. Por esto, los compuestos de ZrO2 siempre contienen un pequeño porcentaje de Hf, debido a que su abundancia es mucho menor, 2,8 ppm frente a las 162 ppm del Zr.
En el laboratorio, podemos obtener el ZrO2 por combinación directa de los elementos o por calentamiento del ZrCl4 con agua seguido de deshidratación.
El ZrO2 se presenta en tres estructuras cristalinas diferentes: Monoclínica (Badeleyita) que se da a temperatura ambiente, es la más común, Tetragonal y Cúbica.
Fase monoclínica: es una fase estable a temperaturas inferiores a 1170-1200ºC. Los cationes (Zr4+) están situados en planos paralelos al eje “z” y separados por los planos de aniones (O2-). Cada ión Zr4+ está rodeado por siete iones de oxígeno, de tal forma que está coordinado triangularmente con los iones de oxígeno de un plano y tetraédricamente con los iones de oxígeno de otro plano. El espesor de las capas es mayor cuando los iones de Zr están separados por iones del plano al que esta coordinado triangularmente que cuando lo están de los iones de oxígeno del plano al que se coordina tetraédricamente.
Fase tetragonal: es una fase estable a temperaturas que oscilan entre 1170 -1200ºC a 2370ºC. Posee una estructura donde cada ión Zr4+ está rodeado por ocho iones de oxígeno, cuatro de ellos a una distancia de 2.455Å y los otros cuatro a una distancia de 2064Å. Esta estructura es similar a una distorsión de la fluorita.
Fase cúbica: es una fase estable a una temperatura comprendida entre 2370ºC hasta la temperatura de fusión que es aproximadamente a 2680ºC. Tiene una estructura donde cada ión de Zr4+ está coordinado con ocho iones de oxigeno equidistantes y a su vez, cada ion de oxígeno esta coordinado tetraédricamente con cuatro iones de Zr4+ , similar a una estructura fluorita con los iones de Zr4+ formando una subred cúbica centrada en las caras y los iones de oxígeno formando una subred cúbica simple.
El paso de la estructura tetragonal a la monoclínica, por enfriamiento, es muy rápido y provoca un incremento del volumen de la red de un 3 a un 5%, lo que provoca graves fracturas en el material. Esto hace que la circonita pura sea inútil para aplicaciones mecánicas o estructurales, sin embargo, dopando el material podemos conseguir que los cambios estructurales al enfriarse se ralenticen o se eliminen por completo, manteniendo la estructura. Como aditivos se emplean el CaO, MgO y Y2O3, a partir de los cuales se consiguen cerámicas de Zirconia con propiedades asombrosas y que hacen de este material un elemento importante en muchas aplicaciones que se verán más adelante.
Propiedades
| -Alta temperatura de fusión |
| -Resistente |
| -Alta tenacidad |
| -Baja conductividad térmica |
| -Elevada dureza |
| -Resistencia a la corrosión química |
| -Masa molecular: 123.218 g/mol |
| -Densidad: 5,8 g/cm3 |
| -Insoluble en agua |
| -Soluble en HF, H2SO4, HNO3 y HCl (calientes) |
| -Indice de refracción: 2,13 |
| -Muy refractario |
Aplicaciones
La aplicación principal, dadas sus características, es en el campo de las cerámicas. El ZrO2 es uno de los materiales cerámicos más estudiados y se emplea generalmente dopado con otros óxidos (aditivos mencionados anteriormente) con los que se consigue estabilizar su estructura y mejorar sus propiedades mecánicas y de conductividad, además de hacerlo más resistente a la corrosión. Dependiendo de la cantidad de aditivos utilizados, la historia térmica y el tamaño de grano del ZrO2 podemos obtener una amplia gama de materiales cerámicos a partir de la circonita pura. Podemos clasificar los materiales cerámicos con base de circonita en tres tipos, en función de la distribución de la fase tetragonal.
- Circona parcialmente estabilizada, PSZ (Partially Stabilizied Zirconia): Esta seobtiene cuando la cantidad de dopante no es suficiente para la estabilización completa de la fase cúbica. La fase de ZrO2 tetragonal se encuentra como precipitados de aproximadamente 100nm embebidos en una matríz de ZrO2 cúbica de tamaño de grano comprendido entre 40 y 70µm. Consiste en una mezclade fases tetragonal y/o cúbica o monoclínica. La ventaja de este material es doble, por un lado, la existencia de otras fases disminuye el coeficiente de dilatación térmica asociado al cambio de volumen de la transformación tetragonal-monoclínica con lo que se disminuye la posible degradación del material asociada a dicha transformación, y por otro lado los precipitados en fase tetragonal aumentan la tenacidad del material.
La producción de estos materiales se realiza por medio de la sinterización de polvos muy finos de alta pureza (≈ 1µm). La sinterización se realiza a altas temperaturas con un enfriamiento rápido, obteniendose un proceso de nucleación homogénea.
- Circona totalmente tetragonal TZP(Tetragonal Zirconia Polycristal): La microestructura está formada porgranos de simetría tetragonal. La obtención de esta circona en fase completamente tetragonal ha sido un gran reto en la mejora de las propiedades mecánicas de este material. Se caracterizan por ser densas, con tamaño de grano pequeño y por su alta tenacidad, llegando a soportar tensiones de fractura de 600 a 700 MPa, por ello son materiales de gran aplicación industrial como materiales resistentes al desgaste y a cortes.
Las circonas TZP más utilizadas son las estabilizadas con Itrio (Y2O3 )(Y-TZP) y Cerio (CeO3) (Ce-TZP), obteniéndose una estructura de granos tetragonales de pequeño tamaño. La Y-TZP tiene una alta resistencia a la fractura y valores de tenacidad relativamente altos, mientras que los Ce-TZP presentan una tenacidad mucho mas alta debido a su mayor transformabilidad, pero su resistencia a la fractura es considerablemente inferior a las Y-TZP. Por ello, el Y-TZP es muy utilizado en diversas aplicaciones y la vez muy estudiado para conseguir mejorar la tenacidad de fractura
- Circona completamente estabilizada (Fully Stabilised Zirconia) (FSZ):Cuando la cantidad de dopante es suficiente, se obtienen cerámicas con un 100%de fase cúbica. La alta conductividad iónica, consecuencia del elevado número de vacantes de oxígeno que suponen las elevadas cantidades de dopantes, hace que entre sus aplicaciones más destacadas se encuentren: sensores de oxígeno, conductores electrónicos, células eléctricas, etc. También cabe destacar su extendido uso en joyería, ya que permite obtener monocristales de gran tamaño y perfección cristalina en una amplia gama de colores. Se usa como sustituto del diamante, al ser mucho más barato y tener una apariencia prácticamente igual, es más, para distinguirlos,a veces es necesario hacer un test de conductividad térmica.
http://es.answers.yahoo.com/question/index?qid=20070605201140AAnJolF
El ZrO2 es muy empleado en el campo de la odontología, ya que con él se pueden construir piezas para la reconstrucción dental pues no produce ningún tipo de alergia al contacto con los tejidos blandos del ser humano. Además tiene utilidades en muchos campos de la medicina ya que se construyen instrumentos que son una alternativa a los metálicos, evitando las contaminaciones que estos pueden provocar. El instrumental rotatorio hecho de óxido de circonio presenta la ventaja de que no sufre desgaste en las cuchillas de corte, lo que hace que puedan utilizarse más que los metálicos, haciendo que sean más económicos. La construcción de implantes de ZrO2 presentan una mayor estabilidad frente a esfuerzos mecánicos, esto unido a su color similar al de los dientes lo han convertido en el material ideal para aplicaciones en odontología.
Conclusiones
Podemos describir en pocas palabras el oxido de circonio como un material barato, con grandes aplicaciones debido a sus buenas propiedades y cuya estructura puede alterarse con facilidad para modificar y mejorar dichas propiedades en una amplia gama de cerámicas. Destacar su aplicación en el campo de las prótesis e instrumental médico, donde es un material sobre el que se está investigando actualmente por las grandes posibilidades que presenta.
Textos consultados:
Química Inorgánica -Catherine E. Housecroft, Alan G.Sharpe-
http://www.accuratus.com/zirc.html
http://www.azom.com/details.asp?ArticleID=133
http://en.wikipedia.org/wiki/Zirconia
http://en.wikipedia.org/wiki/Baddeleyite
http://www.laboratoriodentalcrespo.com/Informacion%20ZirkonZahn.htm
http://www.explora.cl/otros/metro/metrocotidiana/superplasticidad.html
http://es.answers.yahoo.com/question/index?qid=20070605201140AAnJolF
http://es.wikipedia.org/wiki/Hafnio
