Dióxido de circonio ( ZrO
2), a veces conocida como circonio (que no debe confundirse con circón ), es un óxido de circonio cristalino de color blanco . Su forma más natural, con una estructura cristalina monoclínica , es el mineral baddeleyita . Un dopante [ se necesita aclaración ] circonio cúbico estructurado estabilizado, el circonio cúbico , se sintetiza en varios colores para su uso como piedra preciosa y simulante de diamante . [1]
La circona se produce calcinando compuestos de circonio, aprovechando su alta termoestabilidad . [2]
Se conocen tres fases: monoclínica por debajo de 1170 °C, tetragonal entre 1170 °C y 2370 °C y cúbica por encima de 2370 °C. [3] 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. [2] El mineral muy raro tazheranita, (Zr,Ti,Ca)O 2 , es cúbico . A diferencia del TiO 2 , que presenta titanio con seis coordenadas en todas las fases, el circonio monoclínico consta de siete centros de circonio coordinados. Esta diferencia se atribuye al mayor tamaño del átomo de circonio en relación con el átomo de titanio. [4]
La circona no es químicamente reactiva. Es atacado lentamente por ácido fluorhídrico concentrado y 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 Kroll .
El dióxido de circonio es uno de los materiales cerámicos más estudiados . ZrO 2 adopta una estructura cristalina monoclínica a temperatura ambiente y pasa a tetragonal y cúbica a temperaturas más altas. El cambio de volumen causado por la transición de la estructura de tetragonal a monoclínica y a cúbica induce grandes tensiones, lo que hace que se agriete al enfriarse por altas temperaturas. [5] Cuando la circona se mezcla con otros óxidos, las fases tetragonales y/o cúbicas se estabilizan. Los dopantes eficaces incluyen óxido de magnesio (MgO), óxido de itrio ( Y 2 O 3 , itria), óxido de calcio ( CaO ) y óxido de cerio (III) ( Ce 2 O 3 ). [6]
La circona suele ser más útil en su estado de fase "estabilizada". Al calentarse, el circonio 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 fase tetragonal metaestable, entonces una tensión aplicada, magnificada por la concentración de tensión en la punta de una 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, retardando su crecimiento y mejorando la tenacidad a la fractura . Este mecanismo, conocido como endurecimiento por transformación , extiende significativamente la confiabilidad y vida útil de los productos fabricados con circonio estabilizado. [6] [7]
La banda prohibida de ZrO 2 depende de la fase (cúbica, tetragonal, monoclínica o amorfa) y de los métodos de preparación, con estimaciones típicas de 5 a 7 eV. [8]
Un caso especial de circonio es el del policristal de circonio tetragonal , o TZP, que es indicativo de circonio policristalino compuesto únicamente por la fase tetragonal metaestable.
El uso principal de la circona es en la producción de cerámicas duras, como en odontología, [9] con otros usos que incluyen como capa protectora sobre partículas de pigmentos de dióxido de titanio , [2] como material refractario , en aislamiento , abrasivos y esmaltes .
La circona estabilizada se utiliza en sensores de oxígeno y membranas de pilas 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 . [2] El dióxido de circonio también se utiliza como electrolito sólido en dispositivos electrocrómicos .
La circona es un precursor del titanato de circonato de plomo electrocerámico ( PZT ), que es un dieléctrico de alto κ que se encuentra en innumerables componentes.
La muy baja conductividad térmica de la fase cúbica de la circona también ha llevado a su uso como revestimiento de barrera térmica , o TBC, en motores a reacción y diésel para permitir el funcionamiento a temperaturas más altas. [10] 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 pilas 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 motivos estéticos, o de prótesis dentales resistentes y extremadamente duraderas construidas íntegramente con circonio monolítico. , con una estética limitada pero en constante mejora. [11] [12] La circona estabilizada con itria (óxido de itrio), conocida como circonia estabilizada con itria , se puede utilizar como material de base resistente en algunas restauraciones de coronas totalmente cerámicas. [12] [13]
La circona endurecida por transformación se utiliza para fabricar cuchillos de cerámica . Debido a su dureza, los cubiertos con bordes de cerámica permanecen afilados por más tiempo que los productos con bordes de acero. [14]
Por su infusibilidad y brillante luminosidad cuando es incandescente , se utilizaba como ingrediente de barras para protagonismo . [ cita necesaria ]
Se ha propuesto que la circona electrolice el monóxido de carbono y el oxígeno de la atmósfera de Marte para proporcionar combustible y oxidante que podría usarse como almacén de energía química para el transporte superficial en Marte. Se han sugerido motores de monóxido de carbono/oxígeno para uso temprano en el transporte de superficie, ya que tanto el monóxido de carbono como el oxígeno pueden producirse directamente mediante electrólisis de circonio 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. [15]
La circona se puede utilizar como fotocatalizador [16] ya que su banda prohibida alta (~ 5 eV) [17] permite la generación de electrones y huecos de alta energía. Algunos estudios demostraron la actividad de la circona dopada (para aumentar la absorción de luz visible) en la degradación de compuestos orgánicos [18] [19] y la reducción del Cr(VI) de las aguas residuales. [20]
La circona también es un material dieléctrico potencial de alto κ con posibles aplicaciones como aislante en transistores .
La circona también se emplea en la deposición de revestimientos ópticos ; Es un material de alto índice utilizable desde el UV cercano al IR medio , debido a su baja absorción en esta región espectral. En tales aplicaciones, normalmente se deposita mediante PVD . [21]
En la fabricación de joyas, algunas cajas de relojes se anuncian como "óxido de circonio negro". [22] En 2015, Omega lanzó un reloj completamente ZrO 2 llamado "El lado oscuro de la luna" [23] con caja, bisel, pulsadores y cierre de cerámica, publicitándolo como cuatro veces más duro que el acero inoxidable y, por lo tanto, mucho más resistente a rayones 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 circonio ) en lugar de un 2% de torio tienen un buen arranque de arco y capacidad de corriente, y no son radiactivos. [24]
Los monocristales de la fase cúbica de la circona se utilizan habitualmente como simulantes de diamantes en joyería . Al igual que el diamante, la circona cúbica tiene una estructura cristalina cúbica y un alto índice de refracción . Es difícil distinguir visualmente una gema de circonio cúbico de buena calidad de un diamante, y la mayoría de los joyeros tendrán un probador de conductividad térmica para identificar el circonio cúbico por su baja conductividad térmica (el diamante es un muy buen conductor térmico). Este estado de circonio es comúnmente llamado circonio cúbico , CZ o circón por los joyeros , pero el apellido no es químicamente exacto. Circón es en realidad el nombre mineral del silicato de circonio (IV) natural ( ZrSiO 4 ).