El dióxido de torio (ThO 2 ), también llamado óxido de torio (IV) , es un sólido cristalino, a menudo de color blanco o amarillo. También conocida como toria , es principalmente un subproducto de la producción de lantánidos y uranio . [4] Torianita es el nombre de la forma mineralógica del dióxido de torio . Es moderadamente raro y cristaliza en un sistema isométrico. El punto de fusión del óxido de torio es de 3300 °C, el más alto de todos los óxidos conocidos. Sólo unos pocos elementos (incluidos el tungsteno y el carbono ) y unos pocos compuestos (incluido el carburo de tantalio ) tienen puntos de fusión más altos. [6] Todos los compuestos de torio, incluido el dióxido, son radiactivos porque no hay isótopos estables de torio .
Thoria existe como dos polimorfos. Uno tiene una estructura cristalina de fluorita . Esto es poco común entre los dióxidos binarios . (Otros óxidos binarios con estructura de fluorita incluyen dióxido de cerio , dióxido de uranio y dióxido de plutonio ). [ Se necesita aclaración ] La banda prohibida de la toria es de aproximadamente 6 eV . También se conoce una forma tetragonal de thoria.
El dióxido de torio es más estable que el monóxido de torio (ThO). [7] Sólo con un control cuidadoso de las condiciones de reacción la oxidación del torio metálico puede producir monóxido en lugar de dióxido. A temperaturas extremadamente altas, el dióxido puede convertirse en monóxido mediante una reacción de desproporción (equilibrio con torio líquido) por encima de 1.850 K (1.580 °C; 2.870 °F) o por simple disociación (evolución de oxígeno) por encima de 2.500 K (2.230 °C; 4.040 °F). [8]
El dióxido de torio (toria) se puede utilizar en reactores nucleares como pastillas de combustible cerámico, normalmente contenidas en barras de combustible nuclear revestidas con aleaciones de circonio. El torio no es fisible (pero es "fértil", generando uranio-233 fisible bajo bombardeo de neutrones); por lo tanto, debe utilizarse como combustible para reactores nucleares junto con isótopos fisibles de uranio o plutonio. Esto se puede lograr mezclando torio con uranio o plutonio, o usándolo en su forma pura junto con barras de combustible separadas que contengan uranio o plutonio. El dióxido de torio ofrece ventajas sobre las pastillas de combustible de dióxido de uranio convencionales, debido a su mayor conductividad térmica (menor temperatura de funcionamiento), punto de fusión considerablemente mayor y estabilidad química (no se oxida en presencia de agua/oxígeno, a diferencia del dióxido de uranio).
El dióxido de torio se puede convertir en combustible nuclear criándolo en uranio-233 (consulte a continuación y consulte el artículo sobre torio para obtener más información al respecto). La alta estabilidad térmica del dióxido de torio permite aplicaciones en pulverización con llama y cerámicas de alta temperatura.
El dióxido de torio se utiliza como estabilizador en electrodos de tungsteno en soldadura TIG , tubos de electrones y motores de turbinas de gas de aviones. Como aleación, el metal de tungsteno torio no se deforma fácilmente porque el material de alta fusión, la toria, aumenta las propiedades mecánicas de alta temperatura y el torio ayuda a estimular la emisión de electrones ( termiones ). Es el aditivo de óxido más popular debido a su bajo costo, pero se está eliminando gradualmente en favor de elementos no radiactivos como el cerio , el lantano y el circonio .
El níquel disperso en toria encuentra sus aplicaciones en diversas operaciones de alta temperatura, como motores de combustión, porque es un buen material resistente a la fluencia. También se puede utilizar para atrapar hidrógeno. [9] [10] [11] [12] [13]
El dióxido de torio casi no tiene valor como catalizador comercial, pero tales aplicaciones han sido bien investigadas. Es un catalizador en la síntesis de anillos grandes de Ruzicka . Otras aplicaciones que se han explorado incluyen el craqueo de petróleo , la conversión de amoníaco en ácido nítrico y la preparación de ácido sulfúrico . [14]
El dióxido de torio era el ingrediente principal de Thorotrast , un agente de radiocontraste que alguna vez fue común y se usó para angiografía cerebral ; sin embargo, causa una forma rara de cáncer ( angiosarcoma hepático ) muchos años después de su administración. [15] Este uso fue reemplazado por yodo inyectable o suspensión ingerible de sulfato de bario como agentes de contraste estándar para rayos X.
Otro uso importante en el pasado fue en la capa de gas de las linternas desarrolladas por Carl Auer von Welsbach en 1890, que están compuestas por un 99 % de ThO 2 y un 1 % de óxido de cerio (IV) . Incluso en la década de 1980 se estimaba que aproximadamente la mitad de todo el ThO 2 producido (varios cientos de toneladas por año) se utilizaba para este fin. [16] Algunos mantos todavía usan torio, pero el óxido de itrio (o, a veces, el óxido de circonio ) se usa cada vez más como reemplazo.
Cuando se agrega al vidrio , el dióxido de torio ayuda a aumentar su índice de refracción y disminuir la dispersión . Este tipo de vidrio se aplica en lentes de alta calidad para cámaras fotográficas e instrumentos científicos. [17] La radiación de estos lentes puede oscurecerlos y volverlos amarillos con el paso de los años y degradar la película, pero los riesgos para la salud son mínimos. [18] Las lentes amarillentas pueden recuperar su estado incoloro original mediante una exposición prolongada a una intensa radiación ultravioleta. Desde entonces, el dióxido de torio ha sido sustituido por óxidos de tierras raras, como el óxido de lantano, en casi todos los vidrios modernos de alto índice, ya que proporcionan efectos similares y no son radiactivos. [19]