El dióxido de torio (ThO 2 ), también llamado óxido de torio (IV) , es un sólido cristalino, a menudo de color blanco o amarillo. También conocido 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. Solo 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 .
El torio 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 el dióxido de cerio , el dióxido de uranio y el dióxido de plutonio ). [ Aclaración necesaria ] La brecha de banda del torio es de aproximadamente 6 eV . También se conoce una forma tetragonal del torio.
El dióxido de torio es más estable que el monóxido de torio (ThO). [7] Solo con un control cuidadoso de las condiciones de reacción, la oxidación del metal torio puede dar lugar al monóxido en lugar del dióxido. A temperaturas extremadamente altas, el dióxido puede convertirse en monóxido ya sea por una reacción de desproporción (equilibrio con el metal torio líquido) por encima de 1850 K (1580 °C; 2870 °F) o por simple disociación (evolución de oxígeno) por encima de 2500 K (2230 °C; 4040 °F). [8]
El dióxido de torio (toria) se puede utilizar en reactores nucleares como pastillas de combustible de cerámica, normalmente contenidas en barras de combustible nuclear revestidas con aleaciones de circonio. El torio no es fisible (pero es "fértil", ya que genera 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 utilizándolo 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 (temperatura de funcionamiento más baja), punto de fusión considerablemente más alto 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 mediante su combinación con uranio-233 (consulte más abajo y el artículo sobre el torio para obtener más información al respecto). La alta estabilidad térmica del dióxido de torio permite su aplicación en la pulverización con llama y en 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 aeronaves. Como aleación, el metal de tungsteno toriado no se deforma fácilmente porque el torio, un material de alta fusión, aumenta las propiedades mecánicas a 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 dispersado en torio se utiliza en diversas operaciones de alta temperatura, como los motores de combustión, ya que es un 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 se han investigado bien sus aplicaciones. 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 fue el ingrediente principal de Thorotrast , un agente de contraste radiológico que alguna vez fue común para la 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 de rayos X estándar .
Otro uso importante en el pasado fue en los mantos de gas de las linternas desarrollados por Carl Auer von Welsbach en 1890, que están compuestos de 99% de ThO 2 y 1% de óxido de cerio (IV) . Incluso en la década de 1980 se estimó que aproximadamente la mitad de todo el ThO 2 producido (varios cientos de toneladas por año) se usaba para este propósito. [16] Algunos mantos aún usan torio, pero el óxido de itrio (o a veces óxido de circonio ) se usa cada vez más como reemplazo.
Cuando se añade al vidrio , el dióxido de torio ayuda a aumentar su índice de refracción y a disminuir la dispersión . Este vidrio se utiliza en lentes de alta calidad para cámaras e instrumentos científicos. [17] La radiación de estas lentes puede oscurecerlas y amarillearlas 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 radiación ultravioleta intensa. Desde entonces, el dióxido de torio ha sido reemplazado 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]