miércoles, 20 de mayo de 2009

Óxido de Zinc

ZnO: Óxido de zinc

El óxido de zinc es un óxido inorgánico no tóxico y aparece como polvo blanco, estable a temperatura ambiente, poco soluble en agua y tiene diversas aplicaciones. Se encuentra en la naturaleza en la forma del mineral cincita o zincita, o también en la franklinita que se trata de un mineral del grupo de la espinela compuesto por óxido de zinc, hierro y manganeso.Vamos a estudiar el ZnO a través de su obtención, estructura cristalina, propiedades fisico-químicas, dopaje y aplicaciones.

Obtención.

El ZnO se puede obtener de los minerales zincita o franklinita que hay en la naturaleza. Industrialmente el ZnO se puede obtener mediante dos métodos: método indirecto (francés) y método americano (directo):
· Método indirecto (francés). El Zn metálico se funde en un crisol de grafito y luego se vaporiza a unos 1000 ºC. El Zn (g) al entrar en contacto con el O2 del aire reacciona generando el ZnO. El ZnO es enfriado y almacenado. Este método es el más utilizado en la obtención industrial de ZnO.
· Método directo (americano). El material de partida son compuestos que contienen Zn (como algunos minerales de Zn). El Zn es reducido calentando con carbón (antracita) para producir Zn gaseoso que luego es oxidado como en el método indirecto. El método directo es menos usado debido a la baja pureza de los materiales de partida, lo cual provoca una menor calidad del producto, es decir, del ZnO.
En el laboratorio podemos obtener ZnO a través de descomposición térmica de sales de Zn, tales como los carbonatos, sulfatos o nitratos. También existen muchos métodos de síntesis del ZnO en laboratorio. Debido a su aplicación en la electrónica o en estudios científicos podemos clasificarlos:
·Por la forma resultante de su obtención (en finas películas, nanoestructuras, masas,…)
·Por la temperatura de obtención
·Por el tipo de proceso de obtención

Estructura cristalina.

El ZnO puede cristalizar de varias formas, la más estable y abundante es la estructura tipo Wurtzita (empaquetamiento hexagonal compacto donde O-2 forma la celda y el Zn+2 ocupa la mitad de los huecos Td) y su número de coordinación es 4:4, aunque también puede cristalizar en la forma tipo Blenda (empaquetamiento cúbico compacto donde O-2 forma la celda y el Zn+2 ocupa la mitad de los huecos Td) y en condiciones de altas presiones (del orden de 10 GPa) en la estructura tipo NaCl. La estructura tipo Wurtzita y la tipo Blenda no son centrosimétricas, este hecho, junto con otras propiedades de simetría, provoca que el ZnO sea piezoeléctrico, y en el caso del ZnO tipo Wurtzita, también sea piroeléctrico.

Dopaje

El ZnO puede doparse con óxidos de otros metales consiguiendo una estructura en espinela. Estas espinelas suelen utilizarse como pigmentos en cerámicas, un ejemplo de ello es el dopado de ZnO con CoO, obteniéndose un verde intenso cuya fórmula estructural de espinela es ZnCo2O4.
También podemos dopar el ZnO con átomos de Zn y así obtener el óxido no estequiométrico Zn1+XO. Con esto conseguimos una variabilidad de colores que pueden ir del amarillo al marrón, pasando por verde o incluso rojo.
El ZnO puede ser usado como dopante para la formación de ferritas (Znx M1-xFe2O4, donde M=Mn o Ni; x=0-1). Las propiedades magnéticas de estas ferritas se pueden regular variando la cantidad de Zn que haya en dicha ferrita.

Color y origen.

El ZnO es un sólido de color blanco. La zincita, que es el mineral de ZnO también es de color blanco, pero a veces su color puede variar del amarillo al rojo debido a impurificaciones normalmente de manganeso (también puede estar impurificado con hierro). El ZnO se trata de un óxido termocrómico, esto es que, al calentar el sólido, va cambiando de color. Este cambio de color se produce porque las altas temperaturas hacen reducir los iones Zn+2 a Zn+1 y Zn. Debido a esto tenemos un óxido no estequiométrico de fórmula Zn1+XO de color amarillo donde x=10-7.

Propiedades físico-químicas.

El ZnO se trata de un sólido blanco a temperatura ambiente que cristaliza en un ehc (empaquetamiento hexagonal compacto) tipo Wurtzita (aunque también puede hacerlo en el ecc tipo Blenda) y tiene una dureza de 4.5-5 en la escala de Mohs; es un semiconductor (el óxido no estequiométrico Zn1+XO es un semiconductor de tipo n) y debido a estas características es utilizado en diversas aplicaciones de electrónica. El ZnO se trata de un sólido con alto punto de fusión, elevada capacidad calorífica y conductividad térmica, y posee bajo coeficiente de expansión térmica; estas propiedades y el dopaje de ZnO hacen que sea muy utilizado en cerámicas, vídrios, pinturas y pigmentos.
El ZnO se trata de un óxido anfótero, insoluble en agua y alcohol, pero se disuelve en ácidos, por ejemplo:
ZnO + 2 HCl --> ZnCl2 + H2O
También se disuelve en bases dando zincatos solubles:
ZnO + 2NaOH + H2O --> Na2[Zn(OH)4]
El ZnO descompone a una temperatura de 1975 ºC generando O2 (g) y vapor de Zn. También podemos reducir el ZnO con carbón:
ZnO + C --> Zn + CO
Aplicaciones.

El óxido de Zinc tiene numerosas aplicaciones:
· Manufactura del caucho. Alrededor del 50% se usa en la industria del caucho. El ZnO activa la vulcanización. ZnO y ácido esteárico se utilizan para controlar la reacción del vulcanizado. También es un importante compuesto de los neumáticos de los coches, ya que, debido a su conductividad térmica, mejora notablemente las propiedades del neumático impidiendo su deformación cuando ruedan en el asfalto.
· Manufactura del hormigón. Se utiliza en la fabricación del hormigón ya que mejora el tiempo de procesamiento y la protección del hormigón contra el agua.
· Como pigmento. Debido a su intensidad de color blanco se utiliza en pinturas, caucho, pigmentos blancos en cerámicas o en plásticos y cremas solares (en estos últimos también son utilizados por su capacidad de filtrar y proteger contra la radiación UVA y UVB). Su óxido no estequimoétrico, y el dopado con óxidos de otros metales, también se utiliza como pigmento tanto en cerámicas como en cauchos o vidrios (en el vidrio también se aprovecha el bajo coeficiente de expansión térmica del ZnO)
· Como revestimiento. Pinturas que contienen óxido de zinc en polvo han sido utilizadas como recubrimientos anticorrosivos para diversos metales, especialmente eficaz para el hierro galvanizado. Este último es difícil de proteger, ya que su reactividad con los revestimientos orgánicos lleva a la fragilidad y la falta de adherencia. Sin embargo, las pinturas de óxido de zinc conservan su flexibilidad y adherencia sobre superficies durante muchos años.
El ZnO altamente dopado con Ga, Al o N forma un compuesto transparente conductor. Este compuesto forma electrodos transparentes y son muy baratos de obtener en comparación con el óxido de indio y estaño, de uso generalizado. Una aplicación que ha comenzado a ser comercialmente disponible es el uso de ZnO como el frente de contacto de las células solares o pantallas de cristal líquido.
· Electrónica. Se trata de un semiconductor por lo que tiene una gran cantidad de aplicaciones en este apartado como por ejemplo en diodo LED, electrodos transparentes, cristal líquido, etc.
· Como catalizador. También es utilizado como catalizador en procesos de síntesis orgánica y en polimerización por radiación de ciertos monómeros.

5 comentarios:

  1. Muy buen tema¡... Saludos... GRACIAS¡...

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  2. GRACIAS EN SERIO SIN ESO HUBIESE RASPADO LA MATERIA
    :--

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