Figura 1. El elemento zirconio.

El zirconio, con número atómico 40, es un metal de transición que se encuentra en la familia IVB, de un característico color blanco y grisáceo brillante y cuyo símbolo es Zr (ver Figura 1). Su principal estado de oxidación es +4 y tiene cinco isótopos naturales (90Zr, 91Zr, 92Zr, 94Zr y 96Zr), de los cuales el 90Zr es el más abundante, con el 51.5 % del total de la masa. Es un elemento del bloque d, con una electronegatividad baja de 1.33. A temperatura ambiente presenta una estructura cristalina hexagonal compacta, α-Zr. Tiene puntos de fusión y ebullición muy altos. Se trata de un metal muy duro y resistente que se emplea en varias aplicaciones, por ejemplo, en vehículos espaciales. El origen etimológico del zirconio, proviene del persa zargun, que significa “color dorado”. Presenta una gran resistencia a la corrosión a muchos ácidos y alcalinos comunes y es un metal tan duro que se asemeja al acero [1].

Por debajo de 0.55 K el zirconio es superconductor. Se han reportado mezclas de Nb-Re-Hf-Zr-Ti con superconductividad a una temperatura crítica de 5.3 K [2]. En la Figura 2, se presenta un ejemplo del zirconio en una aleación superconductora.

Figura 2. NASA: Una bola de aleación de titanio, zirconio y níquel levitada electromagnéticamente.

 

El zirconio fue primero identificado por Martin Heinrich Klaproth cuando analizó un cristal de la sustancia en Berlín en 1789. Ese mismo año se descubrió el uranio; actualmente ambos elementos metálicos son esenciales para la generación de energía nuclear. En 1824 J.J. Berzelius lo aisló impuro al calentar K2ZrF6 con potasio en un tubo de hierro. Hasta 1914 se obtuvo el metal puro [3].

 

Zircón

La principal fuente de zirconio es el zircón y más de 1.5 millones de toneladas de este mineral se extraen cada año, principalmente en Australia y Sudáfrica.  La arena de zircón es tradicionalmente un material refractario que se utiliza para hacer revestimientos para hornos y moldes de fundición [4].

Una de las características fundamentales del zirconio es que posee una sección transversal de captura de neutrones muy baja, por lo cual se emplea ampliamente en aplicaciones relacionadas con la energía nuclear [5] (Figura 3). El 90% del zirconio que se utiliza es en el recubrimiento de reactores nucleares.

Figura 3. Tubos de zirconio para reactores nucleares.

 

Figura 4. Catalizador de zirconio.

Por otro lado, el zirconio se ha empleado en la síntesis de catalizadores de metales de transición del grupo IVB con ligantes post-metalocénicos, como el bis(fenolato), (Figura 4), mostrando una remarcable actividad y estereocontrol para polimerización de olefinas [6].

El silicato de zirconio (ZrSiO4) es una gema semipreciosa que se conoce desde la antigüedad, (Figura 5). Cuando se corta y se pule, el cristal de zircón tiene un especial brillo debido a su alto índice de refracción; los ejemplares incoloros parecen diamantes [7].

Figura 5. Gema de zircón.

 

Muchos cristales de zircón contienen trazas de uranio y torio, que se incorporan en el momento de la cristalización. Se convierten en sus productos de descomposición a una velocidad constante. La relación de las materias iniciales a los productos de degradación se puede usar para estimar el tiempo de cristalización. Usando este método, los cristales minerales más antiguos del mundo son los de zircón encontrados en Australia. Se estima que tienen alrededor de 4.4 mil millones de años [8]. En la Figura 6, se observan los cristales de zircón que fueron recolectados a mano de una roca de cuarzo-albita en el condado de Essex, Nueva York [9].

Figura 6. Zircón de hace miles de millones de años.

 

Zirconia

Otros compuestos del zirconio, como el óxido (ZrO2), conocido como badeleyita, también tienen aplicaciones para alta temperatura. Mejor conocido como zirconia, este material se derrite por encima de los 2,500 °C y se usa para hacer crisoles resistentes al calor. La producción mundial de zirconia pura es de casi 25.000 toneladas al año, y se usa en cosmética, antitranspirantes, empaquetamiento de alimentos, e incluso gemas falsas.

La zirconia puede adoptar tres diferentes formas cristalográficas: monoclínico, tetragonal y, la más admirada de todas, la zirconia cúbica (CZ), que tiene la misma estructura cristalina del diamante e incluso brilla. Las gemas falsas hechas de CZ pueden ser coloreadas incorporando otros óxidos metálicos: trazas de cromo producen gemas verdes, con cerio se dan gemas rojas, y las que tienen neodimio presentan un color morado, (Figura 7).

Figura 7. Gemas verdes, rojas y moradas de zirconia.

 

La zirconia, por su durabilidad y biocompatibilidad, también se utiliza para hacer implantes dentales y prótesis [10] (Figura 8).

Figura 8. Implantes dentales de zirconia.

 

El uso más inesperado de zirconia está en las cerámicas ultra-fuertes. Se desarrolló una nueva generación de cerámicas duras y resistentes al calor, las cuales son excelentes herramientas de corte de alta velocidad para la industria, (Figura 9).

Figura 9. Cerámicas de zirconia.

 

El zirconio es más del doble de abundante que el cobre y zinc, y es diez veces más cuantioso que el plomo, y su uso probablemente continuará en crecimiento porque el zirconio, o sus derivados zircon o zirconia, son considerados como no tóxicos y ambientalmente benignos. C2

 

Referencias

[1] https://es.wikipedia.org/wiki/Circonio b) http://www.chemicool.com/elements/zirconium.html

[2] S. Marik et al. J. Alloy Compd. 769 (2018) 1059.

[3] M. E. Weeks, J. Chem. Educ., 9 (7) (1932) 1231.

[4] F.L. Pirkle, D.A. Podmeyer, Zircon: Origin and uses. Transactions vol. 292. Society for mining, metallurgy and exploration, INC.

[5] L. Xu et al. J. Nuclear Mat. 466 (2015) 21.

[6] N. Nakata, T. Toda, A. Ishii, Polym. Chem. 2 (2011) 1597.

[7] J. Emsley, Nat. Chem. 6 (2014) 254.

[8] B. Rasmussen, Contrib. Mineral Petr. 150 (2005) 146.

[9] Mineville, Eastern Adirondacks – Geophysical and Geologic Studies, by Anjana Shah, article on the Mineral Resources Program website of the United States Geological Survey, 2016.

[10] N. Cionca, D. Hashim, A. Mombelli, Periodontol. 73 (1) (2017) 241.

 

Sobre el autor

Se doctoró en ciencias en el Departamento de Química, CINVESTAV-IPN, México. Realizó estancias de posdoctorado en el departamento de Química Inorgánica de la Ludwig Maximilians Universität de München, Alemania y en el Instituto Mexicano del Petróleo. Actualmente trabaja en el Centro de Investigación en Ingeniería y Ciencias Aplicadas (CIICAp-UAEM), Cuernavaca, Morelos.

POR:

Se doctoró en ciencias en el Departamento de Química, CINVESTAV-IPN, México. Realizó estancias de posdoctorado en el departamento de Química Inorgánica de la Ludwig Maximilians...

1 Comentarios

    • Pat -

    • 30 mayo, 2019 - 23:14 pm

    Muy bueno saber de esto! Gracias Marisol!
    Excelente articulo!

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