ZIRCONIO
Nombre: Zirconio (del árabe “zargun”, literalmente “de color dorado”)
Símbolo: Zr
Grupo: 4
Período: 5
Bloque: d
Categoría: Metales de transición
Número atómico: 40
Masa atómica: 91,224 u
Electrones por capa: 2, 8, 18, 10, 2
Electronegatividad: 1,33
Densidad: 6,511 gr/cc
Punto de Fusión: 1855ºC
Punto de Ebullición: 4409ºC
Conductividad Térmica: 23 W (m·K)
Conductividad Eléctrica: 2,4 × 10^6 S/m
Orden Magnético: Paramagnético
Estado Ordinario: Sólido
Estados de Oxidación: -2, 1, 2, 3, 4
Dureza Mohs: 5
Dureza Vickers: 904 MPa
Dureza Brinell: 650 MPa
Isótopos más estables: Zr-90 (51,45%), Zr-91 (11,22%), Zr-92 (17,15%), Zr-94 (17,38%) y Zr-96 (2,80%)
Descubridor: Jöns Jakob Berzelius, sueco (1824)
Breve historia del elemento
El Zirconio fue bautizado en alusión a uno de sus minerales más preponderantes, el Zircón, que ya era mencionado, como el Jacinto (otro mineral asociado al elemento) en textos bíblicos y que a día de hoy sigue siendo más famoso que el metal en sí mismo, el cual tiene usos limitados, aunque a excepción de la enorme mayoría de metales que no se usan en estado puro, el Zirconio no es más popular debido a que sus propiedades sean malas, todo lo contrario, es un metal muy completo (resistente a la corrosión, dúctil y maleable) pero muy caro de aislar. Similar al Itrio y en contraposición al Titanio, su “hermano pequeño”, el Zirconio es más famoso por sus compuestos que por sí mismo.
Características principales
Es un metal de transición de número atómico 40, de la familia encabezada por el Titanio, si bien su semejanza con éste último es menor a la que guarda con el Hafnio: famoso por su gran parecido con este metal en todos los aspectos (a excepción de la densidad y la tasa de absorción de neutrones), por lo que suelen encontrarse juntos en sus respectivos minerales. Siempre hay un poco de Hafnio en las fuentes de Zirconio, y viceversa: es muy difícil separarlos.
Si el metal se va a utilizar para fines mecánicos tradicionales o como compuesto, la tolerancia de las trazas de Hafnio es tolerable. En cambio, su uso en reactores nucleares demanda una purificación minuciosa del metal que se traduce en un gran coste. Como ya se ha mentado, el Zirconio tiene la peculiaridad de parecerse mucho al Hafnio en muchos sentidos. Este fenómeno se debe a varios motivos, entre los cuales destaca la configuración electrónica de ambos elementos y la contracción lantánida: no existen dos elementos más parecidos entre sí.
En estado puro es un metal tenaz, fuerte. Físicamente se parece al Acero Inoxidable, pero tiene un tono levemente amarillento (de hecho, su nombre le viene dado por su aspecto “dorado”). Es duro, pero lo suficientemente dúctil y maleable como para trabajarse a martillo. Como cabe de esperar por su posición en la tabla periódica, es extremadamente reactivo y forma compuestos con la mayoría de no-metales con facilidad. El Diboruro es de particular importancia, no tanto el Carburo, que es soluble en agua. El Zirconio, como el Titanio y el Hafnio, se disuelven pobremente en el Acero fundido, y sólo se agregan a éste en % marginales.
El Zirconio es un metal muy abundante en la corteza terrestre, y probablemente también en los dos mantos que rodean al núcleo del planeta. Su principal mineral es la Circonita ZrSiO4 (no confundir con Zirconia cúbica ZrO2). El metal es resistente a la acción devastadora de las partículas emitidas durante un proceso de reacción nuclear, por lo que se puede usar, puro o aleado, en barras de seguridad para el bloqueo de las mismas.
En estado puro se utiliza poco, y es difícil de refinar: se trata de un proceso costoso y que conlleva varias etapas. Se utiliza como aleante en algunas aleaciones especiales, es levemente compatible con el Hierro y la mayoría de los metales de transición, pero se usa en Superaleaciones relacionadas con la aereonáutica basadas en el Níquel y/o Cobalto. No obstante, el Zirconio es más útil como formador de compuestos. Su Dióxido (Zirconia Cúbica) es una de las cerámicas más importantes y tenaces (resistencia a la rotura) que existen. Se utiliza como gema, imitación del diamante. Curiosamente, tiene mejor tenacidad y mayor “fuego” (en términos de gemología, la capacidad del mineral para dispersar la luz), sin embargo, necesita estabilizarse. Para esto se utiliza Ytria y/o Magnesia (Óxidos de Itrio y Magnesio, respectivamente) como dopantes (véase Zirconia Cúbica). El diboruro es muy duro y térmicamente resistente. Se utiliza en aplicaciones nucleares.
El Zirconio no es tóxico, ni perjudicial para el medioambiente. El precio del metal puro es algo caro. Si se compra como compuesto, es bastante barato. La Zirconia tiene un precio asequible, se fabrica con relativa facilidad y es muy polivalente.
Resistencia a la corrosión
En su forma pura (no importan las impurezas de Hafnio – además, son inevitables) es muy resistente a la corrosión por parte de todos los ácidos, a todas las concentraciones, tanto los oxidantes como los reductores (excepto el Fluorhídrico), pero a diferencia del Titanio y el Hafnio, se disuelve lentamente en agua regia. También responde bien frente a los álcalis y bases. Pulverizado es extremadamente reactivo, pirofórico: manéjese con cautela.
Usos típicos
Como ya se ha comentado, el Zirconio se usa poco en su forma pura por muchas razones. Purificarlo es un proceso muy caro que conlleva muchas etapas y la quema de mucho combustible y metales de sacrificio (como el Magnesio, que ya es caro de por sí).
Existen muchas alternativas más baratas que ofrecen un rendimiento mejor, como el propio Titanio, que encima es más ligero.
Su principal demandante en forma pura es la industria nuclear. Se utiliza como revestimiento en piezas sometidas al impacto de partículas altamente cargadas emitidas durante una reacción natural debido a que es resistente a la corrosión incluso a altas temperaturas, y no reacciona con las mismas.
Como aleante en Superaleaciones, ninguna de las cuales tiene un uso cotidiano, sólo en la élite (NASA, USAF, fuerzas aéreas de potencias militares como la rusa, china, et cétera: aplicaciones especiales como aquellas que implican la manufactura de piezas para cohetes espaciales, cabezas de misiles).
La Zirconia Cúbica
No confundir con la Circonita, el mineral más importante del Zirconio. Ambas pueden usarse como gemas, pero la composición es diferente (ZrSiO4 – Zirconita, ZrO2 – Zirconia). Al igual que otros compuestos del elemento, tiene la peculiaridad de ser más famosa que el propio metal, es decir, los compuestos químicos del Zirconio son más populares que el metal puro.
Tal es así, que la mayoría de joyeros que conozco asocian la palabra Zirconio con la gema: son distintos.
El Dióxido de zirconio, también llamado zirconia cúbica, es el compuesto del metal más importante y usado, con diferencia. Es el óxido simple más tenaz de cuantos existen, y junto al nitruro de silicio, la cerámica industrial más fuerte. Muy resistente a la corrosión, duradero y no-tóxico. Se utiliza en muchas aplicaciones la mar de distintas: como substituto a los dientes naturales (implantes), crisoles de alta calidad, como gema (se le puede dar cualquier color), partes estructurales, e incluso rodamientos (tanto anillas como bolas). Tiene una gran resistencia a la rotura – aguanta bien los impactos, y a la deformación. A temperatura ambiente es inestable, por lo que se debe añadir algo de Ytria o Magnesia para estabilizarla termodinámicamente. Dependiendo de la aplicación, puede tener un precio accesible, o muy caro.
Por ejemplo, los rodamientos de zirconia son más baratos que los de nitruro de silicio, pero un implante dental de este material es muy, muy caro. El motivo es que en el primer caso estamos hablando de una producción en masa, mientras que en el segundo, se exige que la pieza sea creada específicamente para un paciente determinado.
Miscelánea
Con 40 protones, el átomo de Zirconio es el más pesado entre aquellos que se consideran estables a todos los efectos a la desintegración por fisión espontánea (sólo teórica hasta el momento). Ésto no reviste mayor importancia salvo por el hecho de saber que a partir de un número de protones, p>40, el índice de energía de enlace por nucleón deja de aumentar conforme lo hace el tamaño del núcleo y de hecho comienza a disminuir empezando con el Niobio (Z=41 para el Z=40 del Zirconio). Sin ir más lejos, el número atómico Z=43, correspondiente al Tecnecio, es directamente inestable (aunque ésto es más bien una rareza). A partir del Niobio, o sea, p=41 o superior, la desintegración mediante la ruta de fisión espontánea es teóricamente posible, si bien como ya he dicho nunca ha sido observada en elementos de mediano peso atómico como éstos.