Propiedades químicas y físicas
El óxido de Zinc cristalino es termocrómico, esto es que posee la capacidad de cambiar de color debido a los cambios de temperatura. Cambia de blanco a amarillo cuando es calentado y es capaz de volver a blanco cuando es enfriado. Este cambio de color es producido por una pequeña perdida de oxígeno a altas temperaturas para formar el ZnO no estequiométrico que es de color amarillo.
El óxido de Zn es un oxido anfótero, que es prácticamente insoluble en agua y alcohol, pero que es soluble en la mayoría de los ácidos:
ZnO + 2 HCl → ZnCl2 + H2O
Como ya hemos dicho, es un óxido anfótero y puede reaccionar tambien con las bases para dar zincatos solubles:
ZnO + 2 NaOH + H2O → Na2(Zn(OH)4)
El óxido de Zn tambien forma productos parecidos al cemento cuando reacciona con el ácido fosfórico. Estos materiales, son usados en odontología. El componente mayoritario de este “cemento de fosfato y zinc” es la hopeíta, un mineral que tiene la fórmula Zn3(PO4)2·4H2O.
El ZnO descompone a 1975 ºC para dar Zn gas y oxígeno. Calentando con carbono, convertimos el ZnO en Zn metal, que es más volátil que el ZnO.
ZnO + C → Zn + CO
Además también reacciona con sulfuro de hidrógeno para dar sulfuro de Zn. Esta reacción es usada comercialmente para remover H2S usando polvo de ZnO.
ZnO + H2S → ZnS + H2O
El óxido de Zinc puede cristalizar de tres formas distintas:
1) Wurzita (4:4) ( Empaquetamiento hexagonal compacto, EHC )
2) Blenda de Zinc ( 4:4) ( Empaquetamiento cúbico compacto, ECC)
3) Tipo NaCl (6:6)
La estructura tipo wurzita es la mas estable a temperatura ambiente y por tanto la mas común. Se puede interconvertir a estructura blenda de zinc trabajando a altas presiones y ésta puede ser estabilizada por el crecimiento de ZnO en una estructura de entramado cúbico. En ambos casos, el Zn y el O tienen coordinación tetraédrica.
La estructura tipo NaCl solo ha sido observada a muy altas presiones ( alrededor de 10 GPa) y no merece la pena su estudio.
En esta imagen observamos la celdilla unidad de la estructura tipo wurzita. Nótese el empaquetamiento hexagonal compacto. (EHC). Las bolitas negras representan al Zn y las bolas grises al O.
El ZnO tiene una banda de valencia de aproximadamente 3.3 eV a temperatura ambiente. Esta banda de valencia le permite sustentar grandes corrientes eléctricas, un bajo ruido de comunicación (esto es, que existe muy poca señal no deseada que se mezcle con la señal útil que queremos transmitir) y que se pueda trabajar con el a alta temperatura.
El compuesto ZnO tiene carácter dopante del tipo n. Se cree que el origen de este carácter n-tipo es su cualidad de no ser un compuesto estequiométrico o bertólido. Sin embargo, se ha propuesto una explicación alternativa basada en cálculos teóricos que sostiene que la sustitución involuntaria de impurezas de hidrógeno es la responsable de dicho carácter tipo n.
El ZnO es un compuesto relativamente blando ya que presenta una dureza de 4.5 en la escala de Mohs. Sus constantes eléctricas son más pequeñas que la de otros semiconductores relevantes como el GaN. Su alta capacidad calorífica y su conductividad térmica, unidos a su baja expansión térmica y a su alta temperatura de fusión, son propiedades que lo hacen muy útil en el ámbito de la cerámica.
El ZnO tiene un alto tensor piezoeléctrico (comparable al de otros semiconductores como el GaN o el AlN), lo que significa que al ser sometido a tensiones mecánicas adquiere una polarización eléctrica en su masa, apareciendo una diferencia de potencial y cargas eléctricas en su superficie. Esta cualidad le hace que posea aplicación en un gran numero de campos como son los encendedores automáticos, la recarga automática de baterías para móviles y portátiles, altavoces de agudos… etc
Producción Industrial
Se producen actualmente unas 105 toneladas de ZnO al año para uso industrial. Esta producción se hace por 3 procesos distintos:
1) Proceso indirecto o Proceso Francés
El Zn metálico es introducido en un crisol de grafito y vaporizado a temperaturas de unos 907 ºC. El Zn en estado vapor reacciona instantáneamente con el O del aire para dar ZnO. Las partículas de ZnO son transportadas hacia un conducto de refrigeración y recolectadas. Este método indirecto fue descubierto por LeClaire (Francia) en 1844 por lo que ha heredado el nombre de proceso Francés. Su producción consiste en la aglomeración de partículas de ZnO con un tamaño aproximado de 0.1 a varios micrómetros. La mayoría de ZnO del mundo es producido por el método francés.
2 ) Proceso directo o Proceso Americano
En el proceso directo, el material de partida son varios compuestos de Zn contaminados. Es reducido por calentamiento con un aditivo de carbón como la antracita para producir zinc vapor, que luego es oxidado en el proceso indirecto. Debido a la baja pureza del material de partida, el Zn obtenido es también de baja calidad comparado con el obtenido en el proceso indirecto.
3) Obtención en el laboratorio
Un gran número de métodos de producción de ZnO existen debido a los estudios científicos y a las aplicaciones electrónicas. Estos métodos pueden ser clasificados según diversos criterios como son la forma del ZnO obtenido, la temperatura o el tipo de proceso.
El ZnO blanco pulverizado ordinario puede ser producido en el laboratorio por electrolisis de una disolución de bicarbonato sódico con un ánodo de Zn. En este proceso se produce hidróxido de Zn y hidrógeno gas según la reacción:
Zn + 2 H2O → Zn(OH)2 + H2
El hidróxido de Zn es posteriormente calentado en horno y descompone a ZnO.
Zn(OH)2 → ZnO + H2O
En la imagen observamos dos cristales de ZnO sintetizados en el laboratorio. La diferencia en el color esta asociada con diferentes concentraciones de vacantes de oxígeno en la estructura.
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