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El circonio es un elemento químico de número atómico 40 y símbolo Zr. Pertenece al grupo IV, también conocido como el grupo del titanio (Ti). Este último comprende el circonio, el titanio, el hafnio (Hf) y un elemento químico y radiactivo artificial llamado rutherfordio (Rf). El descubrimiento del circonio se atribuye al químico alemán H. M. Klaproth (1743-1817), quien analizó el mineral circón y aisló el óxido de circonio. Klaproth nombró al metal “circonio”, a partir del circón, una palabra de origen persa que significa “color del oro”. Más tarde, el químico sueco J. J. Berzelius (1779-1848) logró preparar circonio puro reduciendo fluoruro de circonio potásico (K2ZrF6) completamente seco con potasio. Antoine César Becquerel consiguió posteriormente extraer electrolíticamente el metal de una solución de cloruro de circonio, en forma de láminas verde acero.
El circonio permaneció desconocido como elemento químico durante mucho tiempo, y su masa atómica exacta solo pudo determinarse cien años después del éxito de Berzelius en 1924. La razón fue el hecho, desconocido en ese momento, de que el circonio siempre contiene pequeñas cantidades de hafnio. Sin esta información, las mediciones siempre conducían a una masa atómica ligeramente demasiado alta. El circonio presenta propiedades físico-químicas interesantes y específicas del mineral que lo convierten en un elemento importante en diversas industrias.
El circonio es relativamente abundante en la corteza terrestre, pero nunca se encuentra en forma elemental. Los minerales más importantes son el circón y la badeleyita. El circón es un silicato de circonio (ZrSiO4) presente en las arenas de playa y en los depósitos aluviales. Los mayores yacimientos de circón se encuentran en Australia, Sudáfrica, China e Indonesia. La badeleyita, un mineral basado en óxido de circonio, se encuentra en depósitos sólidos, principalmente en Rusia, Estados Unidos y Canadá. La producción minera mundial de circonio en 2022 se estimó en 1,4 millones de toneladas, de las cuales cerca del 58,57% se atribuyeron a Australia y Sudáfrica. Su producción fue de 500.000 toneladas y 320.000 toneladas respectivamente. Las reservas mundiales también están acaparadas por estos dos países. Australia cuenta por sí sola con más del 70% del total de las reservas mundiales estimadas en 68 millones de toneladas. Sudáfrica posee 5,9 millones en reserva. Los otros principales poseedores de reservas de circonio son Senegal (3,8%), Mozambique (2,6%) y China (0,7%).
Los minerales como el circón y la badeleyita, sin embargo, contienen solo pequeñas cantidades del metal, lo que hace que el circonio sea a menudo considerado escaso. La extracción del circonio a gran escala pasa por un proceso industrial de varias etapas.
El primer paso consiste en digerir la arena de circón en una fusión de hidróxido de sodio y convertirla en óxido de circonio. La reducción directa del óxido de circonio con carbono no es posible, ya que los carburos formados durante el proceso son difíciles de separar del metal. Por lo tanto, el óxido de circonio se procesa posteriormente y se convierte en carbonitruro de circonio con coque o grafito en un horno de arco eléctrico. Este producto intermedio se convierte luego en tetracloruro de circonio mediante cloración a 500°C.
El tetracloruro de circonio puede obtenerse directamente a partir de concentrados de circón mediante cloración en presencia de coque o carbón vegetal. Después de la separación de impurezas, el tetracloruro de circonio se libera del cloruro de hafnio, también formado, por procesos de extracción.
El siguiente paso es la reducción del cloruro de circonio mediante el proceso Kroll, desarrollado por el metalúrgico luxemburgués Wilhelm J. Kroll. Al pertenecer el circonio al grupo del titanio en la tabla periódica, es químicamente similar al titanio y el proceso Kroll también puede utilizarse para obtener circonio. Los tetracloruros puros preparados por vía química húmeda se reducen con magnesio fundido en un recipiente de reacción hermético al aire y bajo un gas protector inerte para formar cloruro de magnesio. El cloruro de magnesio puede separarse por destilación al vacío a aproximadamente 900°C. El producto obtenido es el circonio en forma de esponja, una masa dura y porosa.
Para obtener circonio de alta pureza, se utiliza la descomposición térmica del tetraioduro de circonio según el proceso Van-Arkel-de-Boer. Este fue inventado por los químicos holandeses A. E. van Arkel y J. H. de Boer en 1924 para separar los metales más puros de la fase gaseosa. En este proceso, el yoduro de circonio se obtiene calentando el circonio con yodo a 200°C bajo vacío. El yoduro luego se descompone en circonio y yodo sobre un alambre caliente a 1.300°C.
La destilación extractiva es otro método para obtener circonio de alta pureza. Este proceso de purificación del circonio fue desarrollado en Francia en los años 50. Este proceso permite separar el circonio del hafnio, un elemento químico extremadamente cercano al circonio, pero que posee propiedades nucleares diferentes. Esta separación es esencial para la producción de circonio destinado a ser utilizado en la industria nuclear.
El principio de la destilación extractiva se basa en la diferencia de volatilidad entre el circonio y el hafnio. El circonio se calienta a alta temperatura, lo que lo vaporiza. El hafnio también se vaporiza a esta temperatura, pero de manera menos eficiente que el circonio. Entonces se puede recoger el vapor de circonio, que luego se condensa para recuperar el circonio purificado.
En cuanto a las estadísticas, los principales países productores de circonio refinado de todos los tipos son Estados Unidos, Francia, Rusia, Japón, Alemania y Bélgica. Sin embargo, Estados Unidos y Francia concentran la mayoría de la producción. Cerca del 50% de la producción de esponja de circonio y de circonio de calidad nuclear y el 25% de la producción de circonio metálico se atribuyeron notablemente a Estados Unidos en 2021. Francia representa cerca del 25% de la producción de circonio en forma de esponja, un poco más del 25% en circonio puro y en forma de tubo.
El mercado francés del circonio mostró un balance positivo en 2022 con un superávit de cerca de 187 millones de euros. Este beneficio está impulsado principalmente por la exportación de productos fabricados con circonio, cuyos principales clientes son China, Estados Unidos y Alemania. Las exportaciones de esta categoría se concentraron en Asia (42,75%), América (30,5%) y Europa (26,6%).
Los intercambios de Francia en minerales de circonio y sus concentrados en 2022 fueron deficitarios con un aumento del 51% en las importaciones respecto a 2021.
En cuanto al mercado de óxidos de germanio y dióxido de circonio, un puesto también deficitario en el comercio internacional francés, se observó un aumento de cerca del 20% en las importaciones francesas de 2022 respecto a 2021.
El circonio es un metal gris acero, blando y dúctil que pertenece a los metales pesados, con una densidad de 6,5 g/cm3. Es más ligero que el acero o las aleaciones de níquel, también es no magnético y completamente reciclable. El circonio natural contiene cuatro isótopos estables (A = 90, 91, 92, 94) así como un radioisótopo, el Zr96. Como metal blando, el circonio puede ser fácilmente mecanizado y pulido, laminado en hojas, estirado en cables y soldado.
El circonio es alotrópico y se presenta en dos formas: α-circonio y β-circonio. A temperatura ambiente, el α-circonio presenta la red cristalina hexagonal más densa, mientras que a una temperatura de 870°C, la red se transforma y el β-circonio se forma con una red cúbica centrada.
Aunque las funciones biológicas del circonio no son conocidas, está presente en pequeñas cantidades en el cuerpo humano y no es tóxico. Es también biocompatible, como el titanio, es decir, puede ser aceptado por el cuerpo humano sin provocar reacciones inmunológicas. Esta propiedad lo convierte en un material interesante para la tecnología médica.
Sus propiedades mecánicas son relativamente moderadas, con un límite elástico de 205 MPa, una resistencia a la tracción de 308 MPa y un módulo de elasticidad de 99 GPa. La dureza del metal se estima en 85-100 (en estado recocido) según la escala de Vickers y en 800 a 1.000 MPa a 20°C según el valor de Brinell.
Otra propiedad única del circonio es su punto de fusión de 1.855°C, que es más alto que el del titanio. Su elevado punto de ebullición de 4.410°C indica una buena resistencia al calor.
El circonio también presenta una característica notable en términos de resistencia a la temperatura. Arde a la temperatura más alta de los metales, aproximadamente 4.650°C, produciendo una llama brillante. El metal se inflama en el aire en forma de polvo, esponja o virutas finas por fricción, impacto o descarga eléctrica. Debido a este riesgo de inflamación, el circonio se almacena en argón o metano. Los incendios de circonio son difíciles de extinguir debido a la temperatura muy alta a la que arden.
La conductividad eléctrica del circonio (2,36×106 S·m-1) no es tan buena como la de muchos otros metales, como el cobre, pero es relativamente un buen conductor de calor, con una conductividad térmica de 22,7 W/m/K.
El circonio es un elemento reactivo que reacciona con el oxígeno, el carbono, el azufre, el fósforo, los halógenos y los metales para formar compuestos, de los cuales el más importante es el óxido de circonio. Es relativamente resistente a los ácidos diluidos, pero reacciona con los ácidos concentrados para formar sales.
Dos propiedades del circonio son particularmente importantes para su uso técnico: la resistencia a la corrosión y la permeabilidad a los neutrones. El circonio es un metal común, pero puede pasar al estado de pasivación electroquímica. La pasivación significa que un metal forma independientemente una capa de óxido fina, densa y bien adherente, que lo protege eficazmente contra la corrosión. El circonio también forma una capa protectora de óxido de circonio muy rápidamente cuando se expone al aire, lo que lo hace resistente a casi todos los ácidos y bases. Solo el agua regia y el ácido fluorhídrico atacan al circonio a temperatura ambiente. La resistencia a la corrosión del circonio supera incluso la del titanio, conocido por ser muy resistente a la corrosión.
La buena permeabilidad a los neutrones térmicos del circonio constituye una de sus propiedades más importantes. Esta se caracteriza por una baja sección eficaz para los neutrones o su baja absorción. Los neutrones térmicos son necesarios para el proceso de fisión nuclear en los reactores nucleares y el circonio se utiliza como material para las barras de combustible porque permite a los neutrones que alimentan el reactor nuclear pasar a través mientras soporta las condiciones extremas del núcleo de un reactor en funcionamiento.
Las propiedades enumeradas e interesantes hacen del circonio y sus compuestos un material versátil.
El circonio es un metal de transición que encuentra numerosos usos en la industria, debido a sus propiedades físicas y químicas únicas. Su criticidad es particularmente evidente en la industria nuclear, que utiliza cerca de dos tercios del circonio metálico. El resto del consumo del metal se atribuye a la química, la electrónica, las superaleaciones y la aeronáutica. El elemento en forma de óxido de circonio también se utiliza en la cerámica, los productos químicos, los materiales refractarios y otros.
El circonio es un metal de transición que tiene propiedades interesantes para la producción de cerámicas. Las cerámicas a base de circonio, llamadas circona, tienen una gran resistencia al desgaste, a la flexión y a la compresión. Además, el circonio es un material biocompatible, lo que significa que es compatible con el cuerpo humano y puede utilizarse para implantes médicos.
Las cerámicas a base de circonio se utilizan principalmente en la industria dental para la producción de coronas e implantes dentales. Las coronas dentales de circona tienen ventajas sobre las coronas tradicionales de metal o porcelana, ya que son más estéticas, más resistentes al desgaste y más compatibles con los tejidos de la boca.
Los implantes dentales de circona son muy populares, ya que son biocompatibles y no provocan reacciones alérgicas. Los implantes de circona también tienen una alta resistencia a la flexión, lo que significa que pueden soportar cargas importantes sin romperse.
Fuera de la industria dental, el circonio también puede ser utilizado en la producción de baldosas cerámicas. Estas presentan propiedades mecánicas mejoradas en comparación con las cerámicas tradicionales, como la porcelana. Son más resistentes a la flexión, al desgaste y a los arañazos, lo que las hace más duraderas.
Además, las baldosas cerámicas a base de circonio tienen una mayor resistencia a las manchas y a la decoloración, lo que las hace más fáciles de limpiar y mantener. También son resistentes a los cambios de temperatura y, por tanto, pueden utilizarse en entornos sometidos a importantes variaciones de temperatura, como baños y cocinas.
En términos de diseño, las baldosas cerámicas a base de circonio pueden producirse en una amplia gama de colores y texturas, ofreciendo así una gran variedad de opciones para proyectos de construcción y decoración.
El circonio también se utiliza para la producción de cerámicas técnicas, como piezas de maquinaria, bolas de molienda y herramientas de corte.
El óxido de circonio se utiliza en utensilios de cocina domésticos, como cuchillos, peladores, cortadores, ralladores, tijeras. Las herramientas de corte fabricadas con óxido de circonio son más duras y afiladas que los cuchillos de acero, y mantienen el filo durante mucho tiempo. También son resistentes a la corrosión, no contienen gérmenes y no emiten iones metálicos u otros contaminantes cuando están en contacto con los alimentos. Sin embargo, el afilado requiere herramientas de diamante.
Los cuchillos de cerámica han hecho la reputación de Kyocera, fabricante de cuchillos japonés. La fórmula de la marca es producir cuchillos de cerámica a partir de sus propios tipos de cerámica de óxido de circonio que se muelen muy finamente y se sinterizan a alta temperatura para producir cuchillos de alta calidad.
El circonio es un elemento crítico en la energía nuclear como material principal para el revestimiento de combustible por su resistencia a la corrosión y al agrietamiento. Las pastillas de material fisible, generalmente dióxido de uranio, se apilan en tubos de aleación de circonio, también llamados “vainas”. Estos últimos permiten aislar el combustible nuclear de los reactores y proteger el medio ambiente de las radiaciones. Los componentes del revestimiento del combustible nuclear son el circonio, las aleaciones de circonio-niobio y aditivos metálicos menores (níquel, cromo, estaño). Actualmente no existe ningún sustituto posible para las aleaciones de circonio en la industria nuclear.
El circonio se utiliza como catalizador en muchas reacciones químicas. El circonio se elige para estas aplicaciones debido a su resistencia a la corrosión y al desgaste. Forman una capa de óxido de circonio estable y firmemente adherente que puede resistir entornos muy corrosivos y agresivos. Entre los ejemplos de aplicaciones en la industria química, se pueden citar los intercambiadores de calor y los reactores para la producción de ácidos acrílico y acético. La demanda de estos dos ácidos ha aumentado considerablemente en las últimas décadas y su producción requiere materiales extremadamente resistentes a la corrosión. Los materiales de circonio también se utilizan para la producción de fenol, plásticos, ácido sulfúrico y ácido clorhídrico, entre otros.
El circonio es un material refractario de elección debido a su capacidad para resistir altas temperaturas, corrosión química y erosión. Los materiales refractarios se utilizan en aplicaciones donde se requieren temperaturas muy elevadas, como hornos, reactores, cámaras de combustión, crisoles, moldes de fundición y materiales de protección térmica.
El circonio es un elemento versátil que puede utilizarse como elemento de aleación o como aditivo en diversos materiales. Sirve notablemente como anti-recristalizante en las aleaciones de aluminio.
Su uso en el acero tiene efectos metalúrgicos significativos. Su efecto desoxidante y desulfurante, así como su capacidad de formación de carburo aumentan respectivamente la resistencia a la fractura del acero y la dureza de este último.
El uso del circonio con el cobre aumenta su temperatura de fusión sin comprometer su conductividad eléctrica. Esta característica permite numerosos usos, especialmente en conductores de calefacción.
Una aleación de magnesio y zinc que contiene pequeñas cantidades de circonio permanece ligera a la vez que tiene una mejor resistencia a la temperatura y una mejor solidez que una aleación de magnesio ordinaria. Por tanto, puede utilizarse en la fabricación de componentes de motores a reacción. Estos motores a reacción de turbina se caracterizan por una potencia y un empuje elevados para masas y tamaños comparativamente bajos.
El circonio se utiliza como “material de obturación” en lámparas incandescentes y sistemas de vacío debido a su capacidad para reaccionar con el oxígeno y el nitrógeno. Las moléculas de gas se unen directamente a los átomos del material getter, donde se retienen por sorción en su superficie, lo que permite atrapar las impurezas o los gases residuales en un sistema de vacío.
El circonio también se utiliza en el sector automovilístico en la sonda lambda. Se trata de un instrumento de medición esencial para la depuración de los gases de escape de los vehículos con motor de gasolina. Su función consiste en medir la cantidad de oxígeno residual en estas emisiones, y luego transmitir los datos en forma de una señal eléctrica a la unidad de control del motor. Estos datos permiten regular la cantidad de inyección, asegurando así una composición ideal de la mezcla de combustión, que se traduce en condiciones óptimas para el tratamiento de los gases de escape en el convertidor catalítico. Las desviaciones respecto al contenido óptimo de oxígeno conducen a la emisión de contaminantes, lo que hace crucial la determinación de la sonda lambda. La sonda requiere un elemento capaz de conducir eficazmente los iones de oxígeno, y el óxido de circonio juega aquí un papel crucial.
El circonio también se utiliza para fabricar joyas, en particular piedras sintéticas que imitan los diamantes, la circona. Las piedras de circonio son populares gracias a su bajo coste y su apariencia similar a la de los diamantes.
El circonio, especialmente en forma de aleación con niobio, se utiliza para fabricar implantes médicos, como prótesis de cadera y rodilla. Su biocompatibilidad y sus granos ultrafinos lo convierten en un material ideal para esta aplicación.
El circonio se utiliza en la industria aeroespacial para fabricar piezas para motores de avión, como paletas de turbina, y otros componentes que requieren gran solidez y resistencia a la corrosión.
Gracias a la luz brillante que emite al arder, también se utiliza en pirotecnia como polvo de flash con magnesio. Su capacidad para emitir una serie de chispas al impactar con superficies metálicas le confiere un interés como efectos especiales en la industria cinematográfica.
Según el sistema SGA (Sistema Globalmente Armonizado), se trata de una materia pirofórica y de autocalentamiento. El circonio en polvo o en escamas es en efecto extremadamente inflamable y explosivo en contacto con el aire, oxidantes o hidróxidos de los metales alcalinos. El circonio también puede producir gases inflamables, especialmente hidrógeno, cuando entra en contacto con agua a alta temperatura. Esta reacción química es un problema potencial durante el uso del circonio como revestimiento para el uranio en reactores de agua presurizada, como se ilustró trágicamente en el accidente nuclear de Fukushima en 2011.
Los riesgos del circonio para la salud parecen ser mínimos. El elemento no presenta hasta ahora ningún riesgo cancerígeno potencial o probado, pero ya se han observado casos de alergias y sensibilización. Algunos compuestos de circonio, especialmente el lactato de circonio y sodio contenido en barras desodorantes y el dióxido de circonio componente de cremas tópicas contra la dermatitis por Rhus, han provocado estados granulomatosos persistentes de la piel en ciertos individuos.
La mayoría de los organismos parecen tolerar el circonio mejor que los metales pesados. Las sales de circonio se han utilizado para tratar el envenenamiento por plutonio desplazando el plutonio (y el itrio) de los depósitos en el esqueleto y previniéndolos si se administran temprano. Los estudios han demostrado que las ratas podían tolerar hasta un 20% de circona en su dieta durante largos períodos sin efectos nocivos y que su dosis letal intravenosa de citrato de sodio y circonio es de aproximadamente 171 mg/kg de peso corporal.
La inhalación de compuestos de circonio es una vía de exposición más directa para los trabajadores, pero ha sido menos estudiada. Experimentos con animales de laboratorio han mostrado que el lactato de circonio y el circonato de bario pueden causar una neumopatia intersticial crónica grave y persistente a concentraciones atmosféricas de circonio de aproximadamente 5 mg/m3. Concentraciones más altas de lactato de circonio sódico también han provocado problemas respiratorios en animales de laboratorio. Aunque las pruebas de neumoconiosis por circonio en humanos son escasas, algunos estudios sugieren que el circonio podría ser una causa probable y recomiendan tomar precauciones apropiadas en el lugar de trabajo.
Para manipular los metales en polvo con seguridad, es esencial mantenerlos húmedos mojándolos con agua. Si el polvo se seca, debe utilizarse en cantidades mínimas y las operaciones deben realizarse en cabinas separadas para evitar cualquier riesgo de explosión. Todas las fuentes de ignición, incluidas las cargas eléctricas estáticas, deben eliminarse de la zona de manipulación de los polvos de metal.
La zona debe estar equipada con superficies impermeables y homogéneas, fácilmente lavables con agua y libres de polvo. Si se derrama polvo, debe limpiarse inmediatamente con agua para evitar que se seque in situ. Los papeles y trapos usados contaminados con el polvo deben mantenerse húmedos en recipientes cubiertos hasta su eliminación mediante incineración, la cual debe efectuarse al menos una vez al día en un lugar previsto para ello y de acuerdo con las regulaciones vigentes. Los polvos secos deben manipularse lo menos posible y únicamente con herramientas antichispas. Para los trabajadores que manipulan circonio, los delantales de caucho o plástico, si se llevan sobre la ropa de trabajo, deben tratarse con un producto antiestático. Deben estar fabricados a partir de fibras no sintéticas a menos que estén tratados eficazmente con materiales antiestáticos. También se recomienda el uso de gafas y guantes de protección. Comer, beber o fumar en el trabajo tampoco se recomienda.
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