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Óxido de zinc

Abril 09, 2022

El óxido de zinc es un compuesto inorgánico con la fórmula ZnO. El ZnO es un polvo blanco insoluble en agua, y es comúnmente usado como aditivo en diversos materiales y productos, como por ejemplo: caucho, plásticos, cerámicas, vidrio, cemento, lubricantes,[3]​ pinturas, ungüentos, adhesivos, selladores, pigmentos, comida, baterías, ferritas, retardadores de fuego y cintas de primeros auxilios. Aunque se encuentra de forma natural en el mineral cincita, la mayoría del óxido de zinc es producido sintéticamente.[4]​

 
Óxido de zinc
Nombre IUPAC
Óxido de Zinc
General
Otros nombres Monóxido de zinc
Fórmula semidesarrollada ZnO
Fórmula molecular ?
Identificadores
Número CAS 1314-13-2[1]​
Número RTECS ZH4810000
ChEBI 36560
ChEMBL CHEMBL1201128
ChemSpider 14122
DrugBank 09321
PubChem 14806
UNII SOI2LOH54Z
InChI=InChI=1S/O.Zn
Key: XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N
Propiedades físicas
Apariencia Sólido blanco
Densidad 5606 kg/m³; 5,606 g/cm³
Masa molar 81.41 g/mol
Punto de fusión 2248 K (1975 °C)
Índice de refracción (nD) 2,015
Propiedades químicas
Solubilidad en agua 1.6 mg/L a 29 °C[2]​
Peligrosidad
NFPA 704
1
2
0
W
Compuestos relacionados
Compuestos relacionados Clorato de zinc
Cloruro de zinc
Sulfato de zinc
Sulfuro de zinc
Valores en el SI y en condiciones estándar
(25 ℃ y 1 atm), salvo que se indique lo contrario.
[editar datos en Wikidata]

El ZnO es un semiconductor del grupo de semiconductores II-VI. La adición de impurezas para modular sus propiedades eléctricas (dopaje) nativa del semiconductor debida a las vacantes del oxígeno o intersticiales de zinc es tipo n.[5]​

Este semiconductor tiene diversas propiedades favorables, incluyendo buena transparencia, alta movilidad de electrones, amplio rango de energía donde no existen estados electrónicos (bandgap), y fuerte luminiscencia a temperatura ambiente. Estas propiedades son importantes para las aplicaciones emergentes: electrodos transparentes en aparatos de cristal líquido, ventanas ahorradoras de energía o protectoras del calor, y electrónicos como transistores de película delgada y diodos emitentes de luz.

Propiedades químicas

El ZnO puro es un polvo blanco, en la naturaleza se encuentra de manera natural como el mineral cincita, el cual usualmente contiene manganeso y otras impurezas que le confieren un color entre amarillo y rojo.[6]​

El óxido de zinc cristalino es termo crómico, cambiando de blanco a amarillo cuando es expuesto al calor, y volviendo a ser blanco cuando se enfría.[7]​ Este cambio de color es causado por una pequeña pérdida de oxígeno al ambiente a altas temperaturas, lo cual forma Zn1+xO no estequiométrico, donde a 800°C, x = 0,00007.[7]​

El óxido de Zinc es un óxido anfótero. Es casi insoluble en agua, pero sí soluble en muchos ácidos, tales como el ácido clorhídrico:

ZnO + 2 HCl → ZnCl2 + H2O

Las bases también degradan este sólido formando zincatos solubles:

ZnO + 2 NaOH + H2O → Na2[Zn(OH)4]

El ZnO reacciona lentamente con ácidos graso y aceites para producir los correspondientes carboxilatos, tales como el oleato o el estearato. El ZnO forma productos similares al cemento cuando es mezclado con una solución fuerte acuosa de cloruro de Zinc y estos son mejor conocidos como hidroxicloruros de zinc.[8]​ Este cemento era usado en odontología.[9]​ También forma un material parecido al cemento cuando es tratado con ácido fosfórico; materiales relacionados con odontología.

 
Hopeita

El mayor compuesto producido por la reacción al formar el cemento de fosfato de Zinc es la hopeita, Zn3(PO4)2·4H2O[10]​

El ZnO se descompone en vapor de Zinc y oxígeno alrededor de los 1975°C con presión de oxígeno estándar. En una reacción carbotérmica, el calentar con carbón convierte el óxido en vapor de Zinc con menores temperaturas (cerca de 950°C).[11]​

ZnO + C → Zn(Vapor) + CO

El óxido de Zinc puede reaccionar violentamente con polvo de aluminio y magnesio, con caucho clorado y aceite de linaza caliente provocando fuego y riesgo de explosión.[12]​[13]​

Reacciona con sulfuro de hidrógeno para crear sulfuro de cinc. Esta reacción es usada comercialmente.[cita requerida]

ZnO + H2S → ZnS + H2O

Propiedades físicas

 
Estructura Wurtzite
 
Una celda de blenda de cinc

Estructura

El óxido de Zinc se cristaliza en dos formas principalmente, wurtzita hexagonal[14]​y blenda de Zinc cúbica. La estructura wurtzita es más estable en condiciones estándar y por lo tanto es más común. La forma de blenda de Zinc puede ser estabilizada al formar el ZnO en sustratos con estructura cúbica enrejada. En ambos casos, el centro del Zinc y el óxido son tetraédricos, la más característica geometría del Zn(II). El ZnO se convierte en sal de roca a presiones relativamente altas, cerca de 10 GPa.[5]​

Las poliformas hexagonal y blenda de Zinc no tienen simetría de inversión (el reflejo de un cristal relativo a cualquier punto, no lo transforma en sí mismo). Esta y otras propiedades de simetrías enrejadas resultan en la piezoelectricidad de la forma hexagonal y de la blenda de Zinc del ZnO, y la piroelectricidad de la forma hexagonal del ZnO.

La estructura hexagonal tiene el grupo puntual 6 mm (Hermann-Mauguin notation) o C6v (Schoenflies notation), y su grupo espacial es P63mc o C6v4. Los parámetros de red son a = 3,25 Å y c = 5,2 Å; con una proporción c/a ~ 1,60, cercano al valor ideal de una celda hexagonal c/a = 1,633.[15]​

Como en casi todos los materiales de los grupos II-VI, el enlace del ZnO es iónico (Zn2+–O2−) con los radios correspondientes de 0,074 nm para el Zn2+ y 0,140 nm para el O2−. Esta propiedad hace que se prefiera la formación de la estructura wurtzite en lugar de la blenda de cinc,[16]​ así como la fuerte piezoelectricidad del ZnO. Debido a la polaridad de los enlaces Zn-O, los niveles del Zinc y el oxígeno están eléctricamente cargados. Para mantener la neutralidad eléctrica, esos niveles se reconstruyen en el nivel atómico de la mayoría de los materiales relativos, pero no para el ZnO -sus superficies son atómicamente planas, estables y no presentan reconstrucción. Esta anomalía del ZnO no se ha podido explicar aún.[17]​

Propiedades mecánicas

El ZnO es un material relativamente blando con una dureza aproximada de 4,5 en la escala de Mohs.[3]​

Sus constantes elásticas son menores que aquellas de los semiconductores relevantes de los grupos III-V, tales como el GaN. La alta capacidad calorífica y conductividad térmica, baja expansión química y alta temperatura de fusión del ZnO son propiedades benéficas para las cerámicas.[18]​ El ZnO exhibe un fonón óptico de muy larga vida E2(bajo) con un tiempo de vida útil de hasta 133 ps a 10 K.[19]​[aclaración requerida]

Entre los semiconductores tetraédricamente unidos, se ha fijado que el ZnO tiene el mayor tensor piezoeléctrico, o al menos uno comparable a aquellos del GaN y AlN.[20]​ Esta propiedad lo hace un material de importancia tecnológica para diversas aplicaciones piezoeléctricas, las cuales requieren una amplia unión electromecánica.

Propiedades eléctricas

El ZnO tiene un “band gap” relativamente amplio de ~3,3 eV a temperatura ambiente. Las ventajas asociadas a un amplio “band gap” incluyen altos voltajes de descomposición, habilidad de mantener amplios campos eléctricos, bajo ruido electrónico, y altas temperaturas y altas potencias de operación. El band gap del ZnO puede ser sintonizado a ~3–4 eV mediante su aleación con óxido de magnesio u óxido de cadmio.[5]​

Casi todo el ZnO tiene el carácter tipo n, incluso sin agregar impurezas intencionalmente. La no estequiometria es típicamente el origen del carácter de tipo n, pero el tema sigue siendo controvertido.[21]​ Una explicación alternativa ha sido propuesta, basada en cálculos teóricos, la involuntaria substitución de las impurezas de hidrógeno son las responsables.[22]​ La adición de impurezas de tipo n es controlable cuando se substituye el Zn con elementos del grupo III, tales como Al, Ga, In o al sustituir el oxígeno con elementos del grupo VII como cloro o yodo.[23]​

La modulación de las propiedades eléctricas de tipo p del ZnO aún es difícil. Este problema se origina de la baja solubilidad de los dopantes de tipo p y su compensación de las abundantes impurezas de tipo n. Este problema se observa con el GaN y el ZnSe. Mediciones del tipo p en materiales del tipo n “intrínsecos” son complicadas por la heterogeneidad de las muestras.[24]​

Las limitaciones del dopaje p con límite electrónico y las aplicaciones optoelectrónicas del ZnO, que generalmente requieren uniones con materiales del tipo n y p. Los dopantes conocidos del tipo o incluyen a los elementos del grupo I Li, Na, K; elementos del grupo V N, P y As; así como cobre y plata. Sin embargo, muchos de estos elementos son receptores y no producen conducción tipo p significativa a temperatura ambiente.[5]​

La movilidad de los electrones del ZnO varia fuertemente con la temperatura y tiene un máximo de ~2000 cm²/(V·s) a 80 K.[25]​

Datos de la movilidad de los huecos son escasos con valores en el rango de 5–30 cm²/(V·s).[26]​

Producción

Para el uso industrial, el ZnO se produce a niveles de 105 toneladas por año[6]​ mediante tres procesos principales:[18]​

Proceso indirecto

En el proceso indirecto o francés, zinc metálico es derretido en un crisol de grafito y vaporizado a temperaturas superiores a los 907°C (típicamente cercanas a los 1000°C). El vapor de zinc reacciona con el oxígeno del aire para formar el ZnO, acompañado por un descenso en su temperatura y luminiscencia brillante. Las partículas de óxido de zinc son transportadas a un ducto de enfriamiento y recolectadas en una bolsa. Este método indirecto se popularizó gracias a LeClaire (Francia) en 1844 y por ello es comúnmente conocido como el proceso francés. El producto normalmente consiste de partículas de óxido de zinc aglomeradas con un tamaño promedio de 0.1 a pocos micrómetros. Por el peso, la mayoría del óxido de zinc del mundo es manufacturado mediante el proceso francés.

Proceso directo

El proceso directo o americano empieza con diversos compuestos de zinc contaminados, tales como minerales de zinc o fundiciones de subproductos. Los precursores de zinc son reducidos (reducción carbotérmica) mediante calentamiento con una fuente de carbón como antracita para producir vapor de zinc, el cual es oxidado como en el proceso indirecto. Debido a la baja pureza del material de origen, el producto final también presenta baja calidad en el proceso directo comparada a la del indirecto.

Proceso químico húmedo

Una pequeña cantidad de la producción industrial involucra el proceso químico húmedo, el cual empieza con soluciones acuosas de sales purificadas de zinc, de las que el carbonato de zinc o el hidróxido de zinc es precipitado. Después el precipitado es filtrado, lavado, secado y calcinado a temperaturas de aproximadamente 800°C.

Síntesis en el laboratorio

Existe un amplio número de métodos especializados para producir ZnO para estudios científicos y diferentes aplicaciones. Estos métodos se pueden clasificar por la forma del ZnO resultante (abultado, película delgada, nanocables), temperatura (“baja” que es cercana a la temperatura ambiente o “alta”, que es T ~ 1000 °C), tipo de proceso (descomposición de vapor o desarrollo de solución) y otros parámetros.

Cristales individuales grandes (muchos centímetros cúbicos) pueden ser desarrollados por transporte de gas (deposición en fase vapor), síntesis hidrotérmica[17]​[27]​[28]​ o por fusión. Sin embargo, debido a la alta presión de vapor del ZnO, producirlo por fusión es problemático. La producción por transporte de gas es difícil de controlar, dejando el método hidrotérmico como el de preferencia. Las películas delgadas pueden ser producidas por deposición química de vapor, epitaxia metal orgánica en fase vapor, electrodeposición, deposición por láser pulsado, pulverización catódica (sputtering), síntesis sol-gel, deposición de capa atómica, atomizador de pirolisis, etc.

El polvo ordinario de óxido de zinc puede ser producido en el laboratorio al electrolizar una solución de bicarbonato de sodio con un ánodo de zinc. El hidróxido de zinc y el gas de hidrógeno son producidos. El hidróxido de zinc al ser calentado se descompone en óxido de zinc.

Zn + 2 H2O → Zn(OH)2 + H2
Zn(OH)2 → ZnO + H2O

Nano estructuras de ZnO

Las nano estructuras del ZnO pueden ser sintetizadas en una variedad de morfologías incluyendo nano cables, nano bastones, tetrápodos, nano cintas, nano flores, nano partículas, etc. Las nano estructuras pueden ser obtenidas con varios métodos de síntesis, en ciertas condiciones, y también con el método vapor-líquido-sólido.[17]​[29]​

Las nano estructuras como barras del ZnO pueden ser producidas por métodos acuosos, los cuales son baratos, escalables y amigables con el ambiente. La producción ocurre a temperaturas relativamente bajas, compatibles con sustratos orgánicos flexibles; no hay necesidad del uso de catalizadores metálicos, y por lo tanto puede ser integrado con tecnologías de silicio bien desarrolladas. Además, existen una variedad de parámetros que pueden ser sintonizados para controlar efectivamente la morfología y las propiedades del producto final. Los métodos químicos húmedos se han mostrado como una técnica poderosa y versátil para producir nano estructuras de una dimensión de ZnO.[30]​ La síntesis es típicamente llevada a cabo a temperaturas de cerca de 90°C, en una solución acuosa equimolar de nitrato de zinc y hexamina, el último proporcionando el entorno básico. Algunos aditivos, como el polietilenglicol o la polietilenimina, pueden mejorar el aspecto de los nano cables de ZnO.[31]​ El dopaje de los nano cables de ZnO se ha logrado por la adición de otros nitratos metálicos a la solución de producción.[32]​ La morfología de las nano estructuras resultantes puede ser sintonizada al cambiar los parámetros relacionados con la composición del precursor (como la concentración de zinc y pH) o al tratamiento térmico (como la temperatura y el ritmo de calentamiento) o al realizar un tratamiento con vapor.[33]​[34]​

Los nano cables de ZnO alineados en silicio pre cimentado, los sustratos cristal y nitruro de galio han sido desarrollados en soluciones acuosas usando sales de zinc acuosas como el nitrato de zinc y el acetato de zinc en ambientes básicos.[35]​ Los sustratos pre cimentados con ZnO crean sitios para la nucleación homogénea de los cristales de ZnO durante la síntesis. Los métodos comúnmente pre cimentados incluyen descomposición térmica de cristalitos de acetato de zinc, recubrimiento por centrifugación de nano partículas de ZnO y el uso de métodos de disposición física de vapor para depositar el ZnO en delgadas películas.[36]​[37]​

La pre cimentación puede realizarse en conjunción con procedimientos de modelado de arriba hacia abajo tales como la litografía por haz de electrones y la litografía de nano esfera para designar los sitios de nucleación antes del desarrollo. Los nano cables de ZnO alineados pueden ser usados en celdas solares sensibilizadas por colorante y en dispositivos de emisión de campo.[38]​[39]​

Historia

Los compuestos de zinc fueron probablemente utilizados por los primeros humanos, de formas procesadas o sin procesar, como pintura o ungüento medicinal, pero su composición es incierta. El uso de pushpanjan, probablemente óxido de zinc, como bálsamo para los ojos y heridas abiertas, es mencionado en el texto de medicina india el Charaka Samhita, el cual se cree data del año 500 a.C. o antes.[40]​ El ungüento de óxido de Zinc también es mencionado por el médico griego Dioscórides (siglo I d.C.).[41]​ Avicena menciona el óxido de zinc en The Canon of Medicine (1025 d.C.) donde lo menciona como el tratamiento preferido para diversas condiciones en la piel, incluyendo cáncer de piel. Aunque en la actualidad no es usado para tratar el cáncer, se utiliza para tratar una amplia variedad de condiciones en la piel, en productos como el polvo de bebé y cremas contra dermatitis provocadas por el pañal (rozaduras), crema de calamina, champú anti caspa, y ungüentos antisépticos.[42]​

Los romanos producían cantidades considerables de latón (una aleación de cobre y cinc) durante el año 200 a.C., gracias a un proceso de cementación donde el cobre se hacía reaccionar con óxido de cinc.[43]​ Se cree que el óxido de Zinc se producía por calentamiento de minerales de Zinc en un horno de cuba. Esto liberaba el Zinc metálico como vapor, el cual después ascendía por un tubo y se condensaba como óxido. Este proceso era descrito por Dioscorides en el siglo I d.C.[44]​ El óxido de Zinc también se ha recuperado de minas de Zinc en Zawar, India, desde la segunda mitad del primer milenio antes de Cristo. Este era presuntamente hecho de la misma forma y usado para producir latón.[41]​

Del siglo XII al XVI, el Zinc y el óxido de Zinc eran conocidos y producidos en India utilizando una forma primitiva de síntesis directa. De India, la manufactura de Zinc se movió a China en el siglo XVII. En 1743, el primer horno de fundición de Zinc europeo se fundó en Bristol, Reino Unido.[45]​

El principal uso del óxido de Zinc (Zinc blanco) era en pinturas y como aditivo en ungüentos. El Zinc blanco era aceptado como pigmento en pinturas de óleo en 1834, pero este no se mezclaba bien con el óleo. Este problema se solucionó al optimizar la síntesis del ZnO. En 1845, LeClaire en París produjo la pintura de óleo en escalas grandes, y para 1850 el Zinc blanco era manufacturado por Europa. El triunfo de la pintura de Zinc blanco se debió a sus ventajas sobre la pintura tradicional de plomo: el blanco de Zinc es esencialmente permanente a la luz del sol, no es ennegrecido por aire que contiene azufre, no es tóxico y es más económico. Debido a que el blanco de Zinc es muy “limpio”, es valioso para realizar matices con otros colores, pero hace una película seca quebradiza cuando no se mezcla con otros colores. Por ejemplo, durante los últimos años de 1890 y los primeros de 1900, algunos artistas utilizaron blanco de Zinc como base de sus pinturas de óleo. Todas estas pinturas desarrollaron grietas con el paso de los años.[46]​

En tiempos recientes, la mayoría del óxido de Zinc es usada en la industria del caucho para hacerlo resistente a la corrosión. En la década de 1970, la segunda mayor aplicación del ZnO era el fotocopiado. El ZnO de alta calidad, que se producía mediante el “proceso francés”, se añadía al papel de fotocopiado como relleno. Esta aplicación pronto se sustituyó con titanio.[18]​

Aplicaciones

Las aplicaciones del polvo de óxido de zinc son numerosas, y las principales son resumidas abajo. La mayoría de las aplicaciones explotan la reactividad del óxido como precursor de otros compuestos de zinc. Para aplicaciones en la ciencia material, el óxido de zinc tiene un alto índice de refracción, alta conductividad térmica, propiedades antibacteriales y de protección UV. Por lo tanto, es añadido a materiales y productos incluyendo plásticos, cerámicas, cristales, cemento,[47]​ caucho, lubricantes,[3]​ pinturas, ungüentos, adhesivos, selladores, fabricación de hormigón, pigmentos, comidas, baterías, ferritas, retardadores de fuego, etc.[48]​

Manufactura de caucho

Entre el 50% y el 60% del ZnO es usado en la industria del caucho.[49]​ El óxido de Zinc junto con el ácido esteárico es usado en la vulcanización del caucho.[18]​[50]​[51]​ La adición del ZnO también protege al caucho de hongos (ver aplicaciones médicas) y luz UV.

Industria de la cerámica

La industria de la cerámica consume una significativa cantidad de óxido de zinc, en particular el esmalte cerámico y composiciones horneadas. La relativamente alta capacidad calorífica, conductividad térmica y la temperatura de estabilidad del ZnO unido a coeficientes de expansión comparablemente bajos son propiedades deseadas en la producción de cerámicas. El ZnO afecta el punto de fusión y las propiedades ópticas de los barnices, esmaltes, y formulaciones cerámicas. El óxido de Zinc con una expansión baja, el flujo secundario mejora la elasticidad de los barnices al reducir el cambio de viscosidad como función de la temperatura y ayuda a prevenir el cuarteo. Al sustituir ZnO por BaO y PbO, la capacidad calorífica disminuye y la conductividad térmica incrementa. El Zinc en cantidades pequeñas mejora el desarrollo de superficies lustrosas y brillantes. Sin embargo, de cantidades moderadas a altas, produce superficies mate y cristalinas. Con respecto al color, el Zinc tiene una complicada influencia.[49]​

Medicina

El óxido de Zinc como una mezcla con cerca de 0,5% de óxido de hierro III (Fe2O3) es llamado calamina y es usado en la loción de calamina. Dos minerales, cincita y hemimorphite, han sido llamados calamina históricamente. Cuando se mezcla con eugenol, un ligando, el óxido de Zinc eugenol es formado, el cual tiene aplicaciones como regenerador y prostodoncia en odontología.[9]​[52]​

Reflexionando las propiedades básicas del ZnO, las partículas finas del óxido tienen propiedades desodorizantes y antibacteriales[53]​ y es por ello que se agregan a materiales como la fábrica de algodón, caucho, productos de cuidado bucal,[54]​[55]​ y empaquetado de comida.[56]​[57]​ La acción antibacterial mejorada de las partículas finas comparadas con el material abultado no es exclusivo del ZnO y es observado en otros materiales como la plata.[58]​ Esta propiedad resulta del incremento del área de superficie de las partículas finas.

El óxido de Zinc es ampliamente usado para tratar una variedad de condiciones en la piel, en productos como polvo para bebés y cremas protectoras para tratar rozaduras, crema de calamina, champús anti caspa, y ungüentos antisépticos.[42]​[59]​ Es también un componente en la cinta (llamada “cinta de óxido de cinc”) usada por atletas como vendaje para prevenir daño de tejidos blandos durante sus entrenamientos.[60]​

El óxido de Zinc puede ser usado en ungüentos, cremas, y lociones para proteger contra quemaduras por el sol y otros daños a la piel causados por la luz ultravioleta. Tiene el más amplio espectro de reflexión de rayos UVA y UVB que es aprobado para el uso en bloqueadores solares de los Estados Unidos por la Administración de Drogas y Comida (Food and Drug Administration o FDA por sus siglas en inglés),[61]​ y es completamente fotoestable.[62]​ Cuando es usado como ingrediente de un bloqueador solar, el óxido de Zinc bloquea ambos los rayos UVA (320-400 nm) y UVB (280-320 nm) de luz ultravioleta. El óxido de Zinc y los otros bloqueadores solares más comunes, dióxido de titanio, son considerados no irritantes, no alergénicos, y no comedogénicos.[63]​ El Zinc del óxido de Zinc es, sin embargo, ligeramente absorbido por la piel.[64]​

Muchos protectores solares usan nano partículas de óxido de Zinc (junto con partículas de dióxido de titanio) pues esas pequeñas partículas no dispersan la luz y por ello no se muestran blancos. Ha habido preocupación pues estos podrían ser absorbidas por la piel.[65]​[66]​ Un estudio publicado en 2010 encontró que de 0.23% a 1.31% (promedio de 0.42%) de los niveles de Zinc en la sangre en muestras de sangre venosa podían ser trazas de Zinc de nano partículas de ZnO aplicadas en la piel de los humanos por 5 días, las trazas también se encontraron en muestras de orina.[67]​ En contraste, una revisión exhaustiva de la literatura médica en el 2011 dijo que no había evidencia de que una absorción sistémica se encontrará en la literatura.[68]​

Las nano partículas de óxido de Zinc pueden mejorar la actividad antibacterial de la ciprofloxacina. Se ha demostrado que el ZnO nano que tiene un tamaño promedio de 20 nm y 45 nm puede mejorar la actividad antibacterial de la ciprofloxacina contra Staphylococcus aureus y Escherichia coli in vitro. El efecto de mejoramiento en este nano material es dependiente de la concentración contra todas las cepas examinadas. Este efecto se puede deber a dos razones. La primera, las nano partículas del óxido de Zinc pueden interferir con la proteína NorA, la cual se desarrolla para conferir resistencia en las bacterias y tiene actividad de bombeo que media el eflujo de fluoroquinolones hidrófilos de una célula. La segunda, las nano partículas del óxido de Zinc pueden interferir con la proteína Omf, la cual es responsable de la penetración de quinolones a la célula.[69]​

Filtros de cigarros

El óxido de Zinc es un constituyente de los filtros de cigarros. Un filtro que consiste de carbón impregnado con óxido de Zinc y óxido de hierro, remueve cantidades significativas de cianuro de hidrógeno (HCN) y sulfuro de hidrógeno (H2S) del humo de tabaco sin afectar su sabor.[48]​

Aditivo de comida

El óxido de Zinc es añadido a muchos productos alimenticios, incluyendo cereales de desayuno, como fuente de cinc,[70]​ un nutriente necesario (sulfato de zinc también es usado con el mismo propósito). Algunas comidas pre empaquetadas incluyen cantidades traza de ZnO aunque no sea destinado como nutriente.

El óxido de Zinc estaba vinculado a la contaminación de dioxina en cerdos exportados en 2008 en la crisis de cerdo chilena. Se encontró que la contaminación por dioxina se debía a óxido de Zinc usado en el alimento de los cerdos.[71]​

Pigmento

El blanco de Zinc es usado como pigmento en pinturas y es más opaco que el litopón, pero menos opaco que el dióxido de titanio.[4]​ Es también usado como revestimiento para papel. El blanco chino es un grado especial de blanco de Zinc usado en los pigmentos de los artistas. El uso de blanco de Zinc (óxido de cinc) como pigmento en la pintura en óleo empezó a mediados del siglo XVIII.[72]​ Ha reemplazado al blanco de plomo y fue usado por pintores como Böcklin, Van Gogh,[73]​ Manet, Munch, entre otros. Es también un ingrediente principal del maquillaje mineral (CI 77947)[74]​

Absorbente UV

El micronizado y la nano escala del óxido de Zinc y el dióxido de titanio permite una fuerte protección contra la radiación ultravioleta UVA, y son usados en lociones de bronceado,[75]​

así como en lentes de sol con bloqueo UV para uso en el espacio y para protección cuando se realiza una soldadura, siguiendo la investigación de los científicos en el laboratorio Jet Propulsión (JPL ).[76]​

Revestimientos

Las pinturas que contienen polvo de óxido de zinc han sido utilizadas como revestimientos anticorrosivos para metales. Son especialmente efectivas para galvanizar el hierro. El hierro es difícil de proteger pues su reactividad con revestidores orgánicos lleva la fragilidad y la falta de adhesión. Las pinturas de óxido de zinc retienen su flexibilidad y adherencia en estas superficies por muchos años.[48]​

El ZnO altamente el tipo n dopado con Al, Ga, o In es transparente y conductivo (transparencia ~90%, menos resistividad ~10−4 Ω·cm[77]​). Los revestimientos ZnO:Al son utilizados para ventanas que ahorran energía o protegen del calor. El revestimiento deja la parte visible del espectro, pero refleja la radiación infrarroja (IR) dentro del cuarto (ahorro de energía) o no permite a la radiación infrarroja entrar al cuarto (protección del calor), dependiendo en qué lado de la ventana este el revestimiento.[6]​

Plásticos, tales como el naftalato de polietileno (PEN), pueden ser protegidos al aplicar un revestimiento de óxido de zinc. El revestimiento reduce la difusión de oxígeno con PEN.[78]​ Las capas de óxido de zinc pueden ser usadas en policarbonato (PC) en aplicaciones al exterior. El revestimiento protege al PC de la radiación solar y disminuye la velocidad de oxidación y la coloración amarillenta del PC.[79]​

Prevención contra la corrosión en reactores nucleares

El óxido de Zinc reducido a 64Zn (el isótopo de Zinc con masa atómica 64) es usado en la prevención de corrosión en reactores nucleares de agua presurizada. La reducción es necesaria pues el 64Zn es transformado en 65Zn radiactivo bajo irradiación por los neutrones del reactor.[80]​

Reformado de metano

El óxido de Zinc (ZnO) es utilizado como un paso de pre tratamiento para remover el sulfuro de hidrógeno (H2S) del gas natural siguiendo la hidrogenación de cualquier compuesto con azufre antes de un reformado de metano, el cual puede intoxicar al catalizador. A temperaturas entre los 230, H2S se convierte en agua por la siguiente reacción:

H2S + ZnO → H2O + ZnS

El sulfuro de Zinc (ZnS) se reemplaza con óxido de Zinc fresco cuando el óxido de Zinc ha sido consumado.[81]​

Aplicaciones potenciales

Electrónica

 
Fotografía de un láser UV diodo de ZnO y la estructura de su dispositivo correspondiente.[82]​
 
Sensor de gas flexible basado en nanorods de ZnO y su estructura interna. ITO se refiere a óxido de indio y estaño y PET a tereftalato de polietileno.[83]​

El ZnO tiene un amplio y directo “band gap” (3.37 eV o 375 nm a temperatura ambiente). Por esto, sus aplicaciones potenciales más comunes son en diodos láser y diodos emisores de luz (LEDs light emitting diodes).[84]​ Algunas aplicaciones optoelectrónicas del ZnO se traslapan con las del GaN, el cual tiene un bandgap similar (~3.4 eV a temperatura ambiente). Comparado con el GaN el ZnO tiene más energía de enlace en los excitones (~60 meV, 2.4 veces de la energía térmica a temperatura ambiente), lo que resulta en una emisión brillante a temperatura ambiente del ZnO. El ZnO puede ser combinado con GaN para aplicaciones en LEDs. Por ejemplo, como una capa de óxido conductor transparente y nano estructuras de ZnO proporcionan un mejor desacoplamiento de luz.[85]​ Otras propiedades favorables del ZnO en aplicaciones electrónicas incluyen se estabilidad a radiación de alta energía y a químicos húmedos.[86]​ La resistencia a la radiación[87]​ hace al ZnO un candidato adecuado para aplicaciones en el espacio. El ZnO es el candidato más prometedor en el campo de los láseres aleatorios para producir una fuente de láser UV de inyección electrónica.

Las puntas de nanorods de ZnO dan como resultado un fuerte aumento de campo eléctrico. Por lo que pueden ser usados como emisores de campo.[88]​

Las capas de ZnO dopadas con aluminio son usadas como electrodos transparentes. Los constituyentes Zn y Al son más baratos y menos tóxicos comparados con lo que se usaba generalmente óxido de indio y estaño (ITO). Una aplicación que ha empezado a estar comercialmente disponible es el uso de ZnO como contacto frontal para celdas solares o de pantallas de cristal líquido.[89]​

Los transistores de película delgada transparente (TTFT) pueden ser producidos con ZnO. Como transistores de efecto de campo, pueden no necesitar una unión p-n,[90]​ evitando los problemas del dopaje tipo p del ZnO. Algunos de los transistores e efecto de campo pueden incluso usar nanoros de ZnO como canales de conducción.[91]​

Sensor nanorod de óxido de cinc

Los sensores nanorod de óxido de Zinc son dispositivos que detectan cambios en la corriente eléctrica que pasa por nano cables de óxido de Zinc debido a la adsorción de moléculas de gas. La selectividad por moléculas de gas de hidrógeno se logró mediante la pulverización catódica de trozos de Pd en la superficie de los nanorod. La adición del Pd parece ser efectiva en la disociación catalítica de las moléculas de hidrógeno en hidrógeno atómico, incrementando la sensibilidad del dispositivo sensor. El sensor detecta concentraciones de hidrógeno menores a 10 partes por millón a temperatura ambiente, de otra forma no hay respuesta del oxígeno.[92]​[93]​

Espintrónica

El ZnO también ha sido considerado por sus aplicaciones en espintrónica: si es dopado con 1-10% de iones magnéticos (Mn, Fe, Co, V, etc.), el ZnO se puede hacer ferromagnético, incluso a temperatura ambiente. Ese ferromagnetismo a temperatura ambiente ha sido observado con la unión ZnO:Mn,[94]​ pero no es claro aún si se originó de la matriz por sí misma o por fases secundarias de óxido.

Piezoelectricidad

La piezoelectricidad en fibras textiles cubiertas con ZnO han mostrado ser capaces de fabricar “nano sistemas autoalimentados” con el estrés mecánico de cada día del aire o los movimientos del cuerpo.[95]​[96]​

En 2008 el Center for Nanostructure Characterization en el Instituto de Tecnología de Georgia reportó crear un dispositivo que generaba energía (llamado generador de bomba de carga flexible) entregando corrientes alternativas por extensión y liberación de nano cables de óxido de cinc. Este mini generador crea un voltaje que oscila sobre los 45 mili volts, convirtiendo cerca de siete por ciento de la energía mecánica aplicada en electricidad. Los investigadores han usado cables con longitudes de 0.2-0.3 mm y diámetros de tres a cinco micrómetros, pero el dispositivo puede ser escalado a un tamaño más pequeño.[97]​

Seguridad

Como aditivo de comida, el óxido de zinc se encuentra en la lista de lo generalmente reconocido como seguro de la FDA, o sustancias GRAS.[98]​

El óxido de zinc no es tóxico; sin embargo, es peligroso inhalar los humos del óxido de zinc, que se generan cuando el zinc o las aleaciones de zinc son derretidos y oxidados a altas temperaturas. Este problema ocurre mientras se derrite el latón pues del punto de fusión del latón es cercano al punto de fusión del zinc.[99]​

La exposición al óxido de zinc en el aire, que también ocurre con la soldadura de acero galvanizado (chapado de cinc), puede resultar en una enfermedad nerviosa llamada fiebre por humos de metal. Por esta razón, típicamente el acero galvanizado no es soldado, o el zinc se remueve primero.[100]​

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Enlaces externos

  • Zincite properties
  • International Chemical Safety Card 0208.
  • NIOSH Pocket Guide to Chemical Hazards.
  • Zinc white pigment at ColourLex


  •   Datos: Q190077
  •   Multimedia: Zinc oxide

Abril 09, 2022
Óxido, zinc, óxido, zinc, compuesto, inorgánico, fórmula, polvo, blanco, insoluble, agua, comúnmente, usado, como, aditivo, diversos, materiales, productos, como, ejemplo, caucho, plásticos, cerámicas, vidrio, cemento, lubricantes, pinturas, ungüentos, adhesiv. El oxido de zinc es un compuesto inorganico con la formula ZnO El ZnO es un polvo blanco insoluble en agua y es comunmente usado como aditivo en diversos materiales y productos como por ejemplo caucho plasticos ceramicas vidrio cemento lubricantes 3 pinturas unguentos adhesivos selladores pigmentos comida baterias ferritas retardadores de fuego y cintas de primeros auxilios Aunque se encuentra de forma natural en el mineral cincita la mayoria del oxido de zinc es producido sinteticamente 4 oxido de zincNombre IUPACoxido de ZincGeneralOtros nombresMonoxido de zincFormula semidesarrolladaZnOFormula molecular IdentificadoresNumero CAS1314 13 2 1 Numero RTECSZH4810000ChEBI36560ChEMBLCHEMBL1201128ChemSpider14122DrugBank09321PubChem14806UNIISOI2LOH54ZInChIInChI InChI 1S O Zn Key XLOMVQKBTHCTTD UHFFFAOYSA NPropiedades fisicasAparienciaSolido blancoDensidad5606 kg m 5 606 g cm Masa molar81 41 g molPunto de fusion2248 K 1975 C Indice de refraccion nD 2 015Propiedades quimicasSolubilidad en agua1 6 mg L a 29 C 2 PeligrosidadNFPA 7041 2 0 WCompuestos relacionadosCompuestos relacionadosClorato de zincCloruro de zincSulfato de zincSulfuro de zincValores en el SI y en condiciones estandar 25 y 1 atm salvo que se indique lo contrario editar datos en Wikidata El ZnO es un semiconductor del grupo de semiconductores II VI La adicion de impurezas para modular sus propiedades electricas dopaje nativa del semiconductor debida a las vacantes del oxigeno o intersticiales de zinc es tipo n 5 Este semiconductor tiene diversas propiedades favorables incluyendo buena transparencia alta movilidad de electrones amplio rango de energia donde no existen estados electronicos bandgap y fuerte luminiscencia a temperatura ambiente Estas propiedades son importantes para las aplicaciones emergentes electrodos transparentes en aparatos de cristal liquido ventanas ahorradoras de energia o protectoras del calor y electronicos como transistores de pelicula delgada y diodos emitentes de luz Indice 1 Propiedades quimicas 2 Propiedades fisicas 2 1 Estructura 2 2 Propiedades mecanicas 2 3 Propiedades electricas 3 Produccion 3 1 Proceso indirecto 3 2 Proceso directo 3 3 Proceso quimico humedo 3 4 Sintesis en el laboratorio 3 5 Nano estructuras de ZnO 4 Historia 5 Aplicaciones 5 1 Manufactura de caucho 5 2 Industria de la ceramica 5 3 Medicina 5 4 Filtros de cigarros 5 5 Aditivo de comida 5 6 Pigmento 5 7 Absorbente UV 5 8 Revestimientos 5 9 Prevencion contra la corrosion en reactores nucleares 5 10 Reformado de metano 6 Aplicaciones potenciales 6 1 Electronica 6 2 Sensor nanorod de oxido de cinc 6 3 Espintronica 6 4 Piezoelectricidad 7 Seguridad 8 Referencias 9 Revisiones 10 Enlaces externosPropiedades quimicas EditarEl ZnO puro es un polvo blanco en la naturaleza se encuentra de manera natural como el mineral cincita el cual usualmente contiene manganeso y otras impurezas que le confieren un color entre amarillo y rojo 6 El oxido de zinc cristalino es termo cromico cambiando de blanco a amarillo cuando es expuesto al calor y volviendo a ser blanco cuando se enfria 7 Este cambio de color es causado por una pequena perdida de oxigeno al ambiente a altas temperaturas lo cual forma Zn1 xO no estequiometrico donde a 800 C x 0 00007 7 El oxido de Zinc es un oxido anfotero Es casi insoluble en agua pero si soluble en muchos acidos tales como el acido clorhidrico ZnO 2 HCl ZnCl2 H2OLas bases tambien degradan este solido formando zincatos solubles ZnO 2 NaOH H2O Na2 Zn OH 4 El ZnO reacciona lentamente con acidos graso y aceites para producir los correspondientes carboxilatos tales como el oleato o el estearato El ZnO forma productos similares al cemento cuando es mezclado con una solucion fuerte acuosa de cloruro de Zinc y estos son mejor conocidos como hidroxicloruros de zinc 8 Este cemento era usado en odontologia 9 Tambien forma un material parecido al cemento cuando es tratado con acido fosforico materiales relacionados con odontologia Hopeita El mayor compuesto producido por la reaccion al formar el cemento de fosfato de Zinc es la hopeita Zn3 PO4 2 4H2O 10 El ZnO se descompone en vapor de Zinc y oxigeno alrededor de los 1975 C con presion de oxigeno estandar En una reaccion carbotermica el calentar con carbon convierte el oxido en vapor de Zinc con menores temperaturas cerca de 950 C 11 ZnO C Zn Vapor COEl oxido de Zinc puede reaccionar violentamente con polvo de aluminio y magnesio con caucho clorado y aceite de linaza caliente provocando fuego y riesgo de explosion 12 13 Reacciona con sulfuro de hidrogeno para crear sulfuro de cinc Esta reaccion es usada comercialmente cita requerida ZnO H2S ZnS H2OPropiedades fisicas Editar Estructura Wurtzite Una celda de blenda de cinc Estructura Editar El oxido de Zinc se cristaliza en dos formas principalmente wurtzita hexagonal 14 y blenda de Zinc cubica La estructura wurtzita es mas estable en condiciones estandar y por lo tanto es mas comun La forma de blenda de Zinc puede ser estabilizada al formar el ZnO en sustratos con estructura cubica enrejada En ambos casos el centro del Zinc y el oxido son tetraedricos la mas caracteristica geometria del Zn II El ZnO se convierte en sal de roca a presiones relativamente altas cerca de 10 GPa 5 Las poliformas hexagonal y blenda de Zinc no tienen simetria de inversion el reflejo de un cristal relativo a cualquier punto no lo transforma en si mismo Esta y otras propiedades de simetrias enrejadas resultan en la piezoelectricidad de la forma hexagonal y de la blenda de Zinc del ZnO y la piroelectricidad de la forma hexagonal del ZnO La estructura hexagonal tiene el grupo puntual 6 mm Hermann Mauguin notation o C6v Schoenflies notation y su grupo espacial es P63mc o C6v4 Los parametros de red son a 3 25 A y c 5 2 A con una proporcion c a 1 60 cercano al valor ideal de una celda hexagonal c a 1 633 15 Como en casi todos los materiales de los grupos II VI el enlace del ZnO es ionico Zn2 O2 con los radios correspondientes de 0 074 nm para el Zn2 y 0 140 nm para el O2 Esta propiedad hace que se prefiera la formacion de la estructura wurtzite en lugar de la blenda de cinc 16 asi como la fuerte piezoelectricidad del ZnO Debido a la polaridad de los enlaces Zn O los niveles del Zinc y el oxigeno estan electricamente cargados Para mantener la neutralidad electrica esos niveles se reconstruyen en el nivel atomico de la mayoria de los materiales relativos pero no para el ZnO sus superficies son atomicamente planas estables y no presentan reconstruccion Esta anomalia del ZnO no se ha podido explicar aun 17 Propiedades mecanicas Editar El ZnO es un material relativamente blando con una dureza aproximada de 4 5 en la escala de Mohs 3 Sus constantes elasticas son menores que aquellas de los semiconductores relevantes de los grupos III V tales como el GaN La alta capacidad calorifica y conductividad termica baja expansion quimica y alta temperatura de fusion del ZnO son propiedades beneficas para las ceramicas 18 El ZnO exhibe un fonon optico de muy larga vida E2 bajo con un tiempo de vida util de hasta 133 ps a 10 K 19 aclaracion requerida Entre los semiconductores tetraedricamente unidos se ha fijado que el ZnO tiene el mayor tensor piezoelectrico o al menos uno comparable a aquellos del GaN y AlN 20 Esta propiedad lo hace un material de importancia tecnologica para diversas aplicaciones piezoelectricas las cuales requieren una amplia union electromecanica Propiedades electricas Editar El ZnO tiene un band gap relativamente amplio de 3 3 eV a temperatura ambiente Las ventajas asociadas a un amplio band gap incluyen altos voltajes de descomposicion habilidad de mantener amplios campos electricos bajo ruido electronico y altas temperaturas y altas potencias de operacion El band gap del ZnO puede ser sintonizado a 3 4 eV mediante su aleacion con oxido de magnesio u oxido de cadmio 5 Casi todo el ZnO tiene el caracter tipo n incluso sin agregar impurezas intencionalmente La no estequiometria es tipicamente el origen del caracter de tipo n pero el tema sigue siendo controvertido 21 Una explicacion alternativa ha sido propuesta basada en calculos teoricos la involuntaria substitucion de las impurezas de hidrogeno son las responsables 22 La adicion de impurezas de tipo n es controlable cuando se substituye el Zn con elementos del grupo III tales como Al Ga In o al sustituir el oxigeno con elementos del grupo VII como cloro o yodo 23 La modulacion de las propiedades electricas de tipo p del ZnO aun es dificil Este problema se origina de la baja solubilidad de los dopantes de tipo p y su compensacion de las abundantes impurezas de tipo n Este problema se observa con el GaN y el ZnSe Mediciones del tipo p en materiales del tipo n intrinsecos son complicadas por la heterogeneidad de las muestras 24 Las limitaciones del dopaje p con limite electronico y las aplicaciones optoelectronicas del ZnO que generalmente requieren uniones con materiales del tipo n y p Los dopantes conocidos del tipo o incluyen a los elementos del grupo I Li Na K elementos del grupo V N P y As asi como cobre y plata Sin embargo muchos de estos elementos son receptores y no producen conduccion tipo p significativa a temperatura ambiente 5 La movilidad de los electrones del ZnO varia fuertemente con la temperatura y tiene un maximo de 2000 cm V s a 80 K 25 Datos de la movilidad de los huecos son escasos con valores en el rango de 5 30 cm V s 26 Produccion EditarPara el uso industrial el ZnO se produce a niveles de 105 toneladas por ano 6 mediante tres procesos principales 18 Proceso indirecto Editar En el proceso indirecto o frances zinc metalico es derretido en un crisol de grafito y vaporizado a temperaturas superiores a los 907 C tipicamente cercanas a los 1000 C El vapor de zinc reacciona con el oxigeno del aire para formar el ZnO acompanado por un descenso en su temperatura y luminiscencia brillante Las particulas de oxido de zinc son transportadas a un ducto de enfriamiento y recolectadas en una bolsa Este metodo indirecto se popularizo gracias a LeClaire Francia en 1844 y por ello es comunmente conocido como el proceso frances El producto normalmente consiste de particulas de oxido de zinc aglomeradas con un tamano promedio de 0 1 a pocos micrometros Por el peso la mayoria del oxido de zinc del mundo es manufacturado mediante el proceso frances Proceso directo Editar El proceso directo o americano empieza con diversos compuestos de zinc contaminados tales como minerales de zinc o fundiciones de subproductos Los precursores de zinc son reducidos reduccion carbotermica mediante calentamiento con una fuente de carbon como antracita para producir vapor de zinc el cual es oxidado como en el proceso indirecto Debido a la baja pureza del material de origen el producto final tambien presenta baja calidad en el proceso directo comparada a la del indirecto Proceso quimico humedo Editar Una pequena cantidad de la produccion industrial involucra el proceso quimico humedo el cual empieza con soluciones acuosas de sales purificadas de zinc de las que el carbonato de zinc o el hidroxido de zinc es precipitado Despues el precipitado es filtrado lavado secado y calcinado a temperaturas de aproximadamente 800 C Sintesis en el laboratorio Editar Existe un amplio numero de metodos especializados para producir ZnO para estudios cientificos y diferentes aplicaciones Estos metodos se pueden clasificar por la forma del ZnO resultante abultado pelicula delgada nanocables temperatura baja que es cercana a la temperatura ambiente o alta que es T 1000 C tipo de proceso descomposicion de vapor o desarrollo de solucion y otros parametros Cristales individuales grandes muchos centimetros cubicos pueden ser desarrollados por transporte de gas deposicion en fase vapor sintesis hidrotermica 17 27 28 o por fusion Sin embargo debido a la alta presion de vapor del ZnO producirlo por fusion es problematico La produccion por transporte de gas es dificil de controlar dejando el metodo hidrotermico como el de preferencia Las peliculas delgadas pueden ser producidas por deposicion quimica de vapor epitaxia metal organica en fase vapor electrodeposicion deposicion por laser pulsado pulverizacion catodica sputtering sintesis sol gel deposicion de capa atomica atomizador de pirolisis etc El polvo ordinario de oxido de zinc puede ser producido en el laboratorio al electrolizar una solucion de bicarbonato de sodio con un anodo de zinc El hidroxido de zinc y el gas de hidrogeno son producidos El hidroxido de zinc al ser calentado se descompone en oxido de zinc Zn 2 H2O Zn OH 2 H2Zn OH 2 ZnO H2ONano estructuras de ZnO Editar Las nano estructuras del ZnO pueden ser sintetizadas en una variedad de morfologias incluyendo nano cables nano bastones tetrapodos nano cintas nano flores nano particulas etc Las nano estructuras pueden ser obtenidas con varios metodos de sintesis en ciertas condiciones y tambien con el metodo vapor liquido solido 17 29 Las nano estructuras como barras del ZnO pueden ser producidas por metodos acuosos los cuales son baratos escalables y amigables con el ambiente La produccion ocurre a temperaturas relativamente bajas compatibles con sustratos organicos flexibles no hay necesidad del uso de catalizadores metalicos y por lo tanto puede ser integrado con tecnologias de silicio bien desarrolladas Ademas existen una variedad de parametros que pueden ser sintonizados para controlar efectivamente la morfologia y las propiedades del producto final Los metodos quimicos humedos se han mostrado como una tecnica poderosa y versatil para producir nano estructuras de una dimension de ZnO 30 La sintesis es tipicamente llevada a cabo a temperaturas de cerca de 90 C en una solucion acuosa equimolar de nitrato de zinc y hexamina el ultimo proporcionando el entorno basico Algunos aditivos como el polietilenglicol o la polietilenimina pueden mejorar el aspecto de los nano cables de ZnO 31 El dopaje de los nano cables de ZnO se ha logrado por la adicion de otros nitratos metalicos a la solucion de produccion 32 La morfologia de las nano estructuras resultantes puede ser sintonizada al cambiar los parametros relacionados con la composicion del precursor como la concentracion de zinc y pH o al tratamiento termico como la temperatura y el ritmo de calentamiento o al realizar un tratamiento con vapor 33 34 Los nano cables de ZnO alineados en silicio pre cimentado los sustratos cristal y nitruro de galio han sido desarrollados en soluciones acuosas usando sales de zinc acuosas como el nitrato de zinc y el acetato de zinc en ambientes basicos 35 Los sustratos pre cimentados con ZnO crean sitios para la nucleacion homogenea de los cristales de ZnO durante la sintesis Los metodos comunmente pre cimentados incluyen descomposicion termica de cristalitos de acetato de zinc recubrimiento por centrifugacion de nano particulas de ZnO y el uso de metodos de disposicion fisica de vapor para depositar el ZnO en delgadas peliculas 36 37 La pre cimentacion puede realizarse en conjuncion con procedimientos de modelado de arriba hacia abajo tales como la litografia por haz de electrones y la litografia de nano esfera para designar los sitios de nucleacion antes del desarrollo Los nano cables de ZnO alineados pueden ser usados en celdas solares sensibilizadas por colorante y en dispositivos de emision de campo 38 39 Historia EditarLos compuestos de zinc fueron probablemente utilizados por los primeros humanos de formas procesadas o sin procesar como pintura o unguento medicinal pero su composicion es incierta El uso de pushpanjan probablemente oxido de zinc como balsamo para los ojos y heridas abiertas es mencionado en el texto de medicina india el Charaka Samhita el cual se cree data del ano 500 a C o antes 40 El unguento de oxido de Zinc tambien es mencionado por el medico griego Dioscorides siglo I d C 41 Avicena menciona el oxido de zinc en The Canon of Medicine 1025 d C donde lo menciona como el tratamiento preferido para diversas condiciones en la piel incluyendo cancer de piel Aunque en la actualidad no es usado para tratar el cancer se utiliza para tratar una amplia variedad de condiciones en la piel en productos como el polvo de bebe y cremas contra dermatitis provocadas por el panal rozaduras crema de calamina champu anti caspa y unguentos antisepticos 42 Los romanos producian cantidades considerables de laton una aleacion de cobre y cinc durante el ano 200 a C gracias a un proceso de cementacion donde el cobre se hacia reaccionar con oxido de cinc 43 Se cree que el oxido de Zinc se producia por calentamiento de minerales de Zinc en un horno de cuba Esto liberaba el Zinc metalico como vapor el cual despues ascendia por un tubo y se condensaba como oxido Este proceso era descrito por Dioscorides en el siglo I d C 44 El oxido de Zinc tambien se ha recuperado de minas de Zinc en Zawar India desde la segunda mitad del primer milenio antes de Cristo Este era presuntamente hecho de la misma forma y usado para producir laton 41 Del siglo XII al XVI el Zinc y el oxido de Zinc eran conocidos y producidos en India utilizando una forma primitiva de sintesis directa De India la manufactura de Zinc se movio a China en el siglo XVII En 1743 el primer horno de fundicion de Zinc europeo se fundo en Bristol Reino Unido 45 El principal uso del oxido de Zinc Zinc blanco era en pinturas y como aditivo en unguentos El Zinc blanco era aceptado como pigmento en pinturas de oleo en 1834 pero este no se mezclaba bien con el oleo Este problema se soluciono al optimizar la sintesis del ZnO En 1845 LeClaire en Paris produjo la pintura de oleo en escalas grandes y para 1850 el Zinc blanco era manufacturado por Europa El triunfo de la pintura de Zinc blanco se debio a sus ventajas sobre la pintura tradicional de plomo el blanco de Zinc es esencialmente permanente a la luz del sol no es ennegrecido por aire que contiene azufre no es toxico y es mas economico Debido a que el blanco de Zinc es muy limpio es valioso para realizar matices con otros colores pero hace una pelicula seca quebradiza cuando no se mezcla con otros colores Por ejemplo durante los ultimos anos de 1890 y los primeros de 1900 algunos artistas utilizaron blanco de Zinc como base de sus pinturas de oleo Todas estas pinturas desarrollaron grietas con el paso de los anos 46 En tiempos recientes la mayoria del oxido de Zinc es usada en la industria del caucho para hacerlo resistente a la corrosion En la decada de 1970 la segunda mayor aplicacion del ZnO era el fotocopiado El ZnO de alta calidad que se producia mediante el proceso frances se anadia al papel de fotocopiado como relleno Esta aplicacion pronto se sustituyo con titanio 18 Aplicaciones EditarLas aplicaciones del polvo de oxido de zinc son numerosas y las principales son resumidas abajo La mayoria de las aplicaciones explotan la reactividad del oxido como precursor de otros compuestos de zinc Para aplicaciones en la ciencia material el oxido de zinc tiene un alto indice de refraccion alta conductividad termica propiedades antibacteriales y de proteccion UV Por lo tanto es anadido a materiales y productos incluyendo plasticos ceramicas cristales cemento 47 caucho lubricantes 3 pinturas unguentos adhesivos selladores fabricacion de hormigon pigmentos comidas baterias ferritas retardadores de fuego etc 48 Manufactura de caucho Editar Entre el 50 y el 60 del ZnO es usado en la industria del caucho 49 El oxido de Zinc junto con el acido estearico es usado en la vulcanizacion del caucho 18 50 51 La adicion del ZnO tambien protege al caucho de hongos ver aplicaciones medicas y luz UV Industria de la ceramica Editar La industria de la ceramica consume una significativa cantidad de oxido de zinc en particular el esmalte ceramico y composiciones horneadas La relativamente alta capacidad calorifica conductividad termica y la temperatura de estabilidad del ZnO unido a coeficientes de expansion comparablemente bajos son propiedades deseadas en la produccion de ceramicas El ZnO afecta el punto de fusion y las propiedades opticas de los barnices esmaltes y formulaciones ceramicas El oxido de Zinc con una expansion baja el flujo secundario mejora la elasticidad de los barnices al reducir el cambio de viscosidad como funcion de la temperatura y ayuda a prevenir el cuarteo Al sustituir ZnO por BaO y PbO la capacidad calorifica disminuye y la conductividad termica incrementa El Zinc en cantidades pequenas mejora el desarrollo de superficies lustrosas y brillantes Sin embargo de cantidades moderadas a altas produce superficies mate y cristalinas Con respecto al color el Zinc tiene una complicada influencia 49 Medicina Editar El oxido de Zinc como una mezcla con cerca de 0 5 de oxido de hierro III Fe2O3 es llamado calamina y es usado en la locion de calamina Dos minerales cincita y hemimorphite han sido llamados calamina historicamente Cuando se mezcla con eugenol un ligando el oxido de Zinc eugenol es formado el cual tiene aplicaciones como regenerador y prostodoncia en odontologia 9 52 Reflexionando las propiedades basicas del ZnO las particulas finas del oxido tienen propiedades desodorizantes y antibacteriales 53 y es por ello que se agregan a materiales como la fabrica de algodon caucho productos de cuidado bucal 54 55 y empaquetado de comida 56 57 La accion antibacterial mejorada de las particulas finas comparadas con el material abultado no es exclusivo del ZnO y es observado en otros materiales como la plata 58 Esta propiedad resulta del incremento del area de superficie de las particulas finas El oxido de Zinc es ampliamente usado para tratar una variedad de condiciones en la piel en productos como polvo para bebes y cremas protectoras para tratar rozaduras crema de calamina champus anti caspa y unguentos antisepticos 42 59 Es tambien un componente en la cinta llamada cinta de oxido de cinc usada por atletas como vendaje para prevenir dano de tejidos blandos durante sus entrenamientos 60 El oxido de Zinc puede ser usado en unguentos cremas y lociones para proteger contra quemaduras por el sol y otros danos a la piel causados por la luz ultravioleta Tiene el mas amplio espectro de reflexion de rayos UVA y UVB que es aprobado para el uso en bloqueadores solares de los Estados Unidos por la Administracion de Drogas y Comida Food and Drug Administration o FDA por sus siglas en ingles 61 y es completamente fotoestable 62 Cuando es usado como ingrediente de un bloqueador solar el oxido de Zinc bloquea ambos los rayos UVA 320 400 nm y UVB 280 320 nm de luz ultravioleta El oxido de Zinc y los otros bloqueadores solares mas comunes dioxido de titanio son considerados no irritantes no alergenicos y no comedogenicos 63 El Zinc del oxido de Zinc es sin embargo ligeramente absorbido por la piel 64 Muchos protectores solares usan nano particulas de oxido de Zinc junto con particulas de dioxido de titanio pues esas pequenas particulas no dispersan la luz y por ello no se muestran blancos Ha habido preocupacion pues estos podrian ser absorbidas por la piel 65 66 Un estudio publicado en 2010 encontro que de 0 23 a 1 31 promedio de 0 42 de los niveles de Zinc en la sangre en muestras de sangre venosa podian ser trazas de Zinc de nano particulas de ZnO aplicadas en la piel de los humanos por 5 dias las trazas tambien se encontraron en muestras de orina 67 En contraste una revision exhaustiva de la literatura medica en el 2011 dijo que no habia evidencia de que una absorcion sistemica se encontrara en la literatura 68 Las nano particulas de oxido de Zinc pueden mejorar la actividad antibacterial de la ciprofloxacina Se ha demostrado que el ZnO nano que tiene un tamano promedio de 20 nm y 45 nm puede mejorar la actividad antibacterial de la ciprofloxacina contra Staphylococcus aureus y Escherichia coli in vitro El efecto de mejoramiento en este nano material es dependiente de la concentracion contra todas las cepas examinadas Este efecto se puede deber a dos razones La primera las nano particulas del oxido de Zinc pueden interferir con la proteina NorA la cual se desarrolla para conferir resistencia en las bacterias y tiene actividad de bombeo que media el eflujo de fluoroquinolones hidrofilos de una celula La segunda las nano particulas del oxido de Zinc pueden interferir con la proteina Omf la cual es responsable de la penetracion de quinolones a la celula 69 Filtros de cigarros Editar El oxido de Zinc es un constituyente de los filtros de cigarros Un filtro que consiste de carbon impregnado con oxido de Zinc y oxido de hierro remueve cantidades significativas de cianuro de hidrogeno HCN y sulfuro de hidrogeno H2S del humo de tabaco sin afectar su sabor 48 Aditivo de comida Editar El oxido de Zinc es anadido a muchos productos alimenticios incluyendo cereales de desayuno como fuente de cinc 70 un nutriente necesario sulfato de zinc tambien es usado con el mismo proposito Algunas comidas pre empaquetadas incluyen cantidades traza de ZnO aunque no sea destinado como nutriente El oxido de Zinc estaba vinculado a la contaminacion de dioxina en cerdos exportados en 2008 en la crisis de cerdo chilena Se encontro que la contaminacion por dioxina se debia a oxido de Zinc usado en el alimento de los cerdos 71 Pigmento Editar El blanco de Zinc es usado como pigmento en pinturas y es mas opaco que el litopon pero menos opaco que el dioxido de titanio 4 Es tambien usado como revestimiento para papel El blanco chino es un grado especial de blanco de Zinc usado en los pigmentos de los artistas El uso de blanco de Zinc oxido de cinc como pigmento en la pintura en oleo empezo a mediados del siglo XVIII 72 Ha reemplazado al blanco de plomo y fue usado por pintores como Bocklin Van Gogh 73 Manet Munch entre otros Es tambien un ingrediente principal del maquillaje mineral CI 77947 74 Absorbente UV Editar El micronizado y la nano escala del oxido de Zinc y el dioxido de titanio permite una fuerte proteccion contra la radiacion ultravioleta UVA y son usados en lociones de bronceado 75 asi como en lentes de sol con bloqueo UV para uso en el espacio y para proteccion cuando se realiza una soldadura siguiendo la investigacion de los cientificos en el laboratorio Jet Propulsion JPL 76 Revestimientos Editar Las pinturas que contienen polvo de oxido de zinc han sido utilizadas como revestimientos anticorrosivos para metales Son especialmente efectivas para galvanizar el hierro El hierro es dificil de proteger pues su reactividad con revestidores organicos lleva la fragilidad y la falta de adhesion Las pinturas de oxido de zinc retienen su flexibilidad y adherencia en estas superficies por muchos anos 48 El ZnO altamente el tipo n dopado con Al Ga o In es transparente y conductivo transparencia 90 menos resistividad 10 4 W cm 77 Los revestimientos ZnO Al son utilizados para ventanas que ahorran energia o protegen del calor El revestimiento deja la parte visible del espectro pero refleja la radiacion infrarroja IR dentro del cuarto ahorro de energia o no permite a la radiacion infrarroja entrar al cuarto proteccion del calor dependiendo en que lado de la ventana este el revestimiento 6 Plasticos tales como el naftalato de polietileno PEN pueden ser protegidos al aplicar un revestimiento de oxido de zinc El revestimiento reduce la difusion de oxigeno con PEN 78 Las capas de oxido de zinc pueden ser usadas en policarbonato PC en aplicaciones al exterior El revestimiento protege al PC de la radiacion solar y disminuye la velocidad de oxidacion y la coloracion amarillenta del PC 79 Prevencion contra la corrosion en reactores nucleares Editar El oxido de Zinc reducido a 64Zn el isotopo de Zinc con masa atomica 64 es usado en la prevencion de corrosion en reactores nucleares de agua presurizada La reduccion es necesaria pues el 64Zn es transformado en 65Zn radiactivo bajo irradiacion por los neutrones del reactor 80 Reformado de metano Editar El oxido de Zinc ZnO es utilizado como un paso de pre tratamiento para remover el sulfuro de hidrogeno H2S del gas natural siguiendo la hidrogenacion de cualquier compuesto con azufre antes de un reformado de metano el cual puede intoxicar al catalizador A temperaturas entre los 230 H2S se convierte en agua por la siguiente reaccion H2S ZnO H2O ZnSEl sulfuro de Zinc ZnS se reemplaza con oxido de Zinc fresco cuando el oxido de Zinc ha sido consumado 81 Aplicaciones potenciales EditarElectronica Editar Fotografia de un laser UV diodo de ZnO y la estructura de su dispositivo correspondiente 82 Sensor de gas flexible basado en nanorods de ZnO y su estructura interna ITO se refiere a oxido de indio y estano y PET a tereftalato de polietileno 83 El ZnO tiene un amplio y directo band gap 3 37 eV o 375 nm a temperatura ambiente Por esto sus aplicaciones potenciales mas comunes son en diodos laser y diodos emisores de luz LEDs light emitting diodes 84 Algunas aplicaciones optoelectronicas del ZnO se traslapan con las del GaN el cual tiene un bandgap similar 3 4 eV a temperatura ambiente Comparado con el GaN el ZnO tiene mas energia de enlace en los excitones 60 meV 2 4 veces de la energia termica a temperatura ambiente lo que resulta en una emision brillante a temperatura ambiente del ZnO El ZnO puede ser combinado con GaN para aplicaciones en LEDs Por ejemplo como una capa de oxido conductor transparente y nano estructuras de ZnO proporcionan un mejor desacoplamiento de luz 85 Otras propiedades favorables del ZnO en aplicaciones electronicas incluyen se estabilidad a radiacion de alta energia y a quimicos humedos 86 La resistencia a la radiacion 87 hace al ZnO un candidato adecuado para aplicaciones en el espacio El ZnO es el candidato mas prometedor en el campo de los laseres aleatorios para producir una fuente de laser UV de inyeccion electronica Las puntas de nanorods de ZnO dan como resultado un fuerte aumento de campo electrico Por lo que pueden ser usados como emisores de campo 88 Las capas de ZnO dopadas con aluminio son usadas como electrodos transparentes Los constituyentes Zn y Al son mas baratos y menos toxicos comparados con lo que se usaba generalmente oxido de indio y estano ITO Una aplicacion que ha empezado a estar comercialmente disponible es el uso de ZnO como contacto frontal para celdas solares o de pantallas de cristal liquido 89 Los transistores de pelicula delgada transparente TTFT pueden ser producidos con ZnO Como transistores de efecto de campo pueden no necesitar una union p n 90 evitando los problemas del dopaje tipo p del ZnO Algunos de los transistores e efecto de campo pueden incluso usar nanoros de ZnO como canales de conduccion 91 Sensor nanorod de oxido de cinc Editar Los sensores nanorod de oxido de Zinc son dispositivos que detectan cambios en la corriente electrica que pasa por nano cables de oxido de Zinc debido a la adsorcion de moleculas de gas La selectividad por moleculas de gas de hidrogeno se logro mediante la pulverizacion catodica de trozos de Pd en la superficie de los nanorod La adicion del Pd parece ser efectiva en la disociacion catalitica de las moleculas de hidrogeno en hidrogeno atomico incrementando la sensibilidad del dispositivo sensor El sensor detecta concentraciones de hidrogeno menores a 10 partes por millon a temperatura ambiente de otra forma no hay respuesta del oxigeno 92 93 Espintronica Editar El ZnO tambien ha sido considerado por sus aplicaciones en espintronica si es dopado con 1 10 de iones magneticos Mn Fe Co V etc el ZnO se puede hacer ferromagnetico incluso a temperatura ambiente Ese ferromagnetismo a temperatura ambiente ha sido observado con la union ZnO Mn 94 pero no es claro aun si se origino de la matriz por si misma o por fases secundarias de oxido Piezoelectricidad Editar La piezoelectricidad en fibras textiles cubiertas con ZnO han mostrado ser capaces de fabricar nano sistemas autoalimentados con el estres mecanico de cada dia del aire o los movimientos del cuerpo 95 96 En 2008 el Center for Nanostructure Characterization en el Instituto de Tecnologia de Georgia reporto crear un dispositivo que generaba energia llamado generador de bomba de carga flexible entregando corrientes alternativas por extension y liberacion de nano cables de oxido de cinc Este mini generador crea un voltaje que oscila sobre los 45 mili volts convirtiendo cerca de siete por ciento de la energia mecanica aplicada en electricidad Los investigadores han usado cables con longitudes de 0 2 0 3 mm y diametros de tres a cinco micrometros pero el dispositivo puede ser escalado a un tamano mas pequeno 97 Seguridad EditarComo aditivo de comida el oxido de zinc se encuentra en la lista de lo generalmente reconocido como seguro de la FDA o sustancias GRAS 98 El oxido de zinc no es toxico sin embargo es peligroso inhalar los humos del oxido de zinc que se generan cuando el zinc o las aleaciones de zinc son derretidos y oxidados a altas temperaturas Este problema ocurre mientras se derrite el laton pues del punto de fusion del laton es cercano al punto de fusion del zinc 99 La exposicion al oxido de zinc en el aire que tambien ocurre con la soldadura de acero galvanizado chapado de cinc puede resultar en una enfermedad nerviosa llamada fiebre por humos de metal Por esta razon tipicamente el acero galvanizado no es soldado o el zinc se remueve primero 100 Referencias Editar Numero CAS Zinc oxide http www chemicalbook com Consultado el 21 de marzo de 2016 a b c Hernandezbattez A Gonzalez R Viesca J Fernandez J Diazfernandez J MacHado A Chou R Riba J 2008 CuO ZrO2 and ZnO nanoparticles as antiwear additive in oil lubricants Wear 265 3 4 422 doi 10 1016 j wear 2007 11 013 a b Marcel De Liedekerke 2 3 Zinc Oxide Zinc White Pigments Inorganic 1 in Ullmann s Encyclopdia of Industrial Chemistry 2006 Wiley VCH Weinheim doi 10 1002 14356007 a20 243 pub2 a b c d Ozgur U Alivov Ya I Liu C Teke A Reshchikov M A Dogan S Avrutin V Cho S J et al 2005 A comprehensive review of ZnO materials and devices Journal of Applied Physics 98 4 041301 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