Biossido di zirconio: proprietà, sintesi, reazioni, usi

Il biossido di zirconio, noto anche come zirconia  è un materiale estremamente resistente ma anche molto malleabile e duttile. Si trova in natura nel minerale baddeleyite presente nelle  rocce magmatiche contenenti feldspato potassico e plagioclasio. Ha formula ZrO₂ in cui lo zirconio ha numero di ossidazione +4.

Il biossido di zirconio è uno dei materiali più studiati e utilizzati nel campo dei materiali avanzati per via delle sue straordinarie proprietà meccaniche, termiche e chimiche. La zirconia può esistere in diverse forme cristalline (monoclina, tetragonale e cubica), che possono essere stabilizzate mediante opportuni trattamenti o l’aggiunta di ossidi metallici, come l’ossido di ittrio (Y₂O₃) o l’ossido di magnesio (MgO). Tali modifiche permettono di ottenere un materiale con una combinazione unica di resistenza e tenacità, insolita per una ceramica.

Grazie alla sua stabilità chimica e all’elevato punto di fusione (circa 2700 °C), il biossido di zirconio è ampiamente impiegato come materiale refrattario e componente strutturale in condizioni estreme di temperatura e corrosione. Inoltre, la sua inerzia chimica e la biocompatibilità ne fanno un materiale di elezione per applicazioni in campo biomedico, come impianti e protesi dentarie, oltre che nei settori energetico, elettronico e aerospaziale.

Proprietà del biossido di zirconio

È scarsamente solubile in acqua ma è solubile in acido fluoridrico e, a caldo, in acido solforico. È una ceramica resistente, con una combinazione di durezza, resistenza , tenacità alla frattura e resistenza all’usura.  Stabilizzanti come l’ittrio vengono aggiunti per controllare la microstruttura e per la tempra.

È un materiale refrattario chimicamente inerte resistente alla corrosione dotato di molte proprietà che lo rendono utilizzabile nei campi più svariati tra cui eccellente resistenza alla corrosione e a diversi prodotti chimici, resistenza a temperature molto elevate, tenacità alla frattura, elevata durezza e densità ,ottima resistenza all’usura, bassa conducibilità termica, elevata resistenza meccanica

Sintesi

Può essere ottenuto a partire da cloruro di zirconile ottaidrato e idrossido di sodio:
ZrOCl₂ · 8 H₂O + 2 NaOH → Zr(OH)₄ + 2 NaCl + 7 H₂O

L’idrossido di zirconio si ottiene aggiungendo lentamente una soluzione 0.5 M di idrossido di sodio a una soluzione 0.5 M di cloruro di zirconile ottaidrato. La reazione avviene a temperatura ambiente e sotto continua agitazione. Segue un trattamento in autoclave per 48 h a 120°C. Il prodotto risultante è centrifugato  e il precipitato lavato con acqua distillata fino al raggiungimento di un pH neutro.
Zr(OH)₄ → ZrO₂ + 2 H₂O

A causa della crescente richiesta di ossido di zirconio ci sono altri metodi sintetici, in particolare, per la preparazione di nanoparticelle.

Reazioni

L’ossido di zirconio reagisce con il carbonio in presenza di cloro per dare cloruro di zirconio e monossido di carbonio:
ZrO₂ + 2 C + 2 Cl₂ → ZrCl₄ + 2 CO

In presenza di carbonio dà luogo alla formazione di carburo di zirconio e ossigeno:
ZrO₂ + C → ZnC + O₂

Usi

Impiegata per la prima volta nell’industria medica nel 1969, la zirconia ha dimostrato un’eccezionale biocompatibilità, buone proprietà estetiche ed elevate proprietà meccaniche. È utilizzata in campo odontoiatrico, come nelle corone in zirconia e nei monconi implantari a base di zirconia.

È fotocatalizzatore unico che è in grado di scindere l’acqua senza l’aggiunta di un catalizzatore secondario.

Le sue applicazioni spaziano dall’uso in prodotti abrasivi, additivi in ​​vernici e lacche, membrane per celle a combustibile e impianti articolari. Il biossido di zirconio è anche utilizzato come pigmento bianco per la porcellana o in miscela con l’ossido di vanadio come pigmento giallo.

La maggior parte dei prodotti sul mercato come le lame di coltelli sono realizzati a base di polveri microcristalline di biossido di zirconio. Solo mercati di nicchia hanno iniziato a utilizzare sempre più i poteri delle nanoparticelle di biossido di zirconio.

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