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Óxido de zinc
Óxido de zinc.jpg
Nombres
Otros nombres
Blanco de zinc, calamina, lana de filósofo, blanco chino, flores de zinc
Identificadores
  • 1314-13-2 chequeY
Modelo 3D ( JSmol )
CHEBI
CHEMBL
ChemSpider
DrugBank
Tarjeta de información ECHA100.013.839 Edita esto en Wikidata
Número CE
  • 215-222-5
13738
KEGG
Número RTECS
  • ZH4810000
UNII
un numero3077
  • InChI = 1S / O.Zn chequeY
    Clave: XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N chequeY
  • [Zn] = O
Propiedades
Zn O
Masa molar81,406 g / mol [1]
AparienciaSólido blanco [1]
OlorInodoro
Densidad5,606 g / cm 3 [1]
Punto de fusion1.974 ° C (3.585 ° F; 2.247 K) (se descompone) [1] [5]
Punto de ebullición 1,974 ° C (3,585 ° F; 2,247 K) (se descompone)
0,0004% (17,8 ° C) [2]
Brecha de banda3,3 eV ( directo )
−27,2 · 10 −6 cm 3 / mol [3]
Índice de refracción ( n D )
n 1 = 2.013, n 2 = 2.029 [4]
Estructura [6]
Estructura cristalina
Wurtzita
Grupo espacial
C 6v 4 - P 6 3 mc
Constante de celosía
a  = 3,2495 Å, c  = 5,2069 Å
Unidades de fórmula ( Z )
2
Geometría de coordinación
Tetraédrico
Termoquímica [7]
Capacidad calorífica ( C )
40,3 J · K −1 mol −1
Entropía molar estándar ( S o 298 )
43,7 ± 0,4 J · K −1 mol −1
Entalpía estándar de formación (Δ f H ⦵ 298 )
-350,5 ± 0,3 kJ mol -1
Energía libre de Gibbs (Δ f G ˚)
-320,5 kJ mol -1
Farmacología
Código ATCvet
QA07XA91 ( OMS )
Riesgos
Ficha de datos de seguridadICSC 0208
Pictogramas GHSGHS09: peligro ambiental
Palabra de señal GHSAdvertencia
Declaraciones de peligro GHS
H400 , H401
Consejos de prudencia del SGA
P273 , P391 , P501
NFPA 704 (diamante de fuego)
2
1
0
punto de inflamabilidad 1.436 ° C (2.617 ° F; 1.709 K)
Dosis o concentración letal (LD, LC):
LD 50 ( dosis media )
240 mg / kg (intraperitoneal, rata) [8]
7950 mg / kg (rata, oral) [9]
LC 50 ( concentración media )
2500 mg / m 3 (ratón) [9]
LC Lo ( menor publicado )
2500 mg / m 3 (conejillo de indias, 3-4 h) [9]
NIOSH (límites de exposición a la salud de EE. UU.):
PEL (permitido)
TWA 5 mg / m 3 (humo) TWA 15 mg / m 3 (polvo total) TWA 5 mg / m 3 (resp. Polvo) [2]
REL (recomendado)
Polvo: TWA 5 mg / m 3 C 15 mg / m 3

Humos: TWA 5 mg / m 3 ST 10 mg / m 3 [2]

IDLH (peligro inmediato)
500 mg / m 3 [2]
Compuestos relacionados
Otros aniones
Sulfuro de
zinc Seleniuro de
zinc Telururo de zinc
Otros cationes
Óxido de cadmio Óxido de
mercurio (II)
Salvo que se indique lo contrario, los datos se proporcionan para materiales en su estado estándar (a 25 ° C [77 ° F], 100 kPa).
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Referencias de Infobox

El óxido de zinc es un compuesto inorgánico con la fórmula Zn O . El ZnO es un polvo blanco insoluble en agua. Se utiliza como aditivo en numerosos materiales y productos, incluidos cosméticos, complementos alimenticios, cauchos, plásticos, cerámica, vidrio, cemento, lubricantes, [10] pinturas, ungüentos, adhesivos, selladores, pigmentos, alimentos , baterías, ferritas, retardadores de fuego. y cintas de primeros auxilios. Aunque se produce de forma natural como el mineral zincita , la mayor parte del óxido de zinc se produce sintéticamente. [11]

ZnO es un semiconductor de banda ancha del grupo de semiconductores II-VI . El dopaje nativo del semiconductor debido a vacantes de oxígeno o intersticiales de zinc es de tipo n. [12] Otras propiedades favorables incluyen buena transparencia, alta movilidad de electrones , banda prohibida amplia y fuerte luminiscencia a temperatura ambiente . Esas propiedades hacen que el ZnO sea valioso para una variedad de aplicaciones emergentes: electrodos transparentes en pantallas de cristal líquido , ventanas que ahorran energía o protegen el calor, y componentes electrónicos como transistores de película delgada y diodos emisores de luz .

Propiedades químicas

El ZnO puro es un polvo blanco, pero en la naturaleza se presenta como el raro mineral zincita , que generalmente contiene manganeso y otras impurezas que le confieren un color amarillo a rojo. [13]

El óxido de zinc cristalino es termocrómico , cambia de blanco a amarillo cuando se calienta al aire y vuelve a blanco al enfriarse. [14] Este cambio de color es causado por una pequeña pérdida de oxígeno al medio ambiente a altas temperaturas para formar el Zn 1 + x O no estequiométrico , donde a 800 ° C, x = 0,00007. [14]

El óxido de zinc es un óxido anfótero . Es casi insoluble en agua, pero se disuelve en la mayoría de los ácidos , como el ácido clorhídrico : [15]

ZnO + 2 HCl → ZnCl 2 + H 2 O

El óxido de zinc sólido también se disolverá en álcalis para dar zincatos solubles:

ZnO + 2 NaOH + H 2 O → Na 2 [Zn (OH) 4 ]

El ZnO reacciona lentamente con los ácidos grasos de los aceites para producir los correspondientes carboxilatos , como el oleato o el estearato . El ZnO forma productos similares al cemento cuando se mezcla con una solución acuosa fuerte de cloruro de zinc y estos se describen mejor como hidroxicloruros de zinc. [16] Este cemento se utilizó en odontología. [17]

Hopeite

El ZnO también forma un material similar al cemento cuando se trata con ácido fosfórico ; los materiales relacionados se utilizan en odontología. [17] Un componente principal del cemento de fosfato de zinc producido por esta reacción es la esperanita , Zn 3 (PO 4 ) 2 · 4H 2 O. [18]

El ZnO se descompone en vapor de zinc y oxígeno a aproximadamente 1975 ° C con una presión de oxígeno estándar. En una reacción carbotérmica , el calentamiento con carbono convierte el óxido en vapor de zinc a una temperatura mucho más baja (alrededor de 950 ° C). [15]

ZnO + C → Zn (vapor) + CO

Propiedades físicas

Estructura de wurtzita
Una celda unitaria de zincblenda

Estructura

El óxido de zinc cristaliza en dos formas principales , wurtzita hexagonal [19] y zincblenda cúbica . La estructura de la wurtzita es más estable en condiciones ambientales y, por tanto, más común. La forma de zincblenda se puede estabilizar cultivando ZnO en sustratos con estructura de celosía cúbica. En ambos casos, los centros de zinc y óxido son tetraédricos , la geometría más característica del Zn (II). El ZnO se convierte en el motivo de sal de roca a presiones relativamente altas de alrededor de 10 GPa. [12] Las muchas propiedades médicas notables de las cremas que contienen ZnO pueden explicarse por su suavidad elástica, que es característica de los compuestos binarios coordinados tetraédricos cerca de la transición a estructuras octaédricas. [20]

Los polimorfos hexagonales y de zincblenda no tienen simetría de inversión (la reflexión de un cristal en relación con cualquier punto dado no lo transforma en sí mismo). Esta y otras propiedades de simetría de celosía dan como resultado piezoelectricidad del ZnO hexagonal y de zincblenda, y piroelectricidad del ZnO hexagonal.

La estructura hexagonal tiene un grupo de puntos de 6 mm ( notación de Hermann-Mauguin ) o C 6v ( notación de Schoenflies ), y el grupo espacial es P6 3 mc o C 6v 4 . Las constantes de la red son a = 3,25 Å yc = 5,2 Å; su relación c / a ~ 1.60 está cerca del valor ideal para la celda hexagonal c / a = 1.633. [21] Como en la mayoría de los materiales del grupo II-VI , la unión en ZnO es principalmente iónica (Zn 2+ –O 2− ) con los correspondientes radios de 0.074 nm para Zn 2+y 0,140 nm para O 2− . Esta propiedad explica la formación preferencial de wurtzita en lugar de la estructura de mezcla de zinc, [22] así como la fuerte piezoelectricidad del ZnO. Debido a los enlaces polares Zn-O, los planos de zinc y oxígeno están cargados eléctricamente. Para mantener la neutralidad eléctrica, esos planos se reconstruyen a nivel atómico en la mayoría de los materiales relativos, pero no en ZnO; sus superficies son atómicamente planas, estables y no exhiben ninguna reconstrucción. [23] Sin embargo, los estudios que utilizaron estructuras de wurtzoides explicaron el origen de la planitud de la superficie y la ausencia de reconstrucción en las superficies de wurtzita de ZnO [24], además del origen de las cargas en los planos de ZnO.

Propiedades mecánicas

El ZnO es un material relativamente blando con una dureza aproximada de 4.5 en la escala de Mohs . [10] Sus constantes elásticas son menores que las de los semiconductores III-V relevantes, como GaN . La alta capacidad calorífica y conductividad térmica, la baja expansión térmica y la alta temperatura de fusión del ZnO son beneficiosas para la cerámica. [25] El fonón óptico E2 en ZnO exhibe una vida útil inusualmente larga de 133 ps a 10 K. [26]

Entre los semiconductores unidos tetraédricamente, se ha establecido que ZnO tiene el tensor piezoeléctrico más alto, o al menos uno comparable al de GaN y AlN . [27] Esta propiedad lo convierte en un material tecnológicamente importante para muchas aplicaciones piezoeléctricas , que requieren un gran acoplamiento electromecánico. Por lo tanto, el ZnO se ha presentado en forma de película fina, uno de los materiales de resonador más estudiados para resonadores acústicos en masa de película fina .

Propiedades eléctricas y ópticas

El ZnO tiene una banda prohibida directa relativamente grande de ~ 3.3 eV a temperatura ambiente. Las ventajas asociadas con una banda prohibida grande incluyen voltajes de ruptura más altos, capacidad para sostener grandes campos eléctricos, menor ruido electrónico y operación a alta temperatura y alta potencia. La banda prohibida del ZnO se puede ajustar aún más a ~ 3–4 eV mediante su aleación con óxido de magnesio u óxido de cadmio . [12]

La mayoría de ZnO tiene carácter de tipo n , incluso en ausencia de dopaje intencional . La no estequiometría es típicamente el origen del carácter de tipo n, pero el tema sigue siendo controvertido. [28] Se ha propuesto una explicación alternativa, basada en cálculos teóricos, de que las impurezas de hidrógeno sustitucionales involuntarias son las responsables. [29] El dopaje controlable de tipo n se logra fácilmente sustituyendo el Zn con elementos del grupo III como Al, Ga, In o sustituyendo el oxígeno con elementos del grupo VII, cloro o yodo . [30]

El dopaje confiable de tipo p de ZnO sigue siendo difícil. Este problema se origina por la baja solubilidad de los dopantes de tipo py su compensación por abundantes impurezas de tipo n. Este problema se observa con GaN y ZnSe . La medición del tipo p en material de tipo n "intrínsecamente" se complica por la falta de homogeneidad de las muestras. [31]

Las limitaciones actuales al dopaje p limitan las aplicaciones electrónicas y optoelectrónicas de ZnO, que generalmente requieren uniones de material tipo ny tipo p. Los dopantes de tipo p conocidos incluyen 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 forman aceptores profundos y no producen una conducción significativa de tipo p a temperatura ambiente. [12]

La movilidad electrónica del ZnO varía mucho con la temperatura y tiene un máximo de ~ 2000 cm 2 / (V · s) a 80 K. [32] Los datos sobre la movilidad de los huecos son escasos con valores en el rango de 5 a 30 cm 2 / (V · s). [33]

Los discos de ZnO, que actúan como varistor , son el material activo en la mayoría de los descargadores de sobretensión . [34] [35]

El óxido de zinc se destaca por sus propiedades ópticas fuertemente no lineales , especialmente a granel. La no linealidad de las nanopartículas de ZnO se puede ajustar de acuerdo con su tamaño. [36]

Producción

Para el uso industrial, ZnO se produce a niveles de 10 5 toneladas por año [13] por tres procesos principales: [25]

Proceso indirecto

En el proceso indirecto o francés, el zinc metálico se funde en un crisol de grafito y se vaporiza a temperaturas superiores a 907 ° C (normalmente alrededor de 1000 ° C). El vapor de zinc reacciona con el oxígeno del aire para dar ZnO, acompañado de una caída en su temperatura y luminiscencia brillante. Las partículas de óxido de zinc se transportan a un conducto de enfriamiento y se recogen en una cámara de filtros. Este método indirecto fue popularizado por LeClaire (Francia) en 1844 y, por lo tanto, se conoce comúnmente como el proceso francés. Su producto consiste normalmente en partículas de óxido de zinc aglomeradas con un tamaño medio de 0,1 a unos pocos micrómetros. En peso, la mayor parte del óxido de zinc del mundo se fabrica mediante un proceso francés.

Proceso directo

El proceso directo o americano comienza con diversos compuestos de zinc contaminados, como minerales de zinc o subproductos de fundición. Los precursores de zinc se reducen ( reducción carbotermal ) calentando con una fuente de carbono como la antracita para producir vapor de zinc, que luego se oxida como en el proceso indirecto. Debido a la menor pureza del material de origen, el producto final también es de menor calidad en el proceso directo en comparación con el indirecto.

Proceso químico húmedo

Una pequeña cantidad de producción industrial involucra procesos químicos húmedos, que comienzan con soluciones acuosas de sales de zinc, a partir de las cuales se precipita carbonato de zinc o hidróxido de zinc . A continuación, el precipitado sólido se calcina a temperaturas de alrededor de 800 ° C.

Síntesis de laboratorio

Los colores rojo y verde de estos cristales sintéticos de ZnO son el resultado de diferentes concentraciones de vacantes de oxígeno. [37]

Existen numerosos métodos especializados para producir ZnO para estudios científicos y aplicaciones específicas. Estos métodos se pueden clasificar por la forma resultante de ZnO (a granel, película delgada, nanoalambre ), temperatura ("baja", que está cerca de la temperatura ambiente o "alta", es decir, T ~ 1000 ° C), tipo de proceso (deposición de vapor o crecimiento de la solución) y otros parámetros.

Los monocristales grandes (muchos centímetros cúbicos) pueden crecer mediante el transporte de gas (deposición en fase de vapor), síntesis hidrotermal , [23] [37] [38] o crecimiento en estado fundido. [5] Sin embargo, debido a la alta presión de vapor de ZnO, el crecimiento de la masa fundida es problemático. El crecimiento por transporte de gas es difícil de controlar, dejando el método hidrotermal como una preferencia. [5] Pueden producirse películas delgadas mediante deposición química de vapor , epitaxia en fase vapor metalorgánica , electrodeposición , deposición láser pulsado , pulverización catódica , síntesis sol-gel ,deposición de capa atómica , pirólisis por aspersión, etc.

El óxido de zinc en polvo blanco común se puede producir en el laboratorio electrolizando una solución de bicarbonato de sodio con un ánodo de zinc. Se producen hidróxido de zinc e hidrógeno gaseoso. El hidróxido de zinc al calentarlo se descompone en óxido de zinc.

Zn + 2 H 2 O → Zn (OH) 2 + H 2
Zn (OH) 2 → ZnO + H 2 O

Nanoestructuras de ZnO

Las nanoestructuras de ZnO se pueden sintetizar en una variedad de morfologías que incluyen nanocables, nanobarras , tetrápodos, nano cinturones, nanoflores, nanopartículas, etc. Las nanoestructuras se pueden obtener con la mayoría de las técnicas mencionadas anteriormente, en ciertas condiciones, y también con el método vapor-líquido-sólido. . [23] [39] [40] La síntesis se lleva a cabo típicamente a temperaturas de aproximadamente 90 ° C, en una solución acuosa equimolar de nitrato de zinc y hexamina , esta última proporciona el entorno básico. Ciertos aditivos, como polietilenglicol o polietilenimina, pueden mejorar la relación de aspecto de los nanocables de ZnO. [41]El dopaje de los nanocables de ZnO se ha logrado mediante la adición de otros nitratos metálicos a la solución de crecimiento. [42] La morfología de las nanoestructuras resultantes se puede ajustar cambiando los parámetros relacionados con la composición del precursor (como la concentración de zinc y el pH) o con el tratamiento térmico (como la temperatura y la velocidad de calentamiento). [43]

Los nanocables de ZnO alineados sobre sustratos de silicio , vidrio y nitruro de galio sembrados previamente se han cultivado utilizando sales de zinc acuosas como el nitrato de zinc y el acetato de zinc en entornos básicos. [44] Los sustratos de pre-siembra con ZnO crean sitios para la nucleación homogénea del cristal de ZnO durante la síntesis. Los métodos habituales de pre-siembra incluyen la descomposición térmica in situ de cristalitos de acetato de zinc , el recubrimiento por centrifugación de nanopartículas de ZnO y el uso de métodos físicos de deposición de vapor para depositar películas delgadas de ZnO. [45] [46] La pre-siembra se puede realizar junto con métodos de creación de patrones de arriba hacia abajo, comolitografía por haz de electrones y litografía de nanoesferas para designar los sitios de nucleación antes del crecimiento. Los nanocables de ZnO alineados se pueden utilizar en células solares sensibilizadas con colorante y dispositivos de emisión de campo. [47] [48]

Historia

Es probable que los primeros humanos usaran compuestos de zinc, en formas procesadas y sin procesar, como pintura o ungüento medicinal, pero su composición es incierta. El uso de pushpanjan , probablemente óxido de zinc, como ungüento para los ojos y las heridas abiertas, se menciona en el texto médico indio Charaka Samhita , que se cree que data del 500 a. C. o antes. [49] El ungüento de óxido de zinc también es mencionado por el médico griego Dioscórides (siglo I d. C.). [50] Galen sugirió tratar cánceres ulcerosos con óxido de zinc, [51] al igual que Avicenna en su The Canon of Medicine. El óxido de zinc ya no se usa para tratar el cáncer de piel, aunque todavía se usa como ingrediente en productos como talco para bebés y cremas contra la dermatitis del pañal , crema de calamina , champús anticaspa y ungüentos antisépticos . [52]

Los romanos produjeron cantidades considerables de latón (una aleación de zinc y cobre ) ya en el año 200 a. C. mediante un proceso de cementación en el que el cobre reaccionaba con óxido de zinc. [53] Se cree que el óxido de zinc se produjo calentando mineral de zinc en un horno de cuba. Este zinc metálico liberaba en forma de vapor, que luego ascendía por el conducto y se condensaba como óxido. Este proceso fue descrito por Dioscórides en el siglo I d.C. [54] El óxido de zinc también se ha recuperado de las minas de zinc en Zawar en la India , que data de la segunda mitad del primer milenio antes de Cristo. [50]

Desde el siglo XII hasta el siglo XVI, el zinc y el óxido de zinc fueron reconocidos y producidos en la India utilizando una forma primitiva del proceso de síntesis directa. Desde India, la fabricación de zinc se trasladó a China en el siglo XVII. En 1743, se estableció la primera fundición europea de zinc en Bristol , Reino Unido. [55] Alrededor de 1782, Louis-Bernard Guyton de Morveau propuso reemplazar el blanco de plomo con óxido de zinc. [56]

El uso principal de óxido de zinc (blanco de zinc) fue en pinturas y como aditivo para ungüentos. El blanco de zinc se aceptó como pigmento en las pinturas al óleo en 1834, pero no se mezclaba bien con el aceite. Este problema se resolvió optimizando la síntesis de ZnO. En 1845, LeClaire en París estaba produciendo la pintura al óleo a gran escala, y en 1850, el blanco de zinc se estaba fabricando en toda Europa. El éxito de la pintura blanca de zinc se debió a sus ventajas sobre el plomo blanco tradicional: el blanco de zinc es esencialmente permanente a la luz del sol, no se ennegrece con el aire que contiene azufre, no es tóxico y es más económico. Debido a que el blanco de zinc es tan "limpio", es valioso para hacer tintes con otros colores, pero produce una película seca bastante quebradiza cuando no se mezcla con otros colores. Por ejemplo, a finales de la década de 1890 y principios de la de 1900,algunos artistas utilizaron el blanco de zinc como base para sus pinturas al óleo. Todas esas pinturas desarrollaron grietas a lo largo de los años.[57]

En los últimos tiempos, la mayor parte del óxido de zinc se utilizó en la industria del caucho para resistir la corrosión . En la década de 1970, la segunda aplicación más importante de ZnO fue el fotocopiado . Se añadió ZnO de alta calidad producido por el "proceso francés" al papel de fotocopiado como relleno. Esta aplicación pronto fue reemplazada por el titanio . [25]

Aplicaciones

Las aplicaciones del polvo de óxido de zinc son numerosas y las principales se resumen a continuación. La mayoría de las aplicaciones aprovechan la reactividad del óxido como precursor de otros compuestos de zinc. Para aplicaciones de ciencia de materiales, el óxido de zinc tiene un alto índice de refracción , alta conductividad térmica, propiedades aglutinantes, antibacterianas y de protección UV. En consecuencia, se agrega a materiales y productos, incluidos plásticos, cerámica, vidrio, cemento, [58] caucho, lubricantes, [10] pinturas, ungüentos, adhesivos, selladores, fabricación de concreto , pigmentos, alimentos, baterías, ferritas, retardadores de fuego, etc. [59]

Fabricación de caucho

Entre el 50% y el 60% del uso de ZnO se encuentra en la industria del caucho. [60] El óxido de zinc junto con el ácido esteárico se utiliza en la vulcanización del caucho [25] [61] El aditivo de ZnO también protege el caucho de los hongos (ver aplicaciones médicas) y la luz ultravioleta.

Industria cerámica

La industria cerámica consume una cantidad significativa de óxido de zinc, en particular en composiciones de fritas y esmaltes cerámicos. La capacidad calorífica relativamente alta, la conductividad térmica y la estabilidad a alta temperatura del ZnO junto con un coeficiente de expansión comparativamente bajo son propiedades deseables en la producción de cerámica. El ZnO afecta el punto de fusión y las propiedades ópticas de los esmaltes, esmaltes y formulaciones cerámicas. El óxido de zinc como fundente secundario de baja expansión mejora la elasticidad de los esmaltes al reducir el cambio de viscosidad en función de la temperatura y ayuda a prevenir el agrietamiento y los escalofríos. Sustituyendo ZnO por BaO y PbO, la capacidad calorífica disminuye y la conductividad térmica aumenta. El zinc en pequeñas cantidades mejora el desarrollo de superficies brillantes y brillantes. Sin embargo, en cantidades moderadas a altas,produce superficies mates y cristalinas. En cuanto al color, el zinc tiene una influencia complicada.[60]

Medicina

El óxido de zinc como una mezcla con aproximadamente 0,5% de óxido de hierro (III) (Fe 2 O 3 ) se llama calamina y se usa en loción de calamina. Dos minerales, zincita y hemimorfita , se han llamado históricamente calamina . Cuando se mezcla con eugenol , se forma un ligando , el óxido de zinc eugenol , que tiene aplicaciones como restaurador y prostodóntico en odontología . [17] [62]

Como reflejo de las propiedades básicas del ZnO, las partículas finas del óxido tienen propiedades desodorantes y antibacterianas [63] y, por esa razón, se añaden a materiales que incluyen tejidos de algodón, caucho, productos para el cuidado bucal [64] [65] y envases de alimentos. [66] [67] La acción antibacteriana mejorada de las partículas finas en comparación con el material a granel no es exclusiva del ZnO y se observa en otros materiales, como la plata . [68] Esta propiedad resulta del aumento de la superficie de las partículas finas.

El óxido de zinc se utiliza en enjuague bucal productos y pastas de dientes como un agente anti-bacteriano propuso para prevenir la placa y el sarro formación, [69] y para controlar el mal aliento mediante la reducción de los volátiles gases y compuestos de azufre volátiles (VSC) en la boca. [70] Junto con el óxido de zinc o las sales de zinc, estos productos también suelen contener otros ingredientes activos, como cloruro de cetilpiridinio , [71] xilitol , [72] hinokitiol , [73] aceites esenciales y extractos de plantas .[74] [75]

El óxido de zinc se usa ampliamente para tratar una variedad de afecciones de la piel, que incluyen dermatitis atópica , dermatitis de contacto , picazón debido al eccema , dermatitis del pañal y acné . [76] El óxido de zinc también se agrega a menudo a los protectores solares . [76]

Se utiliza en productos como talco para bebés y cremas protectoras para tratar la dermatitis del pañal , crema de calamina , champús anticaspa y ungüentos antisépticos . [52] [77] También es un componente de la cinta (llamada "cinta de óxido de zinc") que los atletas utilizan como vendaje para evitar daños en los tejidos blandos durante los entrenamientos. [78]

El óxido de zinc se puede usar [79] en ungüentos, cremas y lociones para proteger contra las quemaduras solares y otros daños a la piel causados ​​por la luz ultravioleta (ver protector solar ). Es el absorbente de UVA y UVB de espectro más amplio [80] [81] que está aprobado para su uso como protector solar por la Administración de Drogas y Alimentos de los Estados Unidos (FDA), [82] y es completamente fotoestable. [83] Cuando se usa como ingrediente en protector solar , el óxido de zinc bloquea los rayos UVA (320 a 400 nm) y UVB (280 a 320 nm) de la luz ultravioleta.. El óxido de zinc y el otro protector solar físico más común , el dióxido de titanio , se consideran no irritantes, no alergénicos y no comedogénicos . [84] Sin embargo, el zinc del óxido de zinc se absorbe ligeramente en la piel. [85]

Muchos protectores solares utilizan nanopartículas de óxido de zinc (junto con nanopartículas de dióxido de titanio) porque estas partículas pequeñas no dispersan la luz y, por lo tanto, no parecen blancas. Las nanopartículas no se absorben en la piel más que las partículas de óxido de zinc de tamaño regular, [86] y solo se absorben en la capa más externa de la piel, pero no en el cuerpo. [86]

Las nanopartículas de óxido de zinc pueden mejorar la actividad antibacteriana de la ciprofloxacina . Se ha demostrado que el nano ZnO que tiene un tamaño medio entre 20 nm y 45 nm puede potenciar la actividad antibacteriana del ciprofloxacino contra Staphylococcus aureus y Escherichia coli in vitro . El efecto potenciador de este nanomaterial depende de la concentración frente a todas las cepas de prueba. Este efecto puede deberse a dos razones. En primer lugar, las nanopartículas de óxido de zinc pueden interferir con la proteína NorA, que está desarrollada para conferir resistencia a las bacterias y tiene una actividad de bombeo que media la salida.de fluoroquinolonas hidrófilas de una célula. En segundo lugar, las nanopartículas de óxido de zinc pueden interferir con la proteína Omf, que es responsable de la penetración de los antibióticos quinolónicos en la célula. [87]

Filtros de cigarrillos

El óxido de zinc es un componente de los filtros de cigarrillos . Un filtro que consiste en carbón vegetal impregnado con óxido de zinc y óxido de hierro elimina cantidades significativas de cianuro de hidrógeno ( HCN ) y sulfuro de hidrógeno ( H 2 S ) del humo del tabaco sin afectar su sabor. [59]

Aditivo alimentario

El óxido de zinc se agrega a muchos productos alimenticios, incluidos los cereales para el desayuno , como fuente de zinc, [88] un nutriente necesario . ( El sulfato de zinc también se usa para el mismo propósito). Algunos alimentos preenvasados ​​también incluyen trazas de ZnO, incluso si no está destinado a ser un nutriente.

El óxido de zinc se relacionó con la contaminación por dioxinas en las exportaciones de carne de cerdo en la crisis de la carne de cerdo chilena de 2008 . Se descubrió que la contaminación se debía al óxido de zinc contaminado con dioxinas utilizado en la alimentación de los cerdos. [89]

Pigmento

El blanco de zinc se utiliza como pigmento en pinturas y es más opaco que el litopone , pero menos opaco que el dióxido de titanio . [11] También se utiliza en revestimientos para papel. El blanco chino es un grado especial de blanco de zinc que se utiliza en los pigmentos de los artistas . [90] El uso del blanco de zinc (óxido de zinc) como pigmento en la pintura al óleo comenzó a mediados del siglo XVIII. [91] Ha reemplazado en parte al blanco de plomo venenoso y fue utilizado por pintores como Böcklin , Van Gogh , [92] Manet , Munchy otros. También es un ingrediente principal del maquillaje mineral (CI 77947). [93]

Absorbente de rayos ultravioleta

El óxido de zinc y el dióxido de titanio micronizados y en nanoescala brindan una fuerte protección contra la radiación ultravioleta UVA y UVB , y se utilizan en lociones bronceadoras , [94] y también en gafas de sol que bloquean los rayos UV para su uso en el espacio y para protección al soldar , según las investigaciones de científicos del Jet Propulsion Laboratory ( JPL ). [95]

Recubrimientos

Las pinturas que contienen polvo de óxido de zinc se han utilizado durante mucho tiempo como recubrimientos anticorrosivos para metales. Son especialmente efectivos para hierro galvanizado. El hierro es difícil de proteger porque su reactividad con los recubrimientos orgánicos provoca fragilidad y falta de adherencia. Las pinturas de óxido de zinc conservan su flexibilidad y adherencia en dichas superficies durante muchos años. [59]

El ZnO altamente dopado de tipo n con aluminio , galio o indio es transparente y conductor ( transparencia ~ 90%, resistividad mínima ~ 10 −4 Ω · cm [96] ). Los revestimientos de ZnO: Al se utilizan para ventanas que ahorran energía o protegen del calor. El revestimiento deja entrar la parte visible del espectro pero refleja la radiación infrarroja (IR) de regreso a la habitación (ahorro de energía) o no deja que la radiación IR entre en la habitación (protección contra el calor), según el lado de la ventana que tenga el revestimiento. [13]

Los plásticos, como el naftalato de polietileno (PEN), se pueden proteger aplicando un revestimiento de óxido de zinc. El recubrimiento reduce la difusión de oxígeno con PEN. [97] Las capas de óxido de zinc también se pueden usar en policarbonato en aplicaciones al aire libre. El recubrimiento protege al policarbonato de la radiación solar y disminuye su tasa de oxidación y fotoamarilleo. [98]

Prevención de la corrosión en reactores nucleares

El óxido de zinc empobrecido en 64 Zn (el isótopo de zinc con masa atómica 64) se utiliza en la prevención de la corrosión en reactores nucleares de agua a presión . El agotamiento es necesario, porque 64 Zn se transforma en 65 Zn radiactivo bajo irradiación por los neutrones del reactor. [99]

Reformado de metano

El óxido de zinc (ZnO) se usa como un paso de pretratamiento para eliminar el sulfuro de hidrógeno (H 2 S) del gas natural después de la hidrogenación de cualquier compuesto de azufre antes de un reformador de metano , que puede envenenar el catalizador. A temperaturas entre 230 y 430 ° C (446 y 806 ° F), el H 2 S se convierte en agua mediante la siguiente reacción:

H 2 S + ZnO → H 2 O + ZnS

El sulfuro de zinc (ZnS) se reemplaza con óxido de zinc fresco cuando el óxido de zinc se ha consumido. [100]

Aplicaciones potenciales

Electrónica

Fotografía de un diodo láser ZnO UV en funcionamiento y la estructura del dispositivo correspondiente. [101]
Sensor de gas flexible basado en nanobarras de ZnO y su estructura interna. ITO significa óxido de indio y estaño y PET para tereftalato de polietileno . [102]

El ZnO tiene una banda prohibida amplia y directa (3,37 eV o 375 nm a temperatura ambiente). Por lo tanto, sus aplicaciones potenciales más comunes se encuentran en diodos láser y diodos emisores de luz (LED). [103] Algunas aplicaciones optoelectrónicas de ZnO se superponen con la de GaN , que tiene una banda prohibida similar (~ 3,4 eV a temperatura ambiente). En comparación con GaN, el ZnO tiene una energía de enlace de excitones más grande (~ 60 meV, 2,4 veces la energía térmica a temperatura ambiente), lo que da como resultado una emisión brillante a temperatura ambiente de ZnO. ZnO se puede combinar con GaN para aplicaciones LED. Por ejemplo, como capa de óxido conductor transparente y nanoestructuras de ZnO proporcionan un mejor desacoplamiento de luz. [104]Otras propiedades del ZnO favorables para aplicaciones electrónicas incluyen su estabilidad a la radiación de alta energía y su posibilidad de ser modelado por grabado químico húmedo. [105] La resistencia a la radiación [106] hace que el ZnO sea un candidato adecuado para aplicaciones espaciales. ZnO es el candidato más prometedor en el campo de los láseres aleatorios para producir una fuente de láser UV bombeada electrónicamente.

Las puntas puntiagudas de las nanovarillas de ZnO dan como resultado una fuerte mejora de un campo eléctrico. Por tanto, pueden utilizarse como emisores de campo . [107]

Las capas de ZnO dopadas con aluminio se utilizan como electrodos transparentes . Los componentes Zn y Al son mucho más baratos y menos tóxicos en comparación con el óxido de indio y estaño (ITO) generalmente utilizado . Una aplicación que ha comenzado a estar disponible comercialmente es el uso de ZnO como contacto frontal para células solares o pantallas de cristal líquido . [108]

Se pueden producir transistores transparentes de película fina (TTFT) con ZnO. Como transistores de efecto de campo, es posible que incluso no necesiten una unión p – n, [109] evitando así el problema de dopaje de tipo p del ZnO. Algunos de los transistores de efecto de campo incluso utilizan nanobarras de ZnO como canales conductores. [110]

Sensor de nanovarillas de óxido de zinc

Los sensores de nanobarras de óxido de zinc son dispositivos que detectan cambios en la corriente eléctrica que pasa a través de los nanocables de óxido de zinc debido a la adsorción de moléculas de gas. La selectividad al hidrógeno gaseoso se logró mediante la pulverización catódica de grupos de Pd en la superficie de la nanovarilla. La adición de Pd parece ser eficaz en la disociación catalítica de moléculas de hidrógeno en hidrógeno atómico, aumentando la sensibilidad del dispositivo sensor. El sensor detecta concentraciones de hidrógeno de hasta 10 partes por millón a temperatura ambiente, mientras que no hay respuesta al oxígeno. [111] [112]El ZnO se ha utilizado como capas de inmovilización en imunosensores que permiten la distribución de anticuerpos en toda la región sondada por el campo eléctrico de medición aplicado a los microelectrodos. [113]

Espintrónica

El ZnO también se ha considerado para aplicaciones espintrónicas : si se dopa con 1 a 10% de iones magnéticos (Mn, Fe, Co, V, etc.), el ZnO podría volverse ferromagnético , incluso a temperatura ambiente. Se ha observado tal ferromagnetismo a temperatura ambiente en ZnO: Mn, [114] pero aún no está claro si se origina en la propia matriz o en fases secundarias de óxido.

Piezoelectricidad

Se ha demostrado que la piezoelectricidad en fibras textiles recubiertas de ZnO es capaz de fabricar "nanosistemas autoamplificados" con el estrés mecánico diario del viento o los movimientos corporales. [115] [116]

En 2008, el Centro de Caracterización de Nanoestructuras del Instituto de Tecnología de Georgia informó sobre la producción de un dispositivo generador de electricidad (llamado generador de bomba de carga flexible) que suministra corriente alterna mediante el estiramiento y la liberación de nanocables de óxido de zinc. Este mini-generador crea un voltaje oscilante de hasta 45 milivoltios, convirtiendo cerca del siete por ciento de la energía mecánica aplicada en electricidad. Los investigadores utilizaron cables con longitudes de 0,2 a 0,3 mm y diámetros de tres a cinco micrómetros, pero el dispositivo pudo reducirse a un tamaño más pequeño. [117]

ZnO como ánodo de la batería de iones de litio

En forma de película delgada, el ZnO se ha demostrado en resonadores, sensores y filtros de película delgada de alta frecuencia miniaturizados.

Batería de iones de litio

ZnO es un material de ánodo prometedor para baterías de iones de litio porque es barato, biocompatible y respetuoso con el medio ambiente. El ZnO tiene una capacidad teórica más alta (978 mAh g -1 ) que muchos otros óxidos de metales de transición como CoO (715 mAh g -1 ), NiO (718 mAh g -1 ) y CuO (674 mAh g -1 ). [118]

Seguridad

Como aditivo alimentario , el óxido de zinc figura en la lista de sustancias generalmente reconocidas como seguras o GRAS de la FDA de EE. UU . [119]

El óxido de zinc en sí mismo no es tóxico; Sin embargo, es peligroso inhalar vapores de óxido de zinc, como los que se generan cuando el zinc o las aleaciones de zinc se funden y oxidan a alta temperatura. Este problema ocurre al fundir aleaciones que contienen latón porque el punto de fusión del latón está cerca del punto de ebullición del zinc. [120] La exposición al óxido de zinc en el aire, que también ocurre mientras se suelda acero galvanizado (galvanizado) , puede provocar una enfermedad llamada fiebre por humos metálicos . Por esta razón, normalmente el acero galvanizado no se suelda o el zinc se elimina primero. [121] [ dudoso - discutir ]

Ver también

  • Óxido de zinc empobrecido
  • Nanopartícula de óxido de zinc
  • Nitruro de galio (III)
  • Lista de pigmentos inorgánicos
  • Zinc
  • Eugenol de óxido de zinc
  • Peróxido de zinc
  • Fundición de zinc
  • Batería de zinc-aire
  • Ciclo zinc-óxido de zinc
  • Nanoestructuras de ZnO

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Enlaces externos

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  • Tarjeta internacional de seguridad química 0208 .
  • Guía de bolsillo de NIOSH sobre peligros químicos .
  • Óxido de zinc en la base de datos de propiedades de plaguicidas (PPDB)
  • Pigmento blanco de zinc en ColourLex