Ossido di zirconio

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Ossido di zirconio
Nome IUPAC
diossido di zirconio
Caratteristiche generali
Formula bruta o molecolare ZrO2
Massa molecolare (u) 123,22 g/mol
Aspetto polvere bianca
Numero CAS 1314-23-4
Numero EINECS 215-227-2
PubChem 62395
SMILES O=[Zr]=O
Proprietà chimico-fisiche
Densità (g/cm3, in c.s.) 5,7 (20 °C)
Solubilità in acqua (20 °C) insolubile
Temperatura di fusione 2.680 °C (~2.953 K)
Temperatura di ebollizione 4.300 °C (~4.573 K)
Indicazioni di sicurezza
Simboli di rischio chimico
irritante

attenzione

Frasi H 315 - 319 - 335
Consigli P 261 - 305+351+338 [1]
Ossido di zirconio
Kristallstruktur Zirconium(IV)-oxid.png

L'ossido di zirconio (o zirconia) è l'ossido dello zirconio.

Forma e struttura[modifica | modifica wikitesto]

A temperatura ambiente si presenta come una polvere bianca inodore. È una sostanza cristallina polimorfa. Fino a 1170 °C presenta struttura cristallina monoclina. Da 1170 °C a 2370 °C presenta struttura cristallina tetragonale. Oltre 2370 °C presenta struttura cristallina cubica. Il punto di fusione è 2680 °C.

Durante il riscaldamento la trasformazione dalla struttura monoclina alla struttura tetragonale avviene con una contrazione volumetrica di circa il 5%.

Durante il raffreddamento la trasformazione inversa dalla struttura tetragonale alla struttura monoclina è di tipo martensitico ed avviene con una espansione volumetrica.

Polimorfismo della zirconia[modifica | modifica wikitesto]

L'espansione volumetrica nella trasformazione dalla fase tetragonale a quella monoclina è poco significativa sulle polveri libere di zirconia, ma ha importanti conseguenze quando si ha a che fare con un verde (polveri compattate). In questo caso infatti durante la sinterizzazione del verde avviene la trasformazione della zirconia dalla fase monoclina a quella tetragonale con la conseguente contrazione volumetrica (sommata alla contrazione volumetrica che il processo di sinterizzazione di per sé comporta). Durante il raffreddamento si ha la trasformazione inversa, da fase tetragonale a monoclina, con conseguente espansione volumetrica che in un pezzo massivo comporta formazione di cricche fino a rottura. La formazione delle cricche in fase di raffreddamento, con conseguente rottura del pezzo, viene evitata impedendo la trasformazione della struttura tetragonale in una struttura monoclina, ovvero la forma tetragonale normalmente stabile solo ad alte temperature viene resa stabile a temperatura ambiente grazie all'aggiunta di particolari additivi: si tratta di ossidi refrattari come l'ossido di calcio, di magnesio o l'ittria. Si ottiene con l'aggiunta di questi additivi una zirconia "parzialmente stabilizzata".

La zirconia parzialmente stabilizzata presenta un particolare meccanismo di tenacizzazione:

  • Quando una cricca si propaga nel pezzo massivo può incontrare dei grani di zirconia tetragonale che a temperatura ambiente è metastabile (ovvero esiste solo grazie all'aggiunta degli additivi, altrimenti sarebbe stabile solo ad alte temperature)
  • Quando avviene l'"incontro" il grano di zirconia tetragonale assorbe l'energia della cricca e la utilizza per trasformarsi in un grano di zirconia monoclina (espandendosi)
  • La trasformazione della zirconia ha bloccato la propagazione della cricca: per questo motivo la zirconia parzialmente stabilizzata viene usata come tenacizzante di componenti ceramici, come l'allumina, ad esempio nelle artroprotesi.

Usi della zirconia[modifica | modifica wikitesto]

L'uso principale della zirconia è nella produzione di ceramiche[2][3], ma vi sono molti ulteriori altri usi compreso il rivestimento protettivo su particelle di pigmenti di biossido di titanio,[4] come materiale refrattario nell'isolamento termico, come abrasivo e smalto. La zirconia stabilizzata viene utilizzata nelle sonde lambda e nelle membrane delle celle a combustibile, grazie alla sua capacità di permettere agli ioni ossigeno di muoversi liberamente attraverso la struttura cristallina ad alte temperature. Questa alta conducibilità ionica (ed una bassa conduttività elettronica) la rende una delle elletroceramiche più utili.[4] Il biossido di zirconio è anche usato come elettrolita solido in dispositivi elettrocromici.

La zirconia è un precursore dell'elettroceramica piombo-zirconato di titanio (PZT), che è un dielettrico ad alto K, che si trova in una miriade di componenti.

Usi di nicchia[modifica | modifica wikitesto]

La conduttività termica molto bassa nella fase cubica della zirconia ha permesso il suo utilizzo anche come barriera di rivestimento termica, nei motori a reazione e nei motori diesel.[5]

La zirconia è un materiale molto utilizzato anche in odontoiatria per la realizzazione di restauri dentali, come corone e ponti, che vengono poi ricoperti con porcellana feldspatica convenzionale per ragioni estetiche, oppure possono essere realizzate intere protesi dentarie estremamente resistente costruite interamente da ossido di zirconio monolitico.[6] Ciò è reso possibile dal fatto che è un materiale adatto alla fresatura e, come già detto, che permette un buon fattore estetico, soprattutto in termini di traslucidità. Inoltre è notevole la sua resistenza alla flessione e la resistenza alla rottura, permettendo di apportare spessori di ceramica che arrivano sino a meno di 0,6 millimetri e di costruire ponti estesi, leggeri e robusti, anche con più elementi dentari mancanti. Gli elementi protesici di zirconio vengono sempre più spesso realizzati tramite tecnoclogia CAD/CAM.

Nell'ortopedia, gli ossidi ceramici, come la zirconia, grazie alla loro eccellente biocompatibilità e resistenza all'usura vengono utilizzati nella realizzazione di componenti articolari come l'anca e il ginocchio.[7]

Per vie della sua durezza, la zirconia, può essere utilizzata per realizzare coltelli di ceramica. Le posate di zirconia hanno una resistenza equivalente all'acciaio inox.[8]

L'uso della zirconia è stato proposto per l'elettrolisi di monossido di carbonio e ossigeno dall'atmosfera di Marte per fornire sia combustibile che ossidante come riserva di energia chimica per le missioni marziane.[9]

L'alta capacità dialettrica della Zirconia ha potenziali applicazioni anche come isolante nei transistor.

La Zirconia è anche impiegata nella deposizione di rivestimenti ottici. In tali applicazioni, è tipicamente depositato mediante deposizione fisica da vapore. [10]

Note[modifica | modifica wikitesto]

  1. ^ Sigma Aldrich; rev. del 15.11.2011
  2. ^ [1]
  3. ^ http://minerals.usgs.gov/minerals/pubs/commodity/zirconium/
  4. ^ a b Ralph Nielsen "Zirconium and Zirconium Compounds" in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, 2005, Wiley-VCH, Weinheim. DOI10.1002/14356007.a28_543
  5. ^ (EN) Advanced materials by design, IANE Publishing, p. 67, ISBN 978-1-4289-2239-6.
  6. ^ Panos Papaspyridakos e Kunal Lal, Complete arch implant rehabilitation using subtractive rapid prototyping and porcelain fused to zirconia prosthesis: A clinical report, in The Journal of Prosthetic Dentistry, vol. 100, nº 3, 2008, pp. 165–172, DOI:10.1016/S0022-3913(08)00110-8, PMID 18762028.
  7. ^ G. Rollo, A. Marsilio, Biomateriali in ortopedia e traumatologia, siba-ese.unisalento.it. URL consultato il 10 settembre 2015.
  8. ^ http://kyoceraadvancedceramics.com/ceramic-advantage/kyocera-advantage-1
  9. ^ Landis, Mars Rocket Vehicle Using In Situ Propellants, in Journal of Spacecraft and Rockets, vol. 38, nº 5, 2001, pp. 730–35, DOI:10.2514/2.3739.
  10. ^ http://materion.com/ResourceCenter/ProductData/InorganicChemicals/Oxides/BrochuresAndDataSheets/ZirconiumOxideZr02.aspx

Voci correlate[modifica | modifica wikitesto]