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El zirconio (o circonio) y sus usos

Hay tres palabras relacionadas con este elemento del grupo 4 que pueden causar confusión (y en inglés, más). Está el propio elemento, zirconio o circonio, un metal. El zircón, silicato de zirconio, ZrSiO4, y la zirconita, el óxido, ZrO2, estas últimas utilizadas como piedras semipreciosas. En concreto, las zirconitas simulan a los diamantes. Una manera de diferenciarlos fácilmente es poner la joya en cuestión en el labio inferior. Si no se siente nada, es zirconita. Si se siente frío, es diamante, que es mejor conductor.

Una de las aplicaciones principales del elemento es su uso en vainas de uranio para reactores nucleares. Este zirconio debe ser muy puro, sin apenas hafnio, su hermano de grupo y de gran parecido químico, ya que el zirconio es bastante “permeable” a los neutrones generados en la reacción de fisión, mientras que el isótopo hafnio-178 es muy eficaz como captador de neutrones, para transformarse en hafnio-179. Es por eso que las barras de control intermedias de los reactores, que permiten controlar la reacción de fisión, contienen hafnio.

Un grave problema que ocurre en los grandes accidentes en plantas nucleares es que, en frío, el zirconio reacciona muy despacio con el oxígeno pero, en caliente, la reacción con el agua es muy vigorosa, formándose el óxido y liberando hidrógeno que, a su vez, puede arder muy fácilmente en esas condiciones, liberando aún más energía.

             Zr + H2O –> ZrO2 + H2               H2 + O2 –> H2O + ENERGÍA

Vaina de aleación de zirconio y pastillas de combustible nuclear UO2. Foto bajo Creative Commons

Un accidente con entrada de agua hacia las vainas la pondría en contacto con el zirconio. Al parecer, algo así ocurrió en el accidente nuclear de Fukushima (Japón) en 2011. El tsunami producido por un movimiento sísmico en el interior del mar dio lugar a graves fallos en los sistemas de refrigeración de varias unidades, lo que provocó un aumento de la temperatura del agua de refrigeración de algún núcleo. Cuando el agua se evaporó, la temperatura en el núcleo subió lo suficiente como para hacer efectiva la oxidación del zirconio. Cuando el hidrógeno producido alcanzó la concentración suficiente y fue expulsado a una zona con aire, se produjo su explosión, dañando gravemente la estructura del edificio de contención. Esto provocó una fácil emisión de gases radiactivos, fundamentalmente yodo-131, altamente tóxicos para las personas (efecto sobre la tiroides).

Niobio y Tántalo. La guerra del coltán.

Recientemente, se ha expuesto a la luz pública un término relacionado con los metales de transición niobio y tántalo: el coltán.

Este término es la forma coloquial de denominar a la columbita/tantalita, un mineral cuya fórmula aproximada es [(Fe,Mn)M2O6], que contiene niobio y/o tántalo (o tantalio)

coltan1

Para mucha gente, esos elementos no representan más que otros nombres raros en la Tabla Periódica. Pero están más cerca de lo que parece. En realidad, este mineral es esencial para la fabricación de la mayor parte de los aparatos y gadgets tecnológicos que usamos, desde teléfonos móviles, a televisores, pasando por la industria aeroespacial.

Aunque el niobio tiene gran utilidad para fabricar imanes muy potentes, y el tántalo es usado para fabricar aleaciones muy resistentes al ataque por ácidos, por ejemplo, en reactores y depósitos, la principal utilidad que ha llevado a la denominada guerra del coltán, es su uso como capacitores muy eficaces, para formar parte de esos sistemas electrónicos. Es decir, son capaces, en su forma de óxido normalmente, de acumular carga eléctrica de manera muy eficaz, y liberarla cuando se necesita, en un circuito integrado.

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Los principales productores mundiales son Australia, Brasil, Canadá y algunos países africanos, como Nigeria, o la República Popular del Congo, que aparecía en el reportaje mencionado. Su extracción en países  del centro de África ha dado lugar a graves conflictos bélicos para conseguir el control de este material, llevando a niveles de explotación de la población que rozan la esclavitud, además del daño al entorno natural, incluyendo la afectación de especies protegidas.

Los metales de la primera serie

Los elementos de la primera serie de transición son metales muy utilizados en diversas aplicaciones. Aunque la principal es formar diferentes aleaciones con el hierro, tanto los metales, como alguno de sus compuestos forman parte de baterías, medicamentos o material de joyería.

En el siguiente video, realizado a partir de las presentaciones de los alumnos de Química Inorgánica 2, del curso 2014-2015, se pueden ver las características generales, algo de la historia de su obtención y las aplicaciones que a estos alumnos les resultaron llamativas, para trasladar a sus compañeros. Espero que disfrutéis con el video.