Dióxido de torio

Dióxido de torio
Nombre IUPAC
	Dióxido de torio
General
Otros nombres	Óxido de torio (IV); Anhídrido de torio; Thoria
Fórmula semidesarrollada	ThO2
Fórmula molecular	ThO2
Identificadores
Número CAS	1314-20-1
ChEBI	37339
ChemSpider	14124
PubChem	14808
UNII	9XA7X17UQC
	SMILES O=[Th]=O
	InChI InChI=InChI=1S/2O.Th; Key: ZCUFMDLYAMJYST-UHFFFAOYSA-N
Propiedades físicas
Apariencia	Sólido blanco
Olor	Inodoro
Densidad	10 000 kg/m³; 10 g/cm³
Masa molar	264.037 g/mol
Punto de fusión	3620 K (3347 °C) K
Punto de ebullición	4670 K (4397 °C) K
Estructura cristalina	Parecida a la Fluorita (cúbica), cF12 ; Grupo espacial ; Fm3m, No. 225 ; Parámetro de red ; a = 559.74(6) pm ; Susceptibilidad magnética (χ) ; −16.0·10−6 cm3/mol
Índice de refracción (nD)	2200 (torianita)
Propiedades químicas
Solubilidad en agua	Insoluble ; Insoluble en álcali ; Ligeramente soluble en ácido
Termoquímica
ΔfH0gas	−1226(4) kJ/mol
S0gas, 1 bar	65,2(2) J·mol–1·K
Peligrosidad
Punto de inflamabilidad	No inflamable
NFPA 704	0 2 0 RA
Riesgos
LD50	400 mg/kg
Compuestos relacionados
Compuestos relacionados	Monóxido de torio; Carburo de torio
	Valores en el SI y en condiciones estándar; (25 ℃ y 1 atm), salvo que se indique lo contrario.
	[editar datos en Wikidata]

El dióxido de torio (óxido de torio (IV)), es un óxido de torio que tiene fórmula química ThO₂. Es un sólido cristalino, a menudo de color blanco o amarillo. Se produce principalmente como un subproducto de la producción de lantánidos y uranio.^[5]

La forma mineralógica de dióxido de torio es la torianita. Es moderadamente raro y cristaliza en un sistema isométrico. El punto de fusión del óxido de torio es 3300 °C: el más alto de todos los óxidos conocidos. Solo unos pocos elementos (incluidos el tungsteno y el carbono) y algunos compuestos (incluido el carburo de tantalio) tienen puntos de fusión más altos.^[6] Todos los compuestos de torio son radiactivos porque no hay isótopos de torio estables.

Estructura

El dióxido de torio existe como dos polimorfos. Uno tiene una estructura de cristal de fluorita. Esto es poco común entre los dióxidos binarios. Otros óxidos binarios con estructura de fluorita incluyen: dióxido de cerio, dióxido de uranio y dióxido de plutonio. ^{[aclaración requerida]} La brecha energética del dióxido de torio es de aproximadamente 6 eV. También se conoce una forma tetragonal.

Reacciones

El dióxido de torio es más estable que el monóxido de torio (ThO).^[7] La combustión simple de torio en presencia de aire produce dióxido de torio. Sin embargo, la ablación láser al torio en presencia de oxígeno da monóxido.^[8] Además, la exposición de una película delgada de torio al oxígeno a baja presión y a temperatura media forma una capa de monóxido de torio que crece rápidamente bajo un recubrimiento superficial más estable del dióxido.^[7]

A temperaturas extremadamente altas, el dióxido de torio puede convertirse en monóxido ya sea por una reacción de conmutación (alcanza el equilibrio de estados de oxidación con el torio metálico líquido) por encima de 1850 K (1580 °C) o por simple disociación (desprendimiento de oxígeno) por encima de 2500 K (2230 °C).^[9]

ThO₂ + Th(l) <=> 2 ThO(s)

ThO₂ -> ThO(s) + 1/2 O₂

Aplicaciones

La alta estabilidad térmica del dióxido de torio permite aplicaciones en proyección térmica con llama y cerámica de alta temperatura.

Combustibles nucleares

El dióxido de torio (toria) se puede usar en reactores nucleares como gránulos de combustible cerámico, típicamente contenidos en barras de combustible nuclear revestidas con aleaciones de circonio. El torio no es fisionable (pero es "fértil", ya que por medio de un bombardeo de neutrones se puede generar uranio-233); por lo tanto, puede usarse como combustible de reactor nuclear junto con isótopos fisionables de uranio o plutonio. Esto se puede lograr mezclando torio con uranio o plutonio, o usándolo en su forma pura junto con barras de combustible separadas que contienen uranio o plutonio. El dióxido de torio ofrece ventajas sobre las pastillas de combustible de dióxido de uranio convencionales, debido a su mayor conductividad térmica (temperatura de funcionamiento más baja), punto de fusión considerablemente más alto y estabilidad química (no se oxida en presencia de agua/oxígeno, a diferencia del dióxido de uranio).

Aleaciones

El dióxido de torio se usa como estabilizador en electrodos de tungsteno en soldadura TIG, tubos de electrones y motores de aviones. Como aleación, el metal de tungsteno toriado no se deforma fácilmente porque el dióxido de torio, material de alta fusión, aumenta las propiedades mecánicas de alta temperatura, y el torio ayuda a estimular la emisión de electrones (termo-iones). Es el aditivo de óxido más popular debido a su bajo costo, pero se está eliminando gradualmente a favor de elementos no radiactivos como el cerio, el lantano y el circonio.

El níquel disperso en dióxido de torio encuentra sus aplicaciones en varias operaciones de alta temperatura, como los motores de combustión, porque el material resultante es resistente a la fluencia. También se puede usar para atrapar hidrógeno.^[10]^[11]^[12]^[13]^[14]

Catálisis

El dióxido de torio casi no tiene valor como catalizador comercial, pero tales aplicaciones han sido bien investigadas. Es un catalizador en la síntesis de anillo grande de Ruzicka donde un ácido dicarboxílico se convierte en una cetona. Otras aplicaciones que se han explorado incluyen el craqueo de petróleo, la conversión de amoníaco en ácido nítrico y la preparación de ácido sulfúrico.^[15]

Agentes de radiocontraste

El dióxido de torio fue el ingrediente principal en Thorotrast, un agente de radiocontraste usado en angiografía cerebral, sin embargo, se relacióno con el angiosarcoma hepático muchos años después de la administración.^[16] Es reemplazado con medio de contraste yodado o suspensión de sulfato de bario como agentes de contraste de rayos X estándar.

Camisa incandescente

Fue usado en la camisa incandescente de las linternas desarrolladas por Carl Auer von Welsbach en 1890, que están compuestas por 99 por ciento de ThO₂ y 1 % de óxido de cerio (IV). Incluso ya en la década de 1980, se estimaba que aproximadamente la mitad del ThO₂ producido (varios cientos de toneladas por año) se usaba para este propósito. Algunos mantos todavía usan torio, pero el óxido de itrio (o a veces óxido de circonio) se usa cada vez más como reemplazo.

Fabricación de vidrio

Cuando se agrega al vidrio, el dióxido de torio ayuda a aumentar su índice de refracción y disminuir la dispersión. Tal vidrio encuentra aplicación en lentes de alta calidad para cámaras e instrumentos científicos.^[17]

La radiación de estos lentes a lo largo de años puede oscurecerlos y volverlos amarillos y degradar la película, pero los riesgos para la salud son mínimos.^[18] Estas lentes amarillentas pueden restaurar su estado incoloro por medio de una exposición prolongada a radiación ultravioleta intensa.

Con el pasar del tiempo el dióxido de torio ha sido reemplazado por óxidos de tierras raras como el óxido de lantano en casi todos los vidrios modernos de alto índice, ya que proporcionan efectos similares y no son radiactivos.^[19]

Referencias

↑ Número CAS
↑ ^a ^b ^c ^d ^e ^f Haynes, p. 4.95
↑ Haynes, p. 4136
↑ Haynes, p. 4144
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Bibliografía

Haynes, William M., ed. (2011). CRC Handbook of Chemistry and Physics (92da edición). CRC Press. ISBN 978-1439855119.

Datos: Q420634

[1] Número CAS

[#1-2] ↑ ^a ^b ^c ^d ^e ^f Haynes, p. 4.95

[3] Haynes, p. 4136

[4] Haynes, p. 4144

[5] Yamashita, Toshiyuki; Nitani, Noriko; Tsuji, Toshihide; Inagaki, Hironitsu. «Thermal expansions of NpO2 and some other actinide dioxides». 1997. doi:10.1016/S0022-3115(96)00750-7.

[6] Emsley, John (2001). Nature's Building Blocks (Hardcover, First edición). Oxford University Press. pp. 441. ISBN 978-0-19-850340-8.

[#2-7] He, Heming; Majewski, Jaroslaw; Allred, David D.; Wang, Peng; Wen, Xiaodong; Rector, Kirk D. (2017). «Formation of solid thorium monoxide at near-ambient conditions as observed by neutron reflectometry and interpreted by screened hybrid functional calculations». Journal of Nuclear Materials 487: 288-296. Bibcode:2017JNuM..487..288H. doi:10.1016/j.jnucmat.2016.12.046.

[8] Dewberry, Christopher T.; Etchison, Kerry C.; Cooke, Stephen A. (2007). «The pure rotational spectrum of the actinide-containing compound thorium monoxide». Physical Chemistry Chemical Physics 9 (35): 4895-4897. Bibcode:2007PCCP....9.4895D. PMID 17912418. doi:10.1039/B709343H.

[9] Hoch, Michael; Johnston, Herrick L. (1954). «The Reaction Occurring on Thoriated Cathodes». J. Am. Chem. Soc. 76 (19): 4833-4835. doi:10.1021/ja01648a018.

[10] Mitchell, Brian S (2004). An Introduction to Materials Engineering. and Science for Chemical and Materials.. p. 473. ISBN 978-0-471-43623-2.

[11] Robertson, Wayne M. (1979). «Measurement and evaluation of hydrogen trapping in thoria dispersed nickel». Metallurgical and Materials Transactions A 10 (4): 489-501. Bibcode:1979MTA....10..489R. doi:10.1007/BF02697077.

[KumarNasrallah1974-12] Kumar, Arun; Nasrallah, M.; Douglass, D. L. (1974). «The effect of yttrium and thorium on the oxidation behavior of Ni-Cr-Al alloys». Oxidation of Metals 8 (4): 227-263. ISSN 0030-770X. doi:10.1007/BF00604042.

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[Ullmann-15] Stoll, Wolfgang (2012) "Thorium and Thorium Compounds" in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry. Wiley-VCH, Weinheim. doi 10.1002/14356007.a27_001

[16] Thorotrast. radiopaedia.org

[CRC-17] Hammond, C. R. (2004). The Elements, in Handbook of Chemistry and Physics (81st edición). CRC Press. ISBN 978-0-8493-0485-9.

[18] Oak Ridge Associated Universities (1999). «Thoriated Camera Lens (ca. 1970s)». Consultado el 29 de septiembre de 2017.

[19] Stoll, W. (2005). «Thorium and Thorium Compounds». Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry. Wiley-VCH. p. 32. ISBN 978-3-527-31097-5. doi:10.1002/14356007.a27_001.

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