El óxido de zinc es un compuesto inorgánico con la fórmula ZnO. Es un polvo blanco insoluble en agua. El ZnO es comúnmente usado como aditivo en diversos materiales y productos, como por ejemplo: caucho, plásticos, cerámicas, vidrio, cemento, lubricantes, pinturas, ungüentos, adhesivos, selladores, pigmentos, suplementos alimenticios, baterías, ferritas, retardadores de fuego y cintas de primeros auxilios. Aunque se encuentra de forma natural en el mineral cincita, la mayor parte del óxido de zinc se produce sintéticamente.
El ZnO es un semiconductor del grupo de semiconductores II-VI. La adición de impurezas para modular sus propiedades eléctricas (dopaje) nativa del semiconductor debida a las vacantes del oxígeno o intersticiales de zinc es tipo N.
Historia Los compuestos de zinc fueron probablemente utilizados por los primeros humanos en formas procesadas y sin procesar como pintura o ungüento medicinal; sin embargo, la composición de estas formas es incierta. El uso de pushpanjan, probablemente óxido de zinc, como bálsamo para los ojos y las heridas abiertas, es mencionado en el texto de medicina india Charaka-samhita, el cual se cree data del año 500 a.C. o antes. El ungüento de óxido de zinc también es mencionado por el médico griego Dioscórides (). Galeno sugirió tratar los cánceres ulcerosos con óxido de zinc, al igual que Avicena en El canon de medicina (1025 d.C.) donde lo menciona como el tratamiento preferido para diversas condiciones en la piel, incluyendo cáncer de piel. Aunque en la actualidad ya no es usado para tratar el cáncer, el óxido de zinc se utiliza para tratar una amplia variedad de condiciones en la piel; en productos como talco para bebé y cremas contra la dermatitis provocada por el pañal (rozaduras), crema de calamina, champús anti-caspa, y ungüentos antisépticos.
Los romanos producían cantidades considerables de latón (una aleación de zinc y cobre) ya en el año 200 a.C., mediante un proceso de cementación donde el cobre se hacía reaccionar con óxido de zinc. Se cree que el óxido de zinc se producía al calentar mena de zinc en un horno de cuba. De este modo se liberaba zinc metálico como vapor, el cual después ascendía por el conducto de humos y se condensaba en forma de óxido. Este proceso fue descrito por Dioscórides en el También se ha recuperado óxido de zinc de las minas de Zawar en Rajastán, India, que datan de la segunda mitad del primer milenio antes de Cristo. Esto lo convierte en una de las minas de zinc más antiguas del mundo.
Del al , el zinc y el óxido de zinc fueron reconocidos y producidos en India utilizando una forma primitiva de síntesis directa. Desde India, la manufactura de zinc se trasladó a China en el . En 1743, se estableció el primer horno de fundición europeo de zinc en Bristol, Reino Unido. Hacia 1782, Louis-Bernard Guyton de Morveau propuso sustituir el pigmento blanco de plomo por óxido de zinc.
El óxido de zinc (blanco de zinc) se uilizaba principalmente en pinturas y como aditivo en ungüentos. El blanco de zinc era aceptado como pigmento en pinturas al óleo en 1834, pero este no se mezclaba bien con el aglutinante a base de aceites. Este problema se solucionó al optimizar la síntesis del ZnO. En 1845, el economista y empresario francés Edme-Jean Leclaire (1801-1872) producía en París la pintura de óleo a gran escala, y para 1850 el blanco de zinc ya se fabricaba en toda Europa. El triunfo del blanco de zinc se debió a sus ventajas sobre el tradicional blanco de plomo: el blanco de zinc es esencialmente permanente bajo la luz del sol, no se ennegrece por aire que contenga azufre, no es tóxico y es más económico. Como el blanco de zinc es tan “limpio”, resulta muy útil para hacer tintes con otros colores, pero forma 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 década de 1900, algunos artistas utilizaron el blanco de zinc como base para sus pinturas al óleo. Con el paso de los años estas pinturas se agrietaron.
En tiempos recientes, la mayor parte del óxido de zinc se ha utilizado en la industria del caucho para hacerlo resistente a la corrosión. En la década de 1970, la segunda mayor aplicación del ZnO era en la fotocopia. El ZnO de alta calidad, producido mediante el “proceso francés”, se añadía al papel de fotocopiado como relleno. Esta aplicación pronto fue desplazada por el titanio.
Propiedades químicas El ZnO puro es un polvo blanco. Sin embargo, en la naturaleza se encuentra de manera natural como el mineral cincita, el cual usualmente contiene manganeso y otras impurezas que le confieren un color entre amarillo y rojo.
El óxido de zinc cristalino es termocrómico, cambiando de blanco a amarillo cuando se calienta en aire, y volviendo a blanco al enfriarse. Este cambio de color se debe a una pequeña pérdida de oxígeno al ambiente a altas temperaturas para formar Zn1+xO no estequiométrico, donde a 800 °C, x = 0,00007.
El óxido de zinc es un óxido anfótero. Es casi insoluble en agua, pero se disuelve en la mayoría de los ácidos, tales como el ácido clorhídrico: ZnO + 2 HCl → ZnCl2 + H2O Las bases también degradan este sólido para formar zincatos solubles: ZnO + 2 NaOH + H2O → Na2[Zn(OH)4]
El ZnO reacciona lentamente con los ácidos grasos de los aceites para producir los correspondientes carboxilatos (base conjugada de un ácido carboxílico), tales como el oleato o el estearato. Cuando se mezcla con una solución acuosa fuerte de cloruro de zinc, el ZnO forma productos similares al cemento mejor conocidos como hidroxicloruros de zinc. Este cemento se utilizaba en odontología.
thumb|150px|left|Hopeíta El ZnO también forma un material parecido al cemento cuando es tratado con ácido fosfórico; los materiales relacionados son usados en odontología. El mayor compuesto producido por la reacción al formar el cemento de fosfato de Zinc es la hopeíta, Zn3(PO4)2·4H2O.
El ZnO se descompone en vapor de zinc y oxígeno a unos 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). ZnO + C → Zn(Vapor) + CO
El óxido de zinc puede reaccionar violentamente con polvo de aluminio y magnesio, con caucho clorado y aceite de linaza caliente provocando fuego y riesgo de explosión.International Occupational Safety and Health Information Centre (CIS) Accessdate January 25, 2009.Zinc oxide MSDS. hazard.com. Accessdate January 25, 2009.
Reacciona con sulfuro de hidrógeno para crear sulfuro de cinc. Esta reacción es usada comercialmente. ZnO + H2S → ZnS + H2O
Propiedades físicas thumb|150px|Estructura cristalina de la wurtzita. 150px|thumb|Una celda unidad de zincblenda.
Estructura El óxido de zinc se cristaliza en dos formas principales, wurtzita hexagonal y zincblenda cúbica. La estructura wurtzita es la más estable en condiciones ambientales y, por lo tanto, la más común. La forma de zincblenda puede ser estabilizada al formar el ZnO en sustratos con estructura de red cúbica. En ambos casos, los centros de zinc y óxido son tetraédricos, la geometría más caacterística para el Zn(II). El ZnO se convierte en el patrón de sal de roca a presiones relativamente altas, de unos 10 GPa.
Los polimorfos hexagonal y zincblenda no tienen simetría de reflexión (la reflexión de un cristal respecto a un punto dado no lo transforma en sí mismo). Ésta y otras propiedades de simetría de la red resultan en la piezoelectricidad del ZnO hexagonal y zincblenda, y a la piroelectricidad del ZnO hexagonal.
La estructura hexagonal tiene el grupo puntual 6 mm (notación de Hermann-Mauguin) o C6v (notación de Schoenflies), y su grupo espacial es P63mc o C6v4. Los parámetros de red son a = 3,25 Å y c = 5,2 Å; con una proporción c/a ~ 1,60, cercano al valor ideal de una celda hexagonal c/a = 1,633.
Como en la mayoría de los materiales de los grupos II-VI, el enlace en el ZnO es principalmente iónico (Zn2+O2−) con radios correspondientes de 0,074 nm para el Zn2+ y 0,140 nm para el O2−. Esta propiedad explica la formación preferente de la estructura wurtzita en lugar de zincblenda, 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 el ZnO: sus superficies son atómicamente planas, estables y no presentan reconstrucción. Sin embargo, los estudios que utilizaron estructuras wurtzoides explicaron el origen de la planitud de la superficie y la ausencia de reconstrucción en las superficies wurtzitas del ZnO, además del origen de las cargas en los planos del ZnO.
Propiedades mecánicas El ZnO es un material relativamente blando con una dureza aproximada de 4,5 en la escala de Mohs. Sus constantes elásticas son menores que aquellas de los semiconductores relevantes de los grupos III-V, tales como el GaN. La alta capacidad calorífica y conductividad térmica, la baja expansión térmica y la alta temperatura de fusión del ZnO son propiedades benéficas para las cerámicas. El ZnO exhibe un fonón óptico E2 con un tiempo de vida inusualmente largo de hasta 133 ps a 10 K.
Entre los semiconductores de enlace tetraédrico, se ha afirmado que el ZnO tiene el mayor tensor piezoeléctrico, o al menos uno comparable al del GaN y el AlN. Esta propiedad lo convierte en un material de importancia tecnológica para diversas aplicaciones piezoeléctricas, las cuales requieren un gran acoplamiento mecánico. Por lo tanto, el ZnO en forma de lámina delgada ha sido uno de los materiales más estudiados y utilizados para resonadores acústicos de lámina delgada (en inglés: thin-film bulk acoustic resonator, FBAR o TFBAR). Un TFBAR es un dispositivo formado por un material piezoeléctrico fabricado por métodos de película delgada entre dos electrodos conductores, normalmente metálicos, y aislado acústicamente del medio circundante. El funcionamiento se basa en la piezoelectricidad de la capa piezoeléctrica entre los electrodos.
Propiedades electrónicas y ópticas Entre las propiedades favorables del óxido de zinc se encuentran su buena transparencia, su elevada movilidad electrónica, su amplia brecha energética (en inglés: band gap) y su fuerte luminiscencia a temperatura ambiente. Estas propiedades hacen del ZnO un material valioso para diversas aplicaciones emergentes: electrodos transparentes en pantallas de cristal líquido, ventanas de ahorro energético o de protección contra el calor y componentes electrónicos como transistores de película fina y diodos emisores de luz.
El ZnO es un semiconductor del grupo de los semiconductores II-VI y tiene un band gap directo relativamente amplio de ~3,3 eV a temperatura ambiente. Entre las ventajas de un amplio band gap se encuentran voltajes de ruptura más altos, la capacidad de soportar campos eléctricos grandes, un menor ruido electrónico, y un funcionamiento a altas temperaturas y con gran potencia. El band gap del ZnO puede ser ajustado a alrededor de 3 o 4 eV mediante su aleación con óxido de magnesio u óxido de cadmio. Debido a este gran band gap se han realizado esfuerzos para crear celdas solares visiblemente transparentes utilizando ZnO como capa absorbente de luz. Sin embargo, estas celdas solares han demostrado ser muy ineficaces.