SAntesis-y-caracterizaciAn-de-micro-barras-de-Axido-de-zinc-por-precipitaciAn-asistida-por-calentamiento-usando-nitrato-de-zinc

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INSTITUTO POLITÉCNICO 
NACIONAL 
 
Escuela Superior de Ingeniería Química 
e Industrias Extractivas 
 
 
 
 
 
Síntesis y Caracterización de Micro-barras de 
Óxido de Zinc por Precipitación Asistida por 
Calentamiento usando Nitrato de Zinc 
 
TESIS 
QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE INGENIERO EN 
METALURGIA Y MATERIALES 
 
 
PRESENTA: 
JUAN MIGUEL INFANTE ORTIZ 
 
DIRECTOR DE TESIS: 
DR. SEBASTIÁN DÍAZ DE LA TORRE 
 
 
MÉXICO D.F. 2011 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Contenido 
CONTENIDO 
Lista de Figuras i 
Lista de Tablas ii 
Resumen iii 
Introducción 1 
 
Antecedentes 3 
1.1 Cerámicos Panorama General 3 
1.1.1 Tecnología en la Fabricación de Cerámicos 3 
1.1.2 Procesamiento de Polvos Cerámicos: Métodos Mecánicos y Químicos 3 
1.1.3 Métodos Químicos: Reactivo en Fase Sólida, Líquida y Gaseosa 4 
1.2 Reactivo en Fase Líqui da: Soluciones Líquidas 6 
1.2.1 Precipitación a partir de una Solución 6 
1.2.2 Nucleación 6 
1.2.3 Cinética del Crecimiento de Partícula 8 
1.2.4 Etapas del Crecimiento del Cristal 9 
1.2.5 Control la Distribución del Tamaño de Partícula 10 
1.2.6 Procedimientos Comunes de Precipitación de Solución 11 
1.2.6.1 Hidrólisis de Soluciones de Sales Metálicas 11 
1.2.6.2 Hidrólisis de Soluciones de Alcóxidos Metálicos 13 
1.3 Óxido de Zinc Ge neral idades 14 
1.3.1 Producción 14 
1.3.1.1 Proceso Directo o Americano 14 
1.3.1.2 Proceso Indirecto o Francés 16 
1.3.1.3 Métodos Químicos de Síntesis 17 
1.3.2 Aplicaciones 20 
 
Experimentación 22 
2.1 Características del Material Precursor (Reactivos) y Equipo 22 
2.2 Marcha Experimental 23 
2.2.1 Preparación de P1 y P2 23 
2.2.2 Preparación de P3 y P4 25 
2.2.3 Preparación de P5 y P8 27 
2.3 Equipo Empleado en la Caracterización de Muestras 29 
 
 
Contenido 
Resultados y Discusión 32 
3.1 Difracción de Rayos X 32 
3.2 Curvas de Calorimetría (DSC -TGA) 34 
3.3 Difracción de Rayos X después de Calorimetría 38 
3.4 Micrografías con el Microscopio Electrónico de Barrido y Anális is EDS
 39 
 
Conclusiones 46 
Apéndice A: Otras Formas de Precipitación en Solución 47 
Apéndice B: Estructura Cristalina del ZnO 50 
Apéndice C: Indexando los Planos de Difracción del Óxido de Zinc por el 
Método Analít ico 54 
Referencias 59 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Lista de Figuras 
 
LISTA DE FIGURAS 
No. Figura Descripción Página 
1.1 Esquema de las etapas en la fabricación de cerámicos y algunas de sus variaciones, 
las cuales se muestran en recuadros de línea punteada y flechas punteadas que 
conectan algunos pasos [1]. 
3 
1.2 Curvas de solubilidad para sistemas diferentes: Curva A, solubilidad isotérmica; 
curva B, coeficiente de solubilidad con temperatura positiva; curva C, coeficiente 
de solubilidad con temperatura negativa [2]. 
6 
1.3 Teoría clásica de nucleación, variación esquemática de la energía libre contra el 
radio del núcleo en función de la relación de saturación S. ΔS > 0 → formación no 
espontánea, ΔG = 0 → equilibrio transitorio, ΔG < 0 → formación espontánea de 
una fase sólida [2]. 
7 
1.4 Representación simplista de interfaces sólido-solución durante el crecimiento del 
cristal: (a) Superficie atómicamente suave y (b) superficie rugosa del cristal [2, 37]. 
9 
1.5 Nucleación de capas alrededor de la partícula por (a) crecimiento mononuclear y 
(b) crecimiento polinuclear [1, 2, 37]. 
9 
1.6 Movimiento de las moléculas de soluto solvatadas (unidas a moléculas del 
solvente) [2, 37]. 
10 
1.7 Representación esquemática de la concentración del soluto contra el tiempo de 
nucleación y crecimiento de las partículas en una solución (Diagrama LaMer) [1]. 
11 
1.8 Partículas obtenidas por (a) envejecimiento por 2.5 h a 90°C de una solución de 
1.5 10
-2
 M de YCl3 con 0.5 M de urea y (b) por envejecimiento por 18 h a 115°C de 
una solución de 3.0 10
-2
 M de YCl3 con 3.3 M de urea [33]. 
12 
1.9 (a) Correlación entre el tamaño de partícula y las concentraciones de H2O y NH3 en 
la hidrólisis de una solución de 0.28 mol/L de tetraetóxido de silicio en etanol. (b) 
Esferas de sílice producidas por la hidrólisis de tetraetóxido de silicio en etanol [29]. 
14 
1.10 Esquema del funcionamiento de un horno rotatorio [42]. 15 
1.11 Partículas de ZnO en forma de espora sintetizadas a partir de una solución Zn(OH)2 
0.1M [15]. 
17 
1.12 Polvos de ZnO calcinados: (a) 1073
o
C; (b, c, d) 873
o
C [20]. 18 
1.13 Micropartículas de ZnO obtenidas bajo síntesis de microfluido con diferentes 
condiciones [18]. 
18 
1.14 Partículas de ZnO preparadas hidrotérmicamente a 200
o
C por 2h con (a) 0.50, (b) 
2.00 M KOH; (c) 0.025, (d) 0.20 M amoniaco [24]. 
19 
1.15 Polvo de ZnO hidrotermalmente tratado a (a) 100°C, (b) 150°C, y (c) 200°C por 2 h 
[13]. 
19 
1.16 Algunas aplicaciones del óxido de zinc. 21 
 
2.1 Sistema empleado en las experimentaciones. 23 
2.2 Fase blanca precipitada durante los 40 días de reposo de P1 y P2. 24 
2.3 (a) Filtración del producto; (b) Secado del producto. 24 
2.4 Esquema ilustrativo de las experimentaciones P1 y P2. 25 
2.5 Precipitado verde obtenido como producto de P3 y P4 26 
2.6 Esquema ilustrativo de las experimentaciones P3 y P4. 26 
2.7 Sistema más medidor de pH empleado en las experimentaciones P5-P8. 27 
2.8 Esquema ilustrativo de las experimentaciones P5 a P8. 28 
2.9 Difractómetro Bruker Axs D8 Focus. 29 
2.10 Calorímetro TA Instruments SDT Q600/2960. 30 
2.11 Preparación de muestras en el calorímetro. 30 
2.12 Preparación de muestras P1, P5, P6 y P8 para observaciones en el microscopio 31 
Lista de Figuras 
 
electrónico de barrido. 
3.1 Patrones de difracción de rayos X de las muestras P1, P2, P3 y P4 después del 
lavado y secado del polvo. 
32 
3.2 Patrones de difracción de rayos X de las muestras P5, P6, P7 y P8 después del 
lavado y secado del polvo. 
33 
3.3 Análisis DSC-TGA de las muestras P1, P2, P3 y P4. 35 
3.4 Análisis DSC-TGA de las muestras P5, P6, P7 y P8. 36 
3.5 Análisis DSC de las muestras P1, P2, P3 y P4 con curva normalizada. 37 
3.6 Análisis DSC de las muestras P5, P6, P7 y P8 con curva normalizada. 38 
3.7 Patrones de difracción de rayos X de las muestras P1, P2, P3, P4, P5, P6, P7 y P8 
después de las pruebas de calorimetría. 
39 
3.8 Microscopía electrónica de barrido para P1. (a) Análisis EDS, (b) 2000x, (c) 10 000x, 
(d) 50 000x, (e) 100 000x. 
40 
3.9 Microscopía electrónica de barrido para P5. (a) Análisis EDS, (b) 2000x, (c) 10 000x, 
(d) 50 000x. 
41 
3.10 Microscopía electrónica de barrido para P6. (a) Análisis EDS, (b) 2000x, (c) 10 000x, 
(d) 50 000x. 
42 
3.11 Microscopía electrónica de barrido para P8. (a) Análisis EDS, (b) 2000x, (c) 10 000x, 
(d) 50 000x. 
43 
3.12 Forma geométrica de la barra hexagonal de óxido de zinc. 44 
3.14 Comparación entre las muestras (a) P5, (b) P6, (c) P8 y (d) P1 a 10 000x. 45 
 
4.1 Esquema general del procesamiento sol-gel usando (a) una suspensión de 
partículas finas y (b) una solución [1]. 
47 
4.2 Esquema de la estructura de (a) un gel formado por una suspensión de partículas 
finas y (b) un gel polimérico formado a partir de una solución [1]. 
47 
4.3 Representación del modelo de esferas rígidas para las fases de ZnO (a) Sal de roca 
cúbica; (b) Zinc blenda cúbica; (c) Wurtzita hexagonal. Las esferas negras son 
átomos de zinc y las grises son oxígeno [8]. 
50 
4.4 Representación esquemática del ZnO wurtzita con los parámetros de red a en el 
plano basal y c en la dirección basal, parámetro u el cual se expresa como la 
longitud del enlace o la distancia al vecino más cercano b dividida entre c (0.375 en 
cristal ideal), los ángulos de enlace α y β (109.47° en cristal ideal), y tres tipos de 
segundos vecinos más cercanos b’1, b’2, y b’3 [8]. 
51 
4.5 Vista completa de celda unitaria wurtzita, desde elpunto de vista donde los 
cationes de zinc (esferas negras) forman la red y los aniones de oxígeno (esferas 
grises) ocupan la mitad de los intersticios tetraédricos [8]. 
51 
4.6 Representación de la wurtzita (a) y la zinc blenda (b). Los enlaces en el plano A 
(1120) se indican con líneas más marcadas para acentuar la secuencia de 
apilamiento. Las figuras de arriba muestran una porción del arreglo tridimensional 
normal para observar la relación tetraédrica de los cationes y aniones. Las figuras 
de abajo son proyecciones de los planos (0001) y (111) (la red vista por debajo) de 
la wurtzita y zinc blenda respectivamente, se aprecia el arreglo triangular y la 
rotación, en el caso de la zinc blenda, a lo largo de la dirección <111> [8]. 
52 
4.7 Planos indexados al difractograma de óxido de zinc. 58 
 
 
 
 
 
Lista de Tablas 
 
LISTA DE TABLAS 
No. Tabla Descripción Página 
1.1 Clasificación de los métodos para la síntesis de polvos cerámicos [1-6]. 5 
 
2.1 Reactivos empleados en la experimentación. 22 
2.2 Composición del Zn(NO3)2•6H2O marca Fermont. 22 
2.3 Identificación de la marcha experimental para cada muestra. 29 
 
 
 
3.1 Aproximación estimada de la longitud y el diámetro promedio de las barras 
hexagonales de P5, P6 y P8. 
44 
 
4.1 Ejemplos de planos de difracción permitidos para una red hexagonal. 54 
4.2 Planos hk0 para el difractograma de óxido de zinc. 55 
4.3 Planos hk0, 00l y algunos hkl para el difractograma de óxido de zinc. 56 
4.4 Formas cuadráticas de índices de Miller para un sistema hexagonal [10]. 57 
4.5 Picos remanentes sin indexar. 57 
4.6 Planos restantes para el difractograma de óxido de zinc. 57 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Agradecimientos 
 
AGRADECIMIENTOS 
 
Agradezco a nuestro Instituto Politécnico Nacional, a la Escuela Superior de Ingeniería Química e 
Industrias Extractivas ESIQIE, a los extraordinarios profesores de metalurgia y al Centro de 
Investigación e Innovación Tecnológica CIITEC. Gracias por la excelente formación. 
Al Centro de Nanociencias y Micro y Nanotecnologías, al área de Control Ambiental del CIITEC, y 
a Rigo López Juárez por la disposición de equipo. 
A los sinodales por su revisión y consejos oportunos que contribuyeron a un trabajo de más 
calidad. 
A ZIRKONZAHN por permitirme ganar experiencia y persistencia. Carlos, gracias por brindarme tu 
confianza y amistad. Señora y Señor Steger no olvidaré las palabras que me dieron. 
Amigos: Alfredo, Hugo, Ricardo y cómo olvidar al Chango Tze-Tung, ser parte de un equipo es 
genial, pero ser su amigo lo es más. Alejandra, Nayeli les agradezco mucho el apoyo que me 
brindaron en todo momento. Dalia agradezco haber conocido a una chica tan especial que me 
ayuda a mantener la vista al frente. 
Doc. Sebastián, no hay forma de devolverle todo lo que dio por mí, hasta ahora hemos logrado lo 
propuesto. Misión cumplida. 
Fabián, sé que siempre puedo contar contigo, en las buenas y en las malas, Dios te bendiga 
hermano. 
Gise, Diann, Lucy, tzermanitas, me siento muy orgulloso de ser su hermano, la dicha es más 
grande cuando las veo realizadas. 
Papá, Mamá, su fe, su aliento y coraje me impulsaron durante los más oscuros escenarios, con los 
ojos cerrados apostaron por una historia hecha girones como si ya supieran el desenlace. De haber 
algo bueno en mí es gracias a ustedes. Hoy por hoy les digo que mis pies permanecen en tierra. 
 
 
 
 
 
 
 
Resumen 
 
RESUMEN 
La síntesis de polvo de ZnO se realizó mediante precipitación química a partir de una solución de 
Zn(NO3)2•6H2O 0.3 M, a la cual se le agregó por goteo de 100 a 125 mL de una solución de NH4OH 
al 28.26%, obteniendo un polvo con forma irregular y con forma de barras hexagonales de tamaño 
micrométrico. En las primeras experimentaciones el polvo precipitado se dejó reposar a 25°C por 
40 días después de haberse añadido el hidróxido de amonio. Posteriormente, en lugar de analizar 
el tiempo de reposo, los polvos producidos fueron sometidos a un proceso de precipitación 
asistida por calentamiento hasta alcanzar los 100oC bajo agitación constante, de esta manera se 
encontraron las condiciones óptimas para la síntesis instantánea de partículas finas de óxido de 
zinc, evitando una calcinación posterior (ahorro de energía). La duración del calentamiento, 
conocida también como tiempo de envejecimiento, se estableció en 2, 3, 4 y 5 horas. Todos los 
polvos obtenidos fueron lavados en agua destilada y en alcohol etílico para remover impurezas, e 
inmediatamente después se secaron a 100oC por 5 horas. La siguiente etapa del estudio se centró 
en la caracterización de las partículas de ZnO obtenidas. Las fases presentes se determinaron por 
medio de difracción de rayos X. Para comprobar la formación del óxido de zinc o de alguna otra 
especie química que contuviera al ión de zinc, se analizaron las muestras por calorimetría hasta 
800oC mediante análisis termo-gravimétrico (Termo Gravimetric Analysis – TGA) y análisis 
calorimétrico diferencial (Differential Scanning Calorimetry – DSC). La morfología y el tamaño de 
partícula se analizaron por microscopía electrónica de barrido (MEB) con acoplamiento de 
Espectroscopía de Energía Dispersiva (EDS). A diferencia del polvo reposado a temperatura 
ambiente, cuyas partículas presentan una geometría irregular y heterogénea, los patrones de 
rayos X revelan trazas de Zn(OH)2 remanentes se encontró que aquellas del polvo tratado 
térmicamente están compuestas exclusivamente de óxido de zinc y adoptan una geometría de 
barras hexagonales. La práctica reveló que entre mayor sea el tiempo de calentamiento del polvo 
(5h) el tamaño de las barras hexagonales decrece hasta 0.5 m diámetro y 3 m de largo. Esta 
última geometría podría ser útil para usar el producto como un material semiconductor. El estudio 
ofrece una simple y clara aproximación para la síntesis de partículas en forma de barras 
hexagonales de ZnO. 
 
 
 
Introducción 
1 
 
INTRODUCCIÓN 
Químicamente, los cerámicos son compuestos inorgánicos no metálicos. Algunos ejemplos son 
los silicatos como la caolinita [Al2Si2O5(OH)4] y la mullita (Al6Si2O13), óxidos simples como la 
alúmina (Al2O3) y la zirconia (ZrO2), u óxidos complejos además de silicatos como el titanato de 
bario (BaTiO3). En su mayoría son óxidos, aunque también incluyen carburos como el carburo de 
silicio y boro (SiC, B4C); nitruros como el nitruro de silicio y de boro (Si3N4, BN); boruros como el 
diboruro de titanio (TiB2); siliciuros como el disiliciuro de molibdeno (MoSi2) y fluoruros como el 
fluoruro de litio (LiF) [1-4]. 
Los cerámicos poseen un enlace iónico-covalente a lo largo de todo su arreglo atómico y debido 
a esta característica, tienen puntos de fusión elevados, módulos elásticos, dureza y resistencia 
altos, baja conductividad eléctrica y térmica, y son muy frágiles con una baja ductilidad y pobre 
cantidad de deformación. La mayor aplicación en ingeniería de los cerámicos son como materiales 
de alta temperatura, tales como refractarios en las industrias de metales y tratamientos térmicos, 
recubrimientos y materiales de la industria aérea como partes de turbinas. También son 
empleados como abrasivos y para aplicaciones de resistencia al desgaste debido a su dureza. Son 
usados como contenedores de químicos (de ácidos y bases) por su resistencia a la corrosión y 
estabilidad química; simples fines decorativos (como trabajos de alfarería, porcelana, baldosas, 
azulejos), servicio de mesa y muebles del hogar (platos, vasos, tazas, lavabos, retretes) hasta 
materiales de construcción como ladrillos e incluso para aplicaciones magnéticas. Los aislantes 
cerámicos tienen una amplia variedad de propiedades eléctricas y han reemplazado a los 
materiales convencionales [2, 4]. 
Recientemente se han encontrado cada vez más aplicaciones para el óxido de zinc (ZnO), como 
en la manufactura de componentespara varios dispositivos, tales como diodos de luz, sensores de 
gas, celdas solares, varistores y para el diseño de conductores transparentes y fotocatalíticos. Las 
propiedades químicas y microestructurales de las partículas de ZnO son un factor importante en 
estas aplicaciones y por esa razón se han usado diferentes métodos en la síntesis del ZnO. 
Generalmente, al cambiar el método de síntesis es posible cambiar las propiedades de las 
partículas del óxido metálico [8, 9, 16, 20]. 
 
Se ha investigado la precipitación del óxido de zinc a partir de soluciones con distintos 
precursores, ya sean sales metálicas, alcóxidos metálicos, etc. añadiendo una gran variedad de 
agentes precipitantes (urotropina, citratos, amoniaco, etc.). También se ha estudiado el efecto de 
parámetros como el pH, la temperatura de reacción, el tiempo, la presión, el equipo empleado, sin 
contar que con la síntesis bajo condiciones hidrotermales o de Sol-gel ofrecen de igual manera 
métodos prometedores para la manufactura de materiales con varias morfologías y propiedades 
sensibles a la estructura. Se han obtenido desde partículas equiaxiales, irregulares, en forma de 
estrella hasta barras [12-26]. Como cualquier síntesis de polvos cerámicos, la formación de óxido 
de zinc es un proceso complejo que está regido por un gran número de variables, cuyo curso está 
particularmente dirigido por la historia y composición de los precursores. 
 
Introducción 
2 
 
Ya se ha trabajado en los procesos que involucran la hidrólisis de Zn(NO3)2 a varios pHs, en los que 
se ha comprobado que a bajos pHs (≈6) se obtienen especies químicas complejas que contienen al 
ión de zinc y a pHs mayores (≈13) se produce directamente el óxido de zinc. Sin embargo cada 
proceso de síntesis de reactivo de fase líquida (química suave), en este caso, precipitación de 
óxido de zinc, se caracteriza por tener todo un conjunto de variables disponibles para obtener el 
producto deseado (forma, composición y tamaño de las partículas), en consecuencia, cada 
procesamiento es único por la elección de estas variables [12-26, 38-40]. 
La presente tesis pretende centrarse en los métodos químicos de síntesis en fase líquida, 
especialmente en la precipitación por hidrólisis de soluciones de sales metálicas, pasando por 
generalidades de cerámicos, teoría de técnicas de síntesis de polvos cerámicos (sin extenderse 
hacia los métodos de fase gaseosa y sólida), siguiendo con generalidades del óxido de zinc para 
llegar a la meta que es la síntesis de partículas de ZnO en forma de barras hexagonales. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ANTECEDENTES Cerámicos Panorama General 
3 
 
ANTECEDENTES 
1.1 CERÁMICOS PANORAMA GENERAL 
1.1.1 Tecnología en la Fabricación de Cerámicos 
La tecnología en la fabricación de cerámicos consiste en una diversidad de procesos que pueden 
ser combinados de muchas formas al variar el tipo de material, microestructura, tamaño, forma, 
costos y aplicaciones. Este esquema (Figura 1.1) muestra las etapas de fabricación de un cerámico. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 1.1 Esquema de las etapas en la fabricación de cerámicos y algunas de sus variaciones, las cuales se 
muestran en recuadros de línea punteada y flechas punteadas que conectan algunos pasos [1]. 
 
1.1.2 Procesamiento de Polvos Cerámicos: Métodos Mecánicos y Químicos 
En la práctica, escoger la preparación del polvo dependerá del costo de producción y de la 
capacidad para alcanzar ciertas características deseadas de éste. 
Por conveniencia, se dividirán los métodos de síntesis en dos categorías: Métodos Mecánicos y 
Métodos Químicos. Esto no quiere decir que no existan otras formas de clasificación, pero ésta 
resulta ser la más práctica de entender. 
Los métodos mecánicos se usan para preparar los polvos de los cerámicos tradicionales 
(minerales arcillosos y no arcillosos como feldespatos que en su estado natural pueden ser 
plásticos y moldeables al adicionarse agua, y endurecidos por medio del fuego a alta temperatura) 
a partir de las materias primas naturales. Químicamente pueden ser no homogéneos con 
microestructuras complejas y frecuentemente se desea que presenten reacciones químicas 
durante el sinterizado. Ésta es un área bastante madura y estudiada del procesamiento de 
Preparación del mineral o materia 
prima natural, Preparación o síntesis 
química (descomposición térmica, 
síntesis hidrotérmica, sol-gel). 
Molienda para reducir tamaño de 
partícula, mezclado de aditivos, 
preparación coloidal, etc. 
Prensado en frío, extrusión, 
inyección por moldeo, etc. 
Preparación del Polvo 
Procesamiento del Polvo 
Consolidación del Polvo 
(Cuerpo en verde) 
(cuerpo en verde) 
Maquinado 
en verde 
Sinterizado 
Prensado 
en Caliente Maquinado Prensado 
Isostático 
en caliente 
(HIP) Inspección y envío del 
producto 
ANTECEDENTES Cerámicos Panorama General 
4 
 
cerámicos cuyas bases están bien sentadas. El objetivo de estos métodos es reducir el tamaño de 
partícula por medio de fuerzas mecánicas. Involucran operaciones de trituración y molienda, y el 
nombre del método dependerá del tipo de equipo empleado: trituración por quebradora de 
quijadas, quebradora giratoria, molienda vibratoria, molienda de bolas, molienda de chorro (jet 
mill), molienda de atrición, etc. 
Los métodos químicos generalmente se usan para preparar cerámicos avanzados (minerales 
refinados de los que se pueden sintetizar nuevas composiciones con muy alta pureza). Es 
importante mencionar que algunos de estos métodos requieren un paso de molienda mecánica 
para romper aglomerados y reducir el tamaño de partícula. 
 
1.1.3 Métodos Químicos: Reactivo en Fase Sólida, Líquida y Gaseosa 
A su vez, los métodos químicos pueden tener varias formas de clasificación que dependen del 
autor, pero una manera muy útil para abarcar la mayoría de los métodos de síntesis involucra 
considerar el estado de los materiales iniciales teniendo en cuenta tres categorías: 
1. Reactivo en Fase Sólida 
2. Reactivo en Fase Líquida 
3. Reactivo en Fase Gaseosa 
En la síntesis con reacciones en fase sólida, hay tres tipos de reacciones químicas: oxidación o 
reducción de un sólido, descomposición térmica de un sólido, y reacciones de estado sólido entre 
dos tipos de sólidos. 
Con la síntesis en fase líquida, se pueden considerar cinco tipos de técnicas: secado de un 
líquido, precipitación, síntesis sol-gel, síntesis hidrotermal. Básicamente hay tres principios 
operacionales para la precipitación; cambio de la temperatura, evaporación, y reacciones 
químicas. La síntesis por sol-gel es en esencia un método de precipitación; sin embargo, el 
precipitado sólido es de una escala nanométrica y se puede organizar en una red de gel o 
partículas sol dependiendo de las condiciones. El método de síntesis hidrotermal usa elevadas 
presiones para hacer insoluble una fase sólida específica. 
Los métodos de síntesis en fase gaseosa incluyen la evaporación-condensación y reacciones 
químicas en estado gaseoso. Estas reacciones incluyen la descomposición térmica, oxidación y 
reducción, al igual que reacciones químicas combinadas, y reacciones entre un metal fundido con 
un gas para dar cerámicos sólidos. 
Con todas estas técnicas de síntesis para cerámicos, se desea una pureza química y de fase 
cristalina junto con el control de la distribución del tamaño de partícula. Algunos procesos se 
ajustan mejor que otros para hacer un tipo específico de cerámico. Además de las ventajas 
técnicas de varios procesos, las ventajas de los costos de producción también influyen en la 
selección del proceso. Algunos ejemplos de procesos comerciales para hacer polvo de cerámico 
incluyen la síntesis de fase sólida del Si3N4 y el SiC, la síntesis de fase líquida de la Al2O3 y ZrO2, y la 
síntesis gaseosa del TiO2 y el SiO2. 
Finalmente, haciendo un recuento de los métodos mecánicos y químicos mencionando algunas 
ventajasy desventajas de cada categoría se obtiene la Tabla 1.1. 
 
 
 
 
ANTECEDENTES Cerámicos Panorama General 
5 
 
Tabla 1.1 Clasificación de los métodos para la síntesis de polvos cerámicos [1-6]. 
MÉTODO DE PREPARACIÓN VENTAJAS DESVENTAJAS 
MECÁNICOS 
 Conminución 
Trituración por quebradora de 
quijadas, Trituración por 
quebradora giratoria, Molienda 
vibratoria, Molienda de bolas, 
Molienda de chorro (jet mil), 
Molienda de atrición. 
Poco caros, ampliamente 
aplicados, reducción de 
partícula para cualquier 
material sólido. 
Pureza limitada, 
homogeneidad limitada, 
tamaño grande partícula. 
 *Síntesis Mecanoquímica 
 
 
 
Tamaño fino de partícula, se 
ajusta a la obtención de 
cerámicos que no son 
óxidos, bajas temperaturas. 
Pureza limitada, 
homogeneidad limitada. 
QUÍMICOS 
 Reactivo de Fase Sólida 
Descomposición térmica, 
Reacciones en estado sólido, 
Oxidación y reducción de un 
sólido. 
Aparatos simples, son 
costeables 
Polvo aglomerado, 
homogeneidad limitada para 
polvos con varios 
componentes 
 Reactivo de Fase Líquida 
Precipitación o Coprecipitación, 
Síntesis hidrotermal, 
Vaporización de solventes 
(spray drying, spray pyrolysis, 
freeze drying), Rutas de geles 
(Sol-gel, Gel de citrato, Pechini) 
Alta pureza, pequeño 
tamaño de partícula, control 
de la composición, 
homogeneidad química. 
Caros, la aglomeración del 
polvo es un problema común, 
casi no aplicables para 
cerámicos que no son óxidos. 
 Reactivo de Fase Gaseosa 
Reacciones gas-sólido: 
Deposición química de vapor 
(CVD), 
Comúnmente baratas para 
tamaños grandes de 
partículas. 
En general se obtiene baja 
pureza, son caros para polvos 
finos. 
Reacciones gas-líquido: 
Oxidación metálica directa 
Alta pureza, tamaño de 
partícula pequeño. 
Caros, aplicabilidad limitada. 
Reacciones entre gases. Alta pureza, tamaño de 
partícula pequeño, poco 
caros para óxidos. 
Caros para materiales que no 
son óxidos, la aglomeración es 
un problema común. 
*La síntesis mecanoquímica es un caso especial en donde ocurren reacciones de estado sólido inducidas por 
la energía mecánica que proporciona un medio de molienda y se considera un método tanto químico como 
mecánico. 
 
Los polvos cerámicos producidos por precipitación (reactivos de fase líquida), típicamente caen 
en las siguientes categorías: hidróxidos, nitritos, sulfatos, oxalatos, imidas, en algunas ocasiones el 
óxido, etc. La principal razón por la que se usa a la precipitación para hacer polvos de cerámico es 
que da un producto sólido puro, rechazando la mayoría de las impurezas sobrantes. Además, con 
la precipitación se pueden controlar en determinado grado la morfología de la partícula y la 
distribución del tamaño de partícula. Sin embargo tiene la desventaja de que los polvos deben ser 
separados de su solución madre y deben ser secados, al igual que frecuentemente deben ser 
descompuestos térmicamente (calcinados) hasta obtener el material deseado. Este secado y 
calcinación a menudo provoca aglomeración. Se deben tomar precauciones especiales para 
prevenir la formación de agregados durante estos procesos. 
ANTECEDENTES Reactivo en Fase Líquida: Soluciones Líquidas 
6 
 
1.2 REACTIVO EN FASE LÍQUIDA: SOLUCIONES 
LÍQUIDAS 
1.2.1 Precipitación a partir de una Solución 
La producción de polvos a partir de una solución se hace comúnmente por precipitación al añadir 
un reactivo líquido que reaccione con la solución. El entendimiento de los principios de la 
precipitación a partir de una solución es muy útil para lograr el control de las características del 
tamaño de partícula del polvo. La precipitación de los polvos involucra la nucleación y crecimiento 
de una solución sobresaturada (contiene más soluto del que puede existir en equilibrio a una 
temperatura y presión dadas). 
Hay muchas formas de volver sobresaturada a una solución y así inducir la nucleación y 
crecimiento, como ilustra la Figura 1.2. Para sistemas en donde la solubilidad no es una función 
fuertemente relacionada con la temperatura, se usa la evaporación para causar la sobresaturación 
(curva A). Para los sistemas en los que la solubilidad sí aumenta con la temperatura (curva B), se 
emplea un enfriamiento para sobresaturar la solución. Altas presiones también son usadas para 
precipitar una fase cristalina en particular que pudiera no ser estable a condiciones normales de 
presión. El uso de una alta presión en la precipitación se conoce como síntesis hidrotermal. La 
sobresaturación también se puede producir al añadir otro componente en el cual el soluto sea 
insoluble. 
 
 
Figura 1.2 Curvas de solubilidad para sistemas diferentes: Curva A, solubilidad isotérmica; curva B, 
coeficiente de solubilidad con temperatura positiva; curva C, coeficiente de solubilidad con temperatura 
negativa [2]. 
 
La precipitación de soluciones consiste de dos etapas básicas: 1) nucleación de partículas y 2) su 
crecimiento al adicionar más material a la superficie. En la práctica, si se controlan las condiciones 
de reacción para la nucleación, el crecimiento y la manera en que interactúan estos dos 
mecanismos, entonces se controlan las características del polvo. 
 
1.2.2 Nucleación 
Se dice que ocurre una nucleación homogénea cuando existe una sola fase sin la presencia de 
alguna inclusión (impureza) en la solución o en las paredes del contenedor. Cuando estas 
inclusiones están presentes actúan para asistir la nucleación y el proceso es llamado nucleación 
heterogénea. El hecho de que ocurra nucleación heterogénea hace difícil obtener un tamaño de 
partícula bien controlado y se debe evitar, sin embargo se puede usar en beneficio para la síntesis 
de partículas recubiertas. 
So
lu
b
ili
d
ad
 
Temperatura 
ANTECEDENTES Reactivo en Fase Líquida: Soluciones Líquidas 
7 
 
Al llevar una solución al estado de sobresaturación, las teorías clásicas [27] sobre nucleación 
asumen que las moléculas del soluto se combinan para producir núcleos, o embriones (“clusters”). 
La energía libre total de cada núcleo, ΔG, es un resultado de dos términos (área superficial y 
volumen), la energía libre debido a la nueva superficie y la energía libre debido a la formación de 
un nuevo sólido, y asumiendo que el cluster tiene una forma esférica de determinado radio r: 
 
 
 
 (1) 
En donde es la energía libre superficial por unidad de área, es la constante de los gases, 
es la temperatura absoluta, es el volumen molar del precipitado y es el radio del embrión. es 
la relación de saturación dada por: , en la cual es la concentración actual de la 
solución (en el momento en que se forman los embriones corresponde a la concentración de 
sobresaturación) y es la concentración de equilibrio o solubilidad natural a la temperatura y 
presión del sistema. Cuando , tenderá a ser positivo y la formación del núcleo no 
será espontánea. En cambio, si , significa que ya existe una sobresaturación implicando 
que la concentración C es mayor que la concentración bajo condiciones normales Ceq y en 
consecuencia puede llegar a un máximo positivo con un determinado tamaño crítico r*; 
este máximo impone una barrera energética que debe de ser superada para la formación de 
núcleos como se muestra en la Figura 1.3. Los núcleos que superen el tamaño crítico disminuirán 
su energía libre y seguirán creciendo, dando lugar a “núcleos estables” que formarán partículas 
macroscópicas. Debajo del tamaño crítico, los núcleos disminuirán su energía libre y se disolverán. 
 
Figura 1.3 Teoría clásica de nucleación, variación esquemática de la energía libre contra el radio del núcleo 
en función de la relación de saturación S. ΔS > 0 → formación no espontánea, ΔG = 0 → equilibrio 
transitorio, ΔG < 0 → formación espontánea de una fase sólida [2]. 
 
El tamaño crítico r* se obtiene al fijar , dando:(2) 
ANTECEDENTES Reactivo en Fase Líquida: Soluciones Líquidas 
8 
 
Donde es el factor de conversión de volumen y es el factor de conversión de área 
superficial. Para una esfera, y . Este tamaño crítico corresponde a un 
valor máximo de energía libre de: 
 
 (3) 
Usando estos conceptos de energía libre, el número de embriones generados con un 
determinado tamaño r se da por: 
 
 
 
 
 
 
 (4) 
En donde es el número de Avogadro. 
La velocidad de nucleación J se refiere a la velocidad de formación de núcleos críticos, ya que 
sólo éstos pueden crecer y se expresa como: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 (5) 
En donde D es el coeficiente de difusión, es la energía libre del tamaño crítico y d es el 
diámetro de las partículas que se suman para formar al embrión. En la práctica es más probable 
que se dé la nucleación heterogénea, inducida por la presencia de impurezas que involucran una 
energía superficial menor, la cual disminuye el valor crítico de sobresaturación. Las impurezas 
proporcionan sitios de nucleación, por lo tanto cuando éstas son consumidas en su totalidad se 
limita la velocidad y acaba el proceso. 
La nucleación homogénea requiere una elevada relación de saturación y es muy sensible a 
variaciones mínimas de ésta, en consecuencia no es fácil de controlar. Con la presencia de 
impurezas, la nucleación heterogénea tiene una velocidad menor que la homogénea permitiendo 
un mejor control del tamaño de partícula sin la necesidad de llegar a un alto grado de 
sobresaturación. La velocidad de nucleación es fuertemente dependiente de la relación de 
saturación: . Sin embargo, bajo cualquier situación no se puede medir 
satisfactoriamente la cinética de nucleación, debido a que los mecanismos específicos que la rigen 
son extremadamente difíciles de definir. 
 
1.2.3 Cinética del Crecimiento de Partícula 
Los núcleos normalmente son muy pequeños, pero incluso durante una etapa de nucleación 
corta, pueden crecer a diferentes tamaños. Por lo tanto, el sistema inicial de crecimiento también 
debe controlarse. Desde el punto de vista macroscópico, la transferencia de masa (transporte de 
las especies de soluto) controla el crecimiento del cristal, ya que la transferencia de calor dentro 
de una solución es relativamente rápida y muy raras veces controlará el proceso. 
A nivel molecular, “las unidades de crecimiento” (átomos o iones) se sujetan a la superficie del 
cristal, se difunden a lo largo de ésta, y eventualmente se incorporan a la estructura o regresan al 
fluido. La naturaleza de la interface cristal-solución, ya sea una superficie atómicamente rugosa o 
suave determina el crecimiento. En una superficie suave todos los átomos se añaden a un sitio 
idéntico A y forman un crecimiento por capas (Figura 1.4 a). En una superficie rugosa, un átomo 
se puede enganchar a varios posibles sitios A, B y C, y forma un crecimiento continuo que 
permanecerá rugoso por la creación de nuevas esquinas (Figura 1.4 b). La velocidad de 
crecimiento en una superficie rugosa será mayor que en una suave. 
 
ANTECEDENTES Reactivo en Fase Líquida: Soluciones Líquidas 
9 
 
 
Figura 1.4 Representación simplista de interfaces sólido-solución durante el crecimiento del cristal: (a) 
Superficie atómicamente suave y (b) superficie rugosa del cristal [2, 37]. 
 
Cada nueva capa alrededor de la partícula tiene que nuclear primero por un proceso que es 
diferente de la nucleación homogénea. Se pueden distinguir dos tipos de mecanismos de 
crecimiento en dos dimensiones, conocidos como crecimiento mononuclear y crecimiento 
polinuclear. En el mecanismo del crecimiento mononuclear (Figura 1.5 a), cada capa, en 
promedio, es el resultado de un solo sitio de nucleación sobre la superficie de la partícula, aparece 
una sola capa que tiene el tiempo para alcanzar la terminación de dicha etapa antes que otra capa 
aparezca. El crecimiento procede, en consecuencia, capa por capa y parecerá que la superficie de 
la partícula tiene distintas facetas a una escala macroscópica. En el mecanismo de crecimiento 
polinuclear (Figura 1.5 b), la nucleación sobre la superficie de la partícula es tan rápida que sucede 
en varios sitios a la vez antes de que las primeras capas se hayan completado. 
 
 
Figura 1.5 Nucleación de capas alrededor de la partícula por (a) crecimiento mononuclear y (b) crecimiento 
polinuclear [1, 2, 37]. 
 
1.2.4 Etapas del Crecimiento del Cristal 
Hay dos tipos de sitios en la superficie en la que los átomos se pueden integrar a la estructura del 
cristal: un escalón y un rincón (hueco en el escalón), siguiendo una serie de etapas que se enlistan 
a continuación y se aprecian en la Figura 1.6: 
i. Transporte del soluto del resto de la solución hacia la superficie del cristal, 
ii. Adsorción sobre la superficie del cristal, 
iii. Difusión sobre la superficie, 
iv. Enganche al escalón, 
ANTECEDENTES Reactivo en Fase Líquida: Soluciones Líquidas 
10 
 
v. Difusión a lo largo del escalón, 
vi. Integración al cristal en un rincón (hendidura en un escalón), 
vii. Difusión de las moléculas del solvente coordinadas al soluto hacia afuera de la 
superficie del cristal. 
viii. Liberación del calor de cristalización y su transporte fuera del cristal. 
 
Figura 1.6 Movimiento de las moléculas de soluto solvatadas (unidas a moléculas del solvente) [2, 37]. 
 
El soluto comúnmente es un ión que está rodeado y coordinado (solvatado) por átomos de 
solvente (u otro tipo de iones). En la superficie del cristal, ocurre la desolvatación de una o dos 
moléculas del solvente coordinadas al soluto antes de que éste último se pueda (i) adsorber, (ii) 
enganchar a un escalón, e (iii) integrar al cristal en un rincón. La difusión de las moléculas de 
solvente (u otros iones coordinados) fuera de la superficie del cristal podrá limitar la difusión del 
soluto hacia el cristal y así reducir la velocidad de crecimiento. El soluto no forma parte del cristal 
hasta que la entalpía de cristalización sea liberada y la desolvatación se complete. 
El efecto de la agitación es muy importante ya que elimina gradientes de concentración del 
soluto en la solución y así evita que se presenten zonas con diferentes velocidades de crecimiento. 
Si se usa una reacción química para generar las especies insolubles en la precipitación, la 
velocidad de la reacción química es otra limitante que controla la velocidad de crecimiento. 
 
1.2.5 Control la Distribución del Tamaño de Partícula 
En una precipitación, mientras la reacción procede, la concentración del soluto a ser precipitado, 
Cx, iguala o supera al punto de saturación CS. Si la solución está libre de inclusiones (impurezas) y 
las paredes del recipiente están limpias, entonces es posible que Cx exceda a CS y así obtener una 
solución sobresaturada. Eventualmente se alcanzará una concentración de sobresaturación crítica 
CSS después de determinado tiempo t1 y la nucleación homogénea y el crecimiento de las 
partículas del soluto ocurrirán, llegando a una disminución de Cx hasta un valor por debajo de CSS 
después de un tiempo t2. El resto del crecimiento de las partículas ocurre por difusión del soluto 
hacia la superficie de las partículas. Finalmente, el crecimiento se detiene después de un tiempo t3 
cuando Cx = CS . Está claro que si se desea producir partículas con un tamaño uniforme, entonces 
debe ocurrir un breve auge de nucleación en un intervalo pequeño, t2 – t1. Todo el proceso se 
ilustra mejor con un diagrama de LaMer (Figura 1.7). 
 
ANTECEDENTES Reactivo en Fase Líquida: Soluciones Líquidas 
11 
 
 
Figura 1.7 Representación esquemática de la concentración del soluto contra el tiempo de nucleación y 
crecimiento de las partículas en una solución (Diagrama LaMer) [1]. 
 
Un crecimientouniforme requiere que el soluto se libere lentamente y que permita una difusión 
hacia las partículas sin la acumulación de la concentración del soluto y un futuro auge de 
nucleaciones. Este mecanismo de nucleación seguido por el crecimiento controlado por difusión 
no aplica en la formación de partículas que son el aglomerado de partículas primarias más finas. 
En lugar de eso, sólo aplica a las partículas primarias. 
 
1.2.6 Procedimientos Comunes de Precipitación de Solución 
El uso más simple de la precipitación es para la preparación de óxidos simples, óxidos hidratados 
o hidróxidos. La precipitación comúnmente se alcanza por reacciones de hidrólisis. Decir hidrólisis 
(raíces griegas hydro: agua + lysis: separación) implica una reacción química en la que las 
moléculas de una sustancia objetivo se dividen en dos partes por la adición de moléculas de agua 
que a su vez se dividen en cationes de hidrógeno (H+ convencionalmente conocidos como 
protones) y aniones de hidroxilo (OH-). Un fragmento de las moléculas de la sustancia objetivo 
gana cationes de hidrógeno y el otro fragmento se une a los aniones de hidroxilo. Se pueden 
distinguir dos rutas importantes: 
1. Hidrólisis de compuestos metálico-orgánicos (alcóxidos metálicos) en una solución 
alcohólica, generalmente conocido como proceso Stober. 
2. Hidrólisis de una solución acuosa de sales metálicas. 
 
1.2.6.1 Hidrólisis de Soluciones de Sales Metálicas 
Se han desarrollado procedimientos para la preparación de partículas uniformes por hidrólisis de 
soluciones de sales metálicas. Comparada con la hidrólisis de alcóxidos metálicos, el método tiene 
la habilidad de producir un amplio rango de composiciones químicas, incluyendo óxidos, sulfatos, 
carbonatos, fosfatos y sulfuros. Sin embargo, el número de parámetros experimentales que se 
deben controlar para producir partículas uniformes es muy elevado. Incluyendo la concentración 
de las sales metálicas, la composición química de las sales usadas como material precursor, la 
temperatura, el pH de la solución, y la presencia de aniones y cationes que forman compuestos 
C
on
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ra
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ANTECEDENTES Reactivo en Fase Líquida: Soluciones Líquidas 
12 
 
intermediarios. Mientras que se puede producir gran variedad de tamaño y forma de partículas, la 
morfología de las partículas finales rara vez se puede predecir [30, 31]. Además se puede obtener 
un producto tanto amorfo como cristalino, y los factores que determinan esto no están muy claros 
[32]. Los iones metálicos, normalmente están hidratados en solución acuosa [28]. Las condiciones 
para que la precipitación homogénea de partículas uniformes se dé, se puede alcanzar por la 
técnica de hidrólisis forzada. Esta técnica está basada en la promoción de la desprotonización de 
los cationes hidratados al calentar la solución a temperaturas relativamente elevadas (90-100°C). 
Para un metal M con una valencia z, la reacción se puede escribir: 
 
 
 
 (6) 
Los compuestos solubles hidroxilados producidos por la reacción de hidrólisis forman a los 
precursores para la nucleación de las partículas. Se pueden generar a una velocidad adecuada para 
alcanzar la nucleación y crecimiento y así formar partículas uniformes por ajuste de la temperatura 
y pH. En principio, sólo es necesario envejecer la solución a elevadas temperaturas. En la práctica, 
otros aniones a parte de los iones hidroxilos juegan un papel decisivo en la reacción. Algunos otros 
aniones están fuertemente coordinados a los iones metálicos y por lo tanto terminan en el sólido 
precipitado (provocan un polvo impuro). En otros casos, los aniones se pueden remover 
fácilmente del producto al “lavarlo” (remover impurezas con algún tipo de líquido como agua 
destilada, etanol). 
Las condiciones para la nucleación y crecimiento de partículas uniformes en solución también se 
pueden establecer por la liberación lenta de aniones de las moléculas orgánicas tales como la urea 
o la formamida. Un ejemplo es la precipitación de partículas de carbonato de itrio básico en una 
solución de cloruro de itrio YCl3 y urea (NH2)2CO [33]. Se produjeron partículas esféricas de tamaño 
uniforme al envejecer una solución de 1.5 10-2 M de YCl3 y una de 0.5 M de urea por 2.5 h a 90°C 
(Figura 1.8 a). Sin embargo al utilizar soluciones más concentradas de YCl3 y urea, y envejecer a 
115°C por 18 h, se obtienen partículas en forma de barra con un tamaño irregular (Figura 1.8 b). 
 
Figura 1.8 Partículas obtenidas por (a) envejecimiento por 2.5 h a 90°C de una solución de 1.5 10
-2
 M de 
YCl3 con 0.5 M de urea y (b) por envejecimiento por 18 h a 115°C de una solución de 3.0 10
-2
 M de YCl3 con 
3.3 M de urea [33]. 
 
A temperaturas de hasta 100°C, las soluciones acuosas de urea liberan iones de amonio y 
cianato: 
 
 (7) 
 
(a) (b) 
ANTECEDENTES Reactivo en Fase Líquida: Soluciones Líquidas 
13 
 
Los iones de itrio se hidrolizan débilmente en el agua al formar YOH(H2O)n
2+ y como resultado se 
liberan iones de hidronio que aceleran la descomposición de la urea provocando un medio ácido, a 
su vez los iones de cianato reacciona rápidamente, de acuerdo a: 
 
 (8) 
Bajo estas condiciones se obtienen partículas esféricas. 
En cambio, para la reacción a 115°C, tener un exceso de urea (> 2 M) involucra la 
descomposición de una gran cantidad de iones OH- tendiendo hacia un medio más básico (pH 9.7). 
Los iones de cianato dan lugar a iones de carbonato y amoniaco: 
 
 (9) 
Bajo estas condiciones se obtiene la precipitación de partículas con forma de barra. Además del 
exceso de urea a una temperatura más alta de envejecimiento, se necesitan tiempos más 
prolongados de reacción (> 12h) para generar una suficiente cantidad de amoniaco libre y así 
formar barras de carbonato de itrio. Este estudio comprueba, que en algunos casos, se puede 
afirmar que el tipo de aniones afectan la morfología de la partículas sin que se incorporen al 
precipitado sólido. La temperatura de envejecimiento es un parámetro crítico, ya que no se 
producirán partículas por debajo cierta temperatura y se obtendrán mejores resultados a una 
temperatura óptima. 
 
1.2.6.2 Hidrólisis de Soluciones de Alcóxidos Metálicos 
La hidrólisis controlada de los alcóxidos metálicos se ha usado para preparar polvos finos de 
varios óxidos simples. Los alcóxidos metálicos tienen una fórmula general M(OR)z, donde z es un 
número entero igual a la valencia del metal M, y R es una cadena alquilo. Se pueden considerar 
que también son derivados de un alcohol, ROH, en el que el hidrógeno se reemplaza por un metal 
M, o por un hidróxido metálico, M(OH)z, en el que el hidrógeno se reemplaza por un grupo alquilo. 
 (10) 
Seguida de la condensación y polimerización por deshidratación: 
 (11) 
Stober et al [29] desarrollaron un estudio sistemático en el que comprobaron algunos factores 
que controlan la uniformidad y el tamaño de partículas de SiO2 al utilizar un alcóxido de silicio 
[tetraetóxido de silicio, Si(OC2H5)4, TEOS] diluido en etanol, en presencia de NH3 y de H2O. El NH3 
sirve para obtener pH básicos. Encontraron que el tamaño de partícula dependía de la relación de 
la concentración de agua con la del TEOS y con la concentración del NH3 pero no con la 
concentración del TEOS (al menos no en el rango 0.02 – 0.50 M). Para una concentración de TEOS 
de 0.28 M la Figura 1.9 muestra la relación general entre el tamaño de partícula y las 
concentraciones de H2O y NH3; y la variación del tamaño de partícula entre 0.05 y 0.90 μm de la 
sílice producida, como se puede observar, el tamaño es uniforme. 
 
 
 
 
 
 
 
 
ANTECEDENTES Reactivo en Fase Líquida: Soluciones Líquidas 
14 
 
 
Figura1.9 (a) Correlación entre el tamaño de partícula y las concentraciones de H2O y NH3 en la hidrólisis de 
una solución de 0.28 mol/L de tetraetóxido de silicio en etanol. (b) Esferas de sílice producidas por la 
hidrólisis de tetraetóxido de silicio en etanol [29]. 
 
También se encontró que otros solventes alcohólicos y otros alcóxidos de silicio tienen un efecto 
diferente. La velocidad de la reacción fue mayor con metanol, y más lenta con n-butanol. De igual 
manera, bajo condiciones comparables, el tamaño de partícula fue más pequeño con el metanol y 
más grande con el n-butanol. Reacciones más rápidas, menores a 1 minuto y tamaños menores de 
0.2 mm se obtienen con el tetrametóxido de silicio, mientras que el tetrapentóxido de silicio 
reacciona más lentamente (24 h) y produce partículas más grandes. 
De esto se puede concluir que las características del polvo y la velocidad de la reacción dependen 
de la concentración de los reactivos y de la naturaleza de éstos. Las reacciones son sensibles a la 
concentración de los reactivos, el pH, y la temperatura. Se producen polvos de óxidos u óxidos 
hidratados. Las partículas precipitadas son comúnmente amorfas y pueden formar aglomerados 
de partículas más finas. 
 
 
1.3 ÓXIDO DE ZINC GENERALIDADES 
El óxido de zinc es un compuesto inorgánico con la fórmula química ZnO. Usualmente se le ve 
como un polvo blanco, casi insoluble en agua. Las investigaciones sobre el ZnO se remontan a 
muchas décadas atrás, pero el interés ha surgido recientemente porque se puede hacer crecer 
sobre sustratos baratos (como vidrios) y así obtener una alta calidad de conducción tipo-p, y por 
su comportamiento ferromagnético cuando se dopa con metales de transición. 
 
1.3.1 Producción 
1.3.1.1 Proceso Directo o Americano 
El proceso directo se caracteriza por su simplicidad, bajo costo y excelente eficiencia térmica. 
Consiste de una reducción a alta temperatura (1000-1200°C) de algún mineral que contenga zinc 
(como óxido) y el agente reductor es carbón. La reducción toma lugar de acuerdo a reacciones de 
Boudouard: 
ANTECEDENTES Óxido de Zinc Generalidades 
15 
 
 (12) 
 (13) 
 (14) 
 (15) 
El vapor de zinc y el CO gaseoso se oxidan hasta formar óxido de zinc y bióxido de carbono sobre 
la cama de reacción o en la salida del horno. Se utilizan muchos materiales que contengan zinc, 
como concentrados de zinc (principalmente en China), residuos de metales, espumas de hornos de 
fundición, residuos oxidados del proceso indirecto y sobre todo ceniza de zinc de galvanización. 
Esta ceniza primero se procesa para remover el cloro y plomo al calentar a 1000°C en hornos 
rotatorios. Actualmente sólo se usan hornos rotatorios en Estados Unidos, debido a que se ha 
descontinuado el uso de hornos estáticos. El contenido de zinc de la materia prima está entre el 60 
y 75%. Hay dos tipos de hornos rotatorios: 
1. Un horno largo (30 m aproximadamente) y estrecho (2.5 m de diámetro), calentado por gases. 
La materia prima (una mezcla de material con zinc en su composición más carbón) se carga 
continuamente ya sea a contra corriente o a favor de la corriente de los gases de combustión. 
Los residuos, los cuales aun contienen zinc y carbón sin quemar, dejan el horno 
continuamente por el extremo opuesto a la alimentación. El exceso de carbón es cribado y 
reciclado. Los gases de combustión, que contienen ya vapor de zinc, ZnO y CO, pasan a la 
cámara donde ocurre la oxidación y se asientan partículas grandes de impurezas. A 
continuación, los gases se enfrían con un intercambiador de calor o por dilución en el aire. El 
óxido de zinc se colecta por separado en contenedores. 
 
 
Figura 1.10 Esquema del funcionamiento de un horno rotatorio [42]. 
 
2. Un horno rotatorio que es más pequeño (5 m) y tiene un diámetro más grande (3 m). La carga 
es continua, pero los residuos sin zinc se remueven de forma discontinua. 
 
ANTECEDENTES Óxido de Zinc Generalidades 
16 
 
En ambos casos, las condiciones de operación se controlan para obtener una alta eficiencia y 
para producir el tamaño y forma de la partícula requerida. La pureza se determina únicamente por 
la composición de la materia prima usada [7]. 
 
1.3.1.2 Proceso Indirecto o Francés 
Se eleva la temperatura del zinc a tal grado que el vapor resultante se oxida por combustión al 
aire bajo condiciones definidas. Las propiedades físicas y cristalográficas del ZnO se pueden 
controlar por ajuste de las condiciones de combustión (por ejemplo, la turbulencia de flama, el 
exceso de aire). La composición química del ZnO únicamente es función de la composición del 
vapor de zinc. Hay muchos tipos de hornos disponibles para producir el vapor de la pureza 
requerida a partir de distinta materia prima y así obtener una alta eficiencia de zinc. Como materia 
prima se puede usar desde zinc puro (super alto grado SHG; alto grado, HG) hasta residuos 
metálicos (chatarra de zinc, escoria de fundición, y residuos de galvanización. Se utilizan varias 
técnicas de separación de fase líquido-gas para remover Cd, Pb, Fe y Al del zinc metálico antes de 
que sea oxidado: 
1. Hornos tipo mufla o retortas (recipiente que se usa en la destilación de sustancias) de grafito o 
carburo de silicio. El calor de vaporización se suministra al calentar la parte externa de la 
retorta con un quemador. En una mufla, la sección donde ocurre la vaporización se separa de 
la cámara de calentamiento por medio de un arco de carburo de silicio. El calor provocado por 
los gases en la cámara de calentamiento se transfiere al baño de zinc por medio del arco a 
través de radiación. Los residuos estables (hierro, plomo y aluminio en el caso de las escorias 
de fundición) se acumulan en la retorta o en la mufla y se deben remover cada cierto 
intervalo. Esto se facilita al inclinar las retortas. 
 
2. Destilación Fraccionaria. El vapor, que contiene Cd, Pb, Fe, Al y Cu, se puede purificar por 
destilación fraccionaria en columnas con placas de carburo de silicio. La oxidación ocurre en la 
salida de las columnas. 
 
3. Hornos con Dos Cámaras Separadas. La materia prima metálica, que puede estar en forma de 
grandes piezas, se alimenta en la primera cámara que es donde se funde. Ésta se conecta a 
una segunda cámara que es calentada eléctricamente, aquí sucede la destilación en ausencia 
de aire. Los residuos no metálicos se remueven en la superficie de la cámara de fundición. Las 
impurezas como el Fe, Al y una parte del Pb, se acumulan en la cámara de destilación y son 
periódicamente retiradas en su estado líquido. Las últimas trazas de plomo se remueven por 
destilación fraccionaria. 
 
4. Proceso de Fundición en un Horno Rotatorio. El óxido de zinc indirecto también se hace por 
fundición en hornos rotatorio, empezando con el mismo tipo de materia prima. La fundición, 
la destilación y parte de la oxidación se lleva a cabo en la misma zona, permitiendo la 
utilización de una buena parte del calor de combustión del zinc. Al manipular la temperatura y 
las presiones parciales del bióxido de carbono y del oxígeno, el contenido de impurezas (por 
ejemplo plomo) se puede controlar, y la forma y tamaño de las partículas de ZnO se pueden 
ajustar [7]. 
 
 
 
 
ANTECEDENTES Óxido de Zinc Generalidades 
17 
 
1.3.1.3 Métodos Químicos de Síntesis 
Este método de elaboración de óxido de zinc le confiere características y propiedades que no se 
obtendrían con las formas de producción masiva ya mencionadas. Dichas características tienen 
aplicaciones potenciales a nivel nanométrico (morfología y tamaño de la partícula) y aprovechan 
las propiedades ópticas y conductivas de este material. 
La química de soluciones ha dado una gran variedad de métodos de síntesis que conllevan a un 
control del tamaño y a una morfología, desde partículas simples hasta complejas. Hochepiedet al. 
[15] emplearon nitrato de zinc hexahidratado (Zn(NO3)2•6H2O algunos autores lo mencionan 
simplemente como nitrato de zinc) y lo mezclaron con NaOH para precipitar Zn(OH)2 , con este 
precipitado elaboraron una solución 0.1M, que combinaron con una solución diluida de NH3. El 
precursor obtenido se calentó a 85oC durante 2 h y bajo agitación mecánica. Lo que se obtuvo, 
fueron partículas en forma de espora que a su vez estaban formadas por prismas alargados que 
crecían a partir del centro, a manera de esferas, de aproximadamente 18 μm de diámetro (Figura 
1.11). 
 
Figura 1.11 Partículas de ZnO en forma de espora sintetizadas a partir de una solución Zn(OH)2 0.1 M [15]. 
 
Lu et al. [17] diluyeron nitrato de zinc hidratado hasta 0.1 M y prepararon una solución de HMT 
(C6H12N4) 0.5 M, luego combinaron ambos tipos de soluciones y calentaron hasta 60°C por 45 min 
sin agitación. El precipitado se filtro y secó a 60°C. Después se aplicó un tratamiento térmico de 
300°C por 1 h con una rapidez de calentamiento y enfriamiento de 3°C/min. Encontraron que para 
formar nanopartículas de ZnO equiaxiales con una distribución entre 0.5 y 3.0 nm, la proporción 
HMT: Zn(NO3)2 debe mantenerse baja, es decir de 1:1. 
Haneda et al. [20] sintetizaron polvos con diferentes morfologías mediante una simple 
precipitación de sales metálicas mezclando a temperatura ambiente una solución de Zn(NO3)2 con 
soluciones acuosas de amoniaco, o trietanolamina (TEA), o hexametilenetetramina seguido de un 
envejecimiento a temperatura y tiempo constante. El polvo fue filtrado, secado y calcinado a 
873oC. Encontraron que se formaban partículas esféricas monodispersas con una superficie áspera 
(Figura 1.12 a) y partículas elipsoidales entrelazadas (Figura 1.12 b), ambas se prepararon con el 
mismo sistema Zn(NO3)2-TEA, pero diferente concentración de TEA. Las partículas en forma de 
barra se obtuvieron con el sistema Zn(NO3)2-HMT (Figura 1.12 c) y en forma de agujas 
entrelazadas con Zn(NO3)2-NH4OH (Figura 1.12 d). 
ANTECEDENTES Óxido de Zinc Generalidades 
18 
 
 
Figura 1.12 Polvos de ZnO calcinados: (a) 1073°C; (b, c, d) 873°C [20]. 
 
Köhler et al. [18] desarrollaron un sistema basado en la aplicación de fluido microsegmentado 
(que no es más que mezclar continuamente las soluciones que reaccionan tomando muy poca 
cantidad éstas). El método involucra mezclar soluciones de acetato de zinc con soluciones de 
hidróxido de sodio a temperatura ambiente, haciéndolas pasar a través de conductos que se 
entrelazan. Después del mezclado se forman los fluidos microsegmentados al utilizar un inyector 
que envía la poca cantidad de solución hacia unos tubos de PTFE enroscados a manera de bobina 
(diámetro interno de 1 mm y longitud de un metro) colocados dentro de un termostato que 
permite la aplicación de temperaturas de hasta 150°C. Este proceso se intensifica al incrementar la 
velocidad de flujo. Los resultados de este trabajo demostraron que se pueden obtener varias 
morfologías (Figura 1.13) variando la concentración, la proporción de los reactantes y la velocidad 
de flujo. 
 
Figura 1.13 Micropartículas de ZnO obtenidas bajo síntesis de microfluido con diferentes condiciones [18]. 
ANTECEDENTES Óxido de Zinc Generalidades 
19 
 
Wang et al. [24] obtuvieron también varias morfologías de partículas de ZnO con un tratamiento 
hidrotermal de una solución de acetato de zinc; se utilizaron como solventes agua desionizada, 
KOH y una solución de amoniaco. Se introdujo el tipo de solvente (26ml) en un autoclave con 
6.5ml de acetato de zinc (1.0M) a 200°C por 2h bajo agitación constante. Encontraron que la 
selección y la concentración de estos solventes cambian la morfología de los polvos obtenidos 
(Figura 1.14). 
 
Figura 1.14 Partículas de ZnO preparadas hidrotérmicamente a 200°C por 2h con (a) 0.50, (b) 2.00 M KOH; 
(c) 0.025, (d) 0.20 M amoniaco [24]. 
 
Chung-Hsin Lu et al. [13] utilizaron como precursor el nitrato de zinc disuelto en agua 
desionizada (0.5 M) y añadieron la solución de amoniaco para precipitar los cationes de zinc. Para 
remover y evitar la influencia de los aniones residuales de NO3
-1 en la formación del polvo de ZnO, 
los precipitados fueron filtrados y lavados repetidamente en agua desionizada, y secados a 55°C. A 
continuación se dio un tratamiento hidrotermal, el precipitado obtenido se disolvió en agua y se 
introdujo en un autoclave con una temperatura entre 100 y 200°C, un tiempo de 0.5 a 2h, bajo 
agitación mecánica. El pH del sistema de la reacción se ajustó con solución de amoniaco. Cuando 
el pH fue mayor a 11, todos los precipitados se disolvieron. Al final se obtuvo ZnO con una 
morfología de barras (Figura 1.15). 
 
Figura 1.15 Polvo de ZnO hidrotermalmente tratado a (a) 100°C, (b) 150°C, y (c) 200°C por 2 h [13]. 
ANTECEDENTES Óxido de Zinc Generalidades 
20 
 
Music et al. [38] intentaron estudiar los procesos que involucran la hidrólisis de Zn(NO3)2 en la 
presencia de NaOH a varios pHs y durante un tratamiento hidrotermal subsecuente de las 
suspensiones. El producto obtenido a bajos pHs (≈6) fue hidroxonitrato de zinc 
Zn5(OH)8(NO3)2(H2O)2 el cual es estable a temperatura ambiente por medio año y un poco más, 
pero se descompone en ZnO durante el tratamiento HT a 160°C. Sin embargo, la hidrólisis del 
nitrato de zinc a un pH≈13 directamente produce óxido de zinc. Belomestnykh et al. [39] 
establecieron que la composición de los productos sólidos de la reacción entre las soluciones 
acuosas del nitrato de zinc y amoniaco (ZnO, Zn5(OH)8(NO3)2(H2O)2, y Zn5(OH)9(NO3)(H2O)n) está 
determinada por el pH de la precipitación, la velocidad a la cual se añade el amoniaco acuoso a la 
mezcla de reacción, y los parámetros de lavado. La formación del hidróxido de zinc no fue 
observada en los trabajos citados, mientras que otros reportaron la formación de Zn(OH)2 
cristalino bajo condiciones similares [40]. 
Shaporev et al. [14] siguieron estudiando el efecto de los parámetros de precipitación en la 
composición de los compuestos resultantes de hidróxido de zinc, y analizaron el escenario de la 
formación de ZnO durante un subsecuente tratamiento hidrotermal y el efecto del historial del 
precursor en la actividad fotocatalítica del producto de polvo de ZnO. 
 
1.3.2 Aplicaciones 
Es un elemento clave en muchos procesos industriales incluyendo pinturas, cosméticos, 
farmacéuticos, plásticos, baterías, equipo eléctrico, hule, jabón, textiles, recubrimiento de pisos 
por nombrar algunos. Una de las industrias más importantes que usan óxido de zinc es la industria 
del hule. Casi la mitad del ZnO del mundo se usa como activador para los aceleradores de la 
vulcanización en el hule sintético o natural. La reactividad del ZnO es una función de su área 
superficial específica, pero también es influenciado por la presencia de impurezas como el plomo y 
los sulfatos. El ZnO también asegura una buena durabilidad del hule vulcanizado e incrementa su 
conductividad térmica. El contenido de ZnO en los hules vulcanizados es usualmente de 2 – 5%. 
En pinturas y recubrimientos, el óxido de zinc ya no es el principal pigmento blanco, aunque es 
usado por su magnífico color blanco por artistas. Se usa como aditivo en las pinturas exteriores 
para la preservación de maderas. También se usa en pinturas anticorrosivas y contrarrestan el 
crecimiento de microorganismos. En los fungicidas mejora su formación de películas, durabilidad y 
resistencia a hongos y moho (teniendo un efecto sinergético) debido a que reacciona con 
productos ácidos de oxidación y absorbe la radiación UV. Es un antiséptico. En las industrias 
farmacéuticas y cosméticas se usa en polvos y ungüentos debido a sus propiedades bactericidas. 
Otro aplicación es la de formar cementos dentales por su reacción con el eugenol. 
Se usa en el campo de los vidrios y esmaltes por su habilidad de reducir la expansión térmica, 
bajar el punto de fusión, incrementar la resistencia al ataque químico, modificar el brilloy mejorar 
la opacidad. Es la materia prima en muchos productos: estearatos, fosfatos, cromatos, bromatos, 
ditiofosfatos orgánicos y ferritas. Es una fuente de zinc en la alimentación de ganado, en la 
electrogalvanización y la desulfuración de gases. Es un catalizador de síntesis orgánicas (por 
ejemplo metanol), a menudo acompañado de otros óxidos. Está presente en la composición de 
algunos adhesivos. 
Se ha llegado a una etapa en la que los dispositivos de ZnO se harán más funcionales y exóticos, 
debido al enorme crecimiento tecnológico en su procesamiento como las nanoestructuras, capas 
epitaxiales, monocristales y nanopartículas. Las nanoestructuras incluyendo a los nano-cables y 
nano-barras tienen oportunidades para hacer pantallas planas; fuentes de emisión de campo; 
sensores de gas, químicos y biológicos; y como emisores de luz UV. 
ANTECEDENTES Óxido de Zinc Generalidades 
21 
 
Las capas epitaxiales y los monocristales serán importantes para el desarrollo de 
optoelectrónicos (emisores y detectores de luz azul y ultravioleta), dispositivos piezoeléctricos y 
espinotrónicos, y junto con el GaN podrán formar la fuente de luz del siglo XXI. El ZnO epitaxial 
también promete mucho como un semiconductor transparente de película delgada, que una vez 
más será importante para celdas solares, sensores de gas, pantallas y aplicaciones de selección de 
longitud de onda. Las tecnologías existentes también están siendo revolucionadas por las 
nanopartículas de ZnO, que ha llevado al desarrollo de pantallas solares mejoradas, pinturas y 
recubrimientos. El futuro en el cual los dispositivos de ZnO se hagan parte de nuestra vida diaria se 
aproxima cada vez más a la realidad [7, 8, 9]. 
 
Figura 1.16 Algunas aplicaciones del óxido de zinc. 
 
 Experimentación 
22 
 
EXPERIMENTACIÓN 
2.1 Características del Material Precursor (Reactivos) y Equipo 
Los reactivos utilizados en el proceso de síntesis fueron el nitrato de zinc y el hidróxido de 
amonio, cuyas características se muestran en la Tabla 2.1: 
 
Tabla 2.1 Reactivos empleados en la experimentación. 
Reactivo Fórmula Química Marca Comercial Pureza 
Nitrato de zinc hexahidratado Zn(NO3)2•6H2O Fermont 99.3% 
Hidróxido de amonio NH4OH Meyer Solución al 28.26% 
 
La composición del nitrato de zinc hexahidratado [Zn(NO3)2•6H2O] Fermont (Producto 41962-
500g) se especifica en la Tabla 2.2: 
 
Tabla 2.2 Composición del Zn(NO3)2•6H2O marca Fermont. 
Contenido Porcentaje en Peso 
Zn(NO3)2•6H2O 99.3% 
Materia insoluble 0.004% 
Cloruro (Cl) 0.001% 
Sulfato (SO4) 0.003% 
Hierro (Fe) 0.0004% 
Álcalis y tierras alcalinas 0.005% 
Cobre (Cu) 0.0001% 
Plomo (Pb) 0.004% 
 
Para comenzar la síntesis, se preparó una solución de nitrato de zinc con agua desionizada, para 
que estequiométricamente correspondiera a 25 g/L de ZnO. 
 
 
 
 
 
 
 
 
Los cálculos indican que para obtener 25 g/L de óxido de zinc se deben diluir 91.33 g de nitrato 
de zinc en un litro de agua, a su vez esta cantidad disuelta corresponde a una concentración de 
0.307M. 
Se realizaron ocho síntesis, todas fueron elaboradas a partir de 250 mL de nitrato de zinc 0.3 M 
que posee una apariencia transparente como el agua. De ahora en adelante se utilizará la 
nomenclatura P1, P2, P3 y así sucesivamente hasta llegar a P8 para referirse a las 
experimentaciones. 
Antes de efectuar las primeras cuatro precipitaciones (P1-P4), se depositaron 1000 mL de la 
solución de nitrato de zinc 0.3 M en un matraz de bola de fondo plano con capacidad para 1L y se 
calentó hasta aproximadamente 100°C por 6 horas bajo agitación constante (se introdujeron 
pequeños agitadores magnéticos). El sistema se armó como se muestra en la Figura 2.1. Un 
condensador o “serpentín” se colocó para evitar que el agua de la solución se evaporara. El 
 Experimentación 
23 
 
condensador se conectó por medio de mangueras de látex a una pequeña bomba sumergible que 
recirculaba el agua depositada en un contenedor para este propósito. 
 
Figura 2.1 Sistema empleado en las experimentaciones. 
 
Este calentamiento se hizo con el objetivo de comprobar si aparecía una fase que contuviera a la 
especie de Zn al elevar la temperatura cerca de 100°C como ocurriría en el caso de la síntesis 
hidrotérmica de óxido de zirconio, en la que a partir del calentamiento de la simple solución 
acuosa que contiene a la sal metálica de zirconio se obtiene el precursor de la zirconia [12]. 
Sin embargo, no se formó precursor alguno de zinc y la solución permaneció sin cambios a 
diferencia de la síntesis hidrotérmica del óxido de zirconio. 
Estos 1000 mL de solución de nitrato de zinc se reutilizaron para elaborar las precipitaciones P1, 
P2, P3 y P4 tomando 250 mL para cada una. 
Las primeras dos (P1 y P2) siguieron un procedimiento distinto al resto para observar la 
influencia de la ausencia de temperatura y un tiempo de reposo después de agregar el hidróxido 
de amonio. 
 
2.2 Marcha Experimental 
2.2.1 Preparación de P1 y P2 
1) Se depositaron 250 mL de nitrato de zinc 0.3M en un vaso de precipitados y se procedió a 
agregar por goteo el hidróxido de amonio al 28% con una bureta de titulación bajo 
agitación constante y a temperatura ambiente. El goteo se mantuvo lento y constante. 
 
Para P1 se agregaron 50 mL de hidróxido de amonio y para P2 75 mL para observar la influencia 
de la cantidad de NH4OH en la precipitación. 
Conforme se agregaba el hidróxido a la solución se podía apreciar la aparición de un precipitado 
blanco que se diluía bajo la agitación constante. 
 
 Experimentación 
24 
 
2) La solución 0.3 M del nitrato de zinc más el hidróxido de amonio se dejó reposar por 40 
días. 
Al cabo de este tiempo, la fase blanca que se había diluido bajo agitación constante comenzó a 
precipitarse de nuevo, principalmente en la superficie del líquido a manera de cubierta, como se 
ve en la Figura 2.2. 
 
Figura 2.2 Fase blanca precipitada durante los 40 días de reposo de P1 y P2. 
 
3) Se forzó la filtración de la fase blanca con una bomba de vacío como se ilustra en la Figura 
2.3 a. 
 
4) Para evitar la influencia de los aniones NO3
-1 en la formación del polvo de ZnO, los 
precipitados fueron lavados con agua desionizada y luego con alcohol etílico [13]. 
 
5) A continuación se colocó el material obtenido en una caja petri y se secó al aire en la 
parrilla de calentamiento a 100ºC por 5 horas como se ve en la Figura 2.3 b. 
 
Figura 2.3 (a) Filtración del producto; (b) Secado del producto. 
(a) (b) 
 Experimentación 
25 
 
El procedimiento que se siguió para las experimentaciones de P1 y P2 se aprecia mejor en el 
esquema de la Figura 2.4: 
 
Figura 2.4 Esquema ilustrativo de las experimentaciones P1 y P2. 
 
2.2.2 Preparación de P3 y P4 
1) Se depositaron 250 mL de nitrato de zinc 0.3M en un vaso de precipitados y se procedió a 
agregar el hidróxido de amonio al 28% con una bureta de titulación bajo agitación 
constante y a temperatura ambiente. El goteo se mantuvo lento y constante. 
Para P3 y P4 se agregaron 100 mL de hidróxido de amonio. El hecho de incrementar la cantidad 
de NH4OH provoca que el pH se eleve y a su vez aumentan las posibilidades de obtener 
directamente un polvo de ZnO [13]. De igual forma, conforme se agrega el hidróxido a la solución 
se puede notar la aparición de un precipitado blanco que se diluye bajo la agitación constante. 
 
2) En los casos de P3 y P4, la solución 0.3 M del nitrato de zinc más el hidróxido de amonio 
no se dejó reposar, sino que inmediatamente se colocó en la parrilla a una temperatura 
aproximada de 100°C para acelerar la formación de las partículas de ZnO [13]. Esto se hizo 
bajo agitación constante. 
La diferencia radica en que P3 se dejó por un tiempo de 6 horas y P4 durante 21 horas. 
 
3) Se forzó la filtración del precipitado con una bombade vacío. 
 Experimentación 
26 
 
El producto que se obtuvo para ambas experimentaciones tenía un color verde característico 
como se ilustra en la Figura 2.5. 
 
Figura 2.5 Precipitado verde obtenido como producto de P3 y P4 
 
4) Los precipitados fueron lavados con agua desionizada y luego con alcohol etílico. 
 
5) Se colocó el material obtenido en una caja petri y se secó al aire en la parrilla de 
calentamiento a 100°C por 5 horas. 
El procedimiento de P3 y P4 se ilustra mejor en la Figura 2.6: 
 
Figura 2.6 Esquema ilustrativo de las experimentaciones P3 y P4. 
 Experimentación 
27 
 
2.2.3 Preparación de P5 y P8 
Para estas experimentaciones, la cantidad de solución de nitrato de zinc empleada fue preparada 
individualmente durante cada corrida, se midió el pH antes y después de agregar el agente 
precipitante (NH4OH) y la única variable fue el tiempo. 
1) Se depositaron 250 mL de nitrato de zinc 0.3M en un vaso de precipitados y se procedió a 
agregar 125 mL de hidróxido de amonio al 28% con una bureta de titulación bajo agitación 
constante y a temperatura ambiente, incorporando un medidor de pH al sistema como se 
muestra en la Figura 2.7. El goteo se mantuvo lento y constante. 
Conforme se agregaba el hidróxido a la solución se podía apreciar la aparición de un precipitado 
blanco que se diluía bajo la agitación constante. 
 
Figura 2.7 Sistema más medidor de pH empleado en las experimentaciones P5-P8. 
 
2) La solución 0.3 M del nitrato de zinc más el hidróxido de amonio se colocó en la parrilla a 
una temperatura aproximada de 100°C y bajo agitación constante. 
Se mantuvo esta temperatura durante 5 horas para P5, 4 horas para P6, 3 horas para P7 y 2 
horas para P8. De esta forma se comprobaría si con menor tiempo se podría obtener directamente 
un polvo de ZnO. 
3) Se forzó la filtración del precipitado con una bomba de vacío. 
El producto era en apariencia semejante al obtenido en P3 y P4 (color verde característico) 
 
4) Los precipitados fueron lavados con agua desionizada y luego con alcohol etílico. 
 
5) Se colocó el material obtenido en una caja petri y se secó al aire en la parrilla de 
calentamiento a 100°C por 5 horas. 
 Experimentación 
28 
 
Después del procedimiento, la solución remanente adquiría un pH entre 7 y 8. El procedimiento 
de P5 a P8 se ilustra mejor en la Fig 2.8. 
 
Figura 2.8 Esquema ilustrativo de las experimentaciones P5 a P8. 
 
 
La Tabla 2.3 resume los parámetros relevantes que determinaron la marcha experimental para 
cada muestra. 
 
 
 Experimentación 
29 
 
Tabla 2.3 Identificación de la marcha experimental para cada muestra. 
Identificación 
de muestra 
Cantidad 
NH4OH [mL] 
Tiempo de 
reposo [días] 
Temperatura 
[°C] 
Tiempo de 
envejecimiento [h] 
P1 50 40 ---- ---- 
P2 75 40 ---- ---- 
 
P3 100 ---- 100 6 
P4 100 ---- 100 21 
 
 
P5 125 ---- 100 5 
P6 125 ---- 100 4 
P7 125 ---- 100 3 
P8 125 ---- 100 2 
 
Para todas las experimentaciones, durante la precipitación se ocuparon 250 mL de la solución de 
Zn(NO3)2 con una concentración de 0.3 M. El NH4OH se añadió lentamente por goteo y siempre 
bajo agitación. El tiempo de reposo, se refiere al lapso en el que las precipitaciones P1 y P2 
(mezcla de Zn(NO3)2 y NH4OH) se dejaron a temperatura ambiente sin agitación. Y el tiempo de 
envejecimiento es la duración mediante la cual, las precipitaciones fueron sometidas a la 
temperatura referida (100°C), bajo agitación constante. Al final todas fueron filtradas y los polvos 
obtenidos fueron lavados con agua destilada y alcohol etílico. El secado se hizo a 100°C durante 5 
horas. 
 
2.3 Equipo Empleado en la Caracterización de Muestras 
 
Figura 2.9 Difractómetro Bruker Axs D8 Focus. 
 
Las muestras se analizaron con calorimetría, utilizando un calorímetro TA Instruments SDT 
Q600/2960 (Figura 2.10) empleando crisoles de alúmina hasta una temperatura de 800°C con una 
velocidad de calentamiento de 15°C/min. 
Para cada análisis se utilizaron dos crisoles de alúmina con sus respectivas tapas, uno de los 
cuáles serviría como referencia detectando las variaciones del peso conforme se suministrara calor 
La caracterización de fases de las muestras del 
polvo obtenido se realizó por medio de la técnica 
de difracción de rayos X con un difractómetro 
Bruker Axs D8 Focus (Figura 2.9) con una fuente 
de radiación Cu Kα, operado a 30 kV y 40 mA con 
un rango de 30 a 85°, un tamaño de paso de 
0.017° y una velocidad de rotación 10°/min. Para 
una mejor apreciación, la información arrojada 
por los resultados se presenta en dos grupos: las 
primeras cuatro experimentaciones y las últimas 
que poseen el mismo historial de procesamiento 
con la variable del tiempo de calentamiento. 
 
 Experimentación 
30 
 
y el otro contendría a la muestra, tal como se aprecia en la Figura 2.11. Se abre la cámara del 
horno y los crisoles se colocan sobre unas lanzas que funcionan como detectores sensibles de 
peso, en el extremo opuesto a la entrada del horno se encuentra un termopar que registra las 
variaciones de temperatura. Para las ocho experimentaciones se tomó una mínima cantidad de 
muestra, aproximadamente 25 mg. 
 
Figura 2.10 Calorímetro TA Instruments SDT Q600/2960. 
 
 
Figura 2.11 Preparación de muestras en el calorímetro. 
 
 
Continuando con la caracterización, la morfología y el tamaño de partícula de los polvos se 
examinó con microscopía electrónica de barrido (MEB). Se utilizó un microscopio Quanta 3D FEG 
(marca FEI) que incluye tres detectores de electrones secundarios (SE) optimizados para el uso en 
 Experimentación 
31 
 
los diferentes modos de operación: alto vacío (HV), bajo vacío (LV) y modo ambiental (ESEM) así 
como un detector de electrones retrodispersados (BSE) de estado sólido. 
Las imágenes de microscopía electrónica se realizaron empleando un alto vacío (HV), un voltaje 
de 5 kV y una distancia de trabajo de 10.3 mm. Para las observaciones del microscopio, sobre los 
portamuestras se colocó una cinta de papel grafito adherible y los polvos se distribuyeron 
uniformemente sobre ésta (Figura 2.12). 
 
Figura 2.12 Preparación de muestras P1, P5, P6 y P8 para observaciones en el microscopio electrónico de 
barrido. 
 
 Resultados y Discusión 
32 
 
RESULTADOS Y DISCUSIÓN 
3.1 Difracción de Rayos X 
Los difractogramas de las experimentaciones P1, P2, P3 y P4 (Figura 3.1) muestran a un material 
compuesto por una sola fase que corresponde al óxido de zinc con una estructura cristalina 
hexagonal (Carta PDF No. 36-1451). Los picos de difracción son claros y revelan que este tipo de 
procesamiento produce directamente al óxido metálico sin la necesidad de aplicar un tratamiento 
térmico (calcinación). El proceso de lavado fue el adecuado para remover impurezas del polvo 
obtenido, ya que no se aprecia la presencia de otras fases. Sin embargo, en los difractogramas de 
P1 y P2 (precipitación con un tiempo de reposo) se observan pequeños picos, casi imperceptibles, 
en 33° y 58° que no corresponden al óxido de zinc, esta característica puede ser un indicio de que 
el tiempo de reposo durante el procedimiento de estas experimentaciones no conlleva a la 
elaboración directa del polvo, sino que éste se compone de óxido de zinc más hidróxido de zinc 
[ZnO + ε-Zn(OH)2 (wulfingita)] [14]. 
 
Figura 3.1 Patrones de difracción de rayos X de las muestras P1, P2, P3 y P4 después del lavado y secado del 
polvo. 
Wulfingita (ε-Zn(OH)2) 
 Resultados y Discusión 
33 
 
Para el último grupo de experimentaciones (P5-P8), los difractogramas se ven idénticos a simple 
vista (Figura 3.2), lo que significa que todas las muestras se convierten en polvo de óxido de zinc 
con una bien desarrollada cristalinidad. 
La repetición del mismo patrón revela que el polvo de óxido de zinc fue sintetizado directamente 
durante el procesamiento y sin calcinación, a diferencia del trabajo realizado por Music et al., en el 
que se utilizó urea como agente precipitante