Espinelas

Espinelas

Son óxidos de fórmula ideal AB2O4, donde A es un catión divalente y B es un catión trivalente. El óxido MgAl2O4, la espinela, da nombre a esta familia de compuestos. Cuando en una red de iones óxido existe másde un tipo de ión, o el mismo en diferentes estados de oxidación, tenemos los denominados óxidos mixtos.

La estructura de la espinela se puede describir como un empaquetamiento cúbico compacto de oxígenos con los iones Mg ocupando 1/8 de las posiciones tetraédricas y los iones Al en 1/2 de las posiciones octaédricas:

La celda tiene iones A(II) en una disposición cúbica centrada en las caras (en los vértices y en los centros de las caras). Dentro de ese cubo se encuentran ocho cubos mas pequeños; cuatro de ellos constan de tetraedros AO4 y los otros cuatro cubos tienen iones B(III) y O(-II) en los vértices, formando unidades B4O4. Estas unidades AO4 y B4O4 se distribuyen en la celda de manera simétrica.

Espinelas

Pertenecen a una clase de óxidos complejos que presentan las fórmulas químicas AB2O4 en las cuales los iones de A son generalmente cationes bivalentes que ocupan sitios tetraédricos y los iones de B son cationes trivalentes en sitios octaédricos. (Bivalentes: Mg, Fe²+, Mn²+, Zn y trivalentes: Fe³+, Al, Cr³+), está constituida esencialmente por una serie de iones oxígeno situados en los vértices de una subred cúbica centrada en las caras (FCC) grupo espacial Fd3m. [6]

Clasificación de espinelas

Espinelas normales. [A]t[B2]oO4.

Ejemplos: MgAl2O4; FeAl2O4; MnAl2O4; ZnAl2O4; MgCr2O4; FeCr2O4. Los iones di y tripositivos pueden corresponder al mismo elemento como en el caso de Mn3O4, Co3O4. [7]

Espinelas inversas. [B]t[A,B]oO4.

Ejemplos: Fe3O4; MgFe2O4; NiFe2O4; CuFe2O4. [7]

Espinelas mixtas. [A1-x Bx]t[AxB1-x B]oO4.

Ejemplo: MnFe2O4

Además de las anteriores espinelas con óxidos mixtos de iones A(II), B(III) existen otras con iones con cargas diferentes:

· A(IV), B(II) Ejemplo Zn2TiO4.

· A(VI), B(I)

Estructura

En cada celda unidad hay el mismo número de sitios octaédricos como de iones de oxígeno, es decir, 32 y dos veces la cantidad de sitios tetraédricos, es decir, 64. Sin embargo, no todo allí puede ser ocupado.

Los cationes de A2+ y de B3+ se insertan en el arreglo en una forma permitida llenando la mitad de las posiciones octaédricas disponibles y una octava de las posiciones tetraédricas disponibles. Esto significa que hay 8 sitios tetraédricos ocupados y 16 sitios octaédricos ocupados en una celda unidad.

En principio hay dos tipos de arreglos en las espinelas, si los 8 cationes A2+ se sitúan en los intersticios tetraédricos permitidos en la celda unidad y que los 16 cationes B3+ se sitúen en los huecos octaédricos permitidos en la celda unidad, a esta estructura se le llama “espinelas normales” (A)[B2]O4, en el segundo arreglo los 8 cationes A2+ se sitúan ocupando la mitad de los huecos octaédricos permitidos y la otra mitad es ocupado por 8 cationes B3+ en la celda unidad, el resto de los cationes B3+ se sitúan en los intersticios tetraédricos permitidos en la celda unidad, a esta estructura se le conoce como “espinelas inversas” (A)[AB]O4.

Pero la realidad es que las espinelas rara vez tienen una estructura exacta de las espinelas normales y las espinelas inversas, para describirlas se utilizan aproximaciones usando el parámetro λ, denominado factor de inversión, para indicar la fracción de huecos tetraédricos ocupados por los cationes B3+.

En las “espinelas mixtas”, aquí la distribución de los cationes dependerá de algunos parámetros como es la temperatura, y el factor de ocupación de los cationes B3+, son pocas las espinelas naturales entre ellas MgAl2O4 y FeFe2O4 (Magnetita), el resto son generalmente sintetizadas por el hombre, entre ellas la mayoría del resto de las ferritas.

FERRITAS

Definición

Entre las más comunes formaciones rocosas y minerales, para los estudios del magnetismo, se encuentran las ferritas las cuales en su mayoría son espinelas inversas de formula AFe2O4, en la espinela inversa los iones A ocupan huecos octaédricos y los Fe³+ están repartidos al 50% entre huecos octaédricos y tetraédricos. Entre las ferritas mas comunes están las ferritas hexagonales, los granates y las ferritas cúbicas. [9]

Propiedades magnéticas

Las ferritas cúbicas poseen la estructura de espinela, estas pueden tener la configuración de “espinela normal” o “espinela inversa”, aquellas que poseen estructura de espinela normal son antiferromagnéticas, donde el momento magnético de spin de los huecos octaédricos se anulan; entre ellas se encuentran la ferrita de cinc y cadmio (A2+−)[Fe23+↑↓]O4, las que poseen estructura de espinela inversa son ferrimagnéticas, el ferrimagnetismo es un termino propuesto por Louis Néel, el sugirió que un momento magnético de spin en un sitio tetraédrico esta alineado de forma antiparalela a un momento magnético de spin en un sitio octaédrico.

Donde la magnetización total es dada por la diferencia en las magnetizaciones de los cationes en los dos sitios, donde el momento magnético de spin de B = Fe3+ se anulan entre sí y no contribuyen a la magnetización del sólido. Todos los cationes de A2+ tienen sus momentos magnéticos alineados en la misma dirección y su momento total es el responsable de la magnetización neta del material. Por consiguiente, la magnetización de saturación de un sólido ferrimagnético puede ser calculada a partir del producto del momento magnético del espín de cada catión A2+ y el número de cationes de A2+, donde se encuentran ferritas como magnesio, manganeso, cobre, níquel, hierro, entre otros; (Fe3+↓)[A2+↑Fe3+↑]O4.

Algo particular en las ferritas de estructura de espinela inversa, es que se puede aumentar la magnetización de saturación sustituyendo de forma parcial los sitios tetraédricos donde se encuentra los cationes Fe3+ por cationes Zn2+, el Zn2+ no es magnético, como resultado la magnetización de saturación aumentara ya que ahora el momento magnético de spin de los huecos octaédricos Fe3+ se suma a la de los cationes A2+ de los huecos octaédricos, sin embargo a un 40 % de sustitución, la magnetización de saturación comienza a decaer.

Obtención

En la actualidad, la preparación de las ferritas se realiza a través de un procesamiento cerámico que generalmente está basado en una reacción en estado sólido, partiendo de óxidos. Este método involucra la molienda fina de los óxidos, seguida de un conformado y una sinterización final a alta temperatura (1300ºC), en la cual se emplean como materiales de partida el oxido de hierro Fe2O3 y el carbonato de otros cationes deseados en la ferrita, de acuerdo con las siguientes reacciones:

Fe2O3 + MO → MFe2O4 (1)

Fe2O3 +MCO3 → MFe2O4 + CO2 ↑ (2)

Esta sintesis tiene el inconveniente de que se lleva a cabo a temperaturas entre 1000ºC y 1400 ºC, en tiempos de reaccion no menos de 12 horas, en atmosferas controladas de oxigenos o nitrogenos puros, dependiendo de la composición deseada. Este metodo no es el ideal para muchos casos, ya que las ferritas obtenidas no tienen las caracteristicas deseadas como son, el tamaño de particula, alta pureza, composicion, estequiometria conocida. Las ferritas pueden ser obtenidas ademas por otros metodos como: activación mecanoquímica, coprecipitacion Sol - gel; Secado en spray y Secado en frio. [9]

Usos y aplicaciones de las ferritas

Las ferritas pueden ser utilizadas en diversos campos industriales, por ejemplo en Japón en el año de 1960 la producción era alrededor de 3000 toneladas por año y ya en 1995 alcanzaba valores de 12900 toneladas. En 1971, en la obtención de ferritas cuaternarias de manganeso y zinc, pero no tuvieron gran aceptación hasta 1977, cuando se obtuvieron con una alta pureza y homogeneidad, así como una mejorada microestructura. [9]

Existen dos grandes ámbitos de aplicación de las ferritas, el primero de ellos está estrechamente relacionado con la tecnología de microondas. Existe una creciente demanda del mercado de dispositivos de procesado de señales en sistemas de radar y en aparatos de comunicación y consumo doméstico. La tecnología de microondas se desplaza progresivamente hacia frecuencias más altas y mayores anchos de banda. En este terreno es esencial disponer de materiales no conductores para asegurar la total penetración de los campos electromagnéticos evitando interferencias y absorciones no deseadas. Los óxidos ferrimagnéticos combinan las propiedades de un material magnético con las de un aislante eléctrico y se presentan como una excelente opción debido a su muy alta resistencia específica, una remarcable flexibilidad a la hora de modular sus propiedades magnéticas, su relativa facilidad de obtención y un interesante precio de coste. [10]

Las ferritas presentan un comportamiento no-recíproco, es decir existe una marcada anisotropía de las propiedades eléctricas, como por ejemplo la constante dieléctrica, en función de la dirección de propagación de la onda. Esta peculiaridad divide a los dispositivos de microondas en dos clases, aquellos en que esta anisotropía juega un papel esencial para su funcionamiento (dispositivos no-recíprocos) y el resto. [10]

Como

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