miércoles, 8 de enero de 2014

Pigmentos inorgánicos, los colores de la naturaleza


Siempre intento transmitiros el por qué de las cosas desde un punto de vista científico. Muchas de las entradas que os escribo, me obligan a mi mismo a buscar el fundamento teórico porque no son campos que domine o de los cuales esté familiarizado.

Hoy me gustaría escribir sobre aquello a lo que me dedico y por lo que creo que también puede ser interesante.

Mi especialidad es la química inorgánica cerámica. Me dedico al estudio, control y desarrollo de materiales cerámicos y más concretamente a los materiales cerámicos para la decoración.
Dentro de los materiales cerámicos que podríamos considerar, de manera general, los que están compuestos por una estructura de alumino-silicatos. Me dedico a los pigmentos.

Un pigmento es el "colorante" de la cerámica.
Se trata de una estructura cristalina formada por óxidos inorgánicos que albergan en su interior cromóforos (colorantes) de metales de transición. Los pigmentos deben cumplir dos caracteríticas:

1- Estables a altas temperaturas
2- Estables en medios agresivos (esmaltes fundidos)

Deben ser estables a altas temperaturas porque deben soportar las temperaturas de cocción de las piezas cerámicas. Un rango de 1000-1250ºC aproximadamente.

Los metales de transición, son aquellos que encontramos en la zona central de la tabla periódica de los elementos.


imagen 1. Tabla periódica de los elementos

Una de las principales características que presentan los metales de transición, es que muestran color. Como ya vimos en anteriores posts, estos es debido a las transiciones de energía entre niveles.

En función del tipo de cromóforo y de la estructura, el pigmento mostrará un color u otro. Puede darse el caso de que dos pigmentos con el mismo cromóforo o cromóforos pero distinta estructura presenten diferentes colores. Y a la inversa, misma estructura pero diferente cromóforo.  Por tanto es un compromiso entre estas dos variables la que define el color.

El proceso de obtención de un pigmento es sencillo a la par que complicado. Sencillo, ya que tan solo requiere la calcinación a elevada temperatura de una fórmula determinada de óxidos. Pero complicado, ya que un proceso a elevadas temperaturas conlleva un riesgo. 
Concretamente, las variables a tener en cuenta son muchas ya que a altas temperaturas pueden producirse reacciones secundarias que deriven en productos no deseados.

Es por tanto importante definir bien la fórmula, controlar el tamaño de partícula de los óxidos, la temperatura de reacción y la atmósfera.

La reacción de formación del pigmento se produce por contacto, por lo que el tamaño de partícula es importante. Cuanto menor es el tamaño de partícula, mayor es la superficie específica y por tanto reaccionarán dos partículas con mayor facilidad.
Decía que la temperatura de reacción hay que tenerla en cuenta. Pero no sólo la temperatura máxima que se debe alcanzar, también es importante el tiempo que va a tardar en llegar a esa temperatura y el tiempo de residencia. Es decir, el tiempo que vamos a estar manteniendo al máximo.

Cuando hablamos de atmósfera nos referimos al volumen que queda libre en el horno. En esta zona circulan los gases de descomposición de los óxidos y/o el aire. Algunos pigmentos necesitan que la atmósfera sea concreta para que en función de ello, el cromóforo presente una forma u otra. 
Existen reactivos de nombre mineralizadores que facilitan que se generen atmosferas.

Un cromóforo tiene estados de oxidación, es decir, vacantes de electrones en su estructura. 
En función  del estado de oxidación puede producirse una coloración u otra. Un ejemplo ilustrativo sería el Cromo (símbolo químico Cr).
El cromo (Cr) presenta, mayoritariamente, dos estados. El Cr+3 y el Cr+6 (los estados de oxidación se representan por el número y por un símbolo +/-)
El Cr con estado de oxidación 3 (+3) presenta un color Verde.
El Cr con estado de oxidación 6 (+6) presenta un color Amarillo-naranja. 
El óxido de cromo con estado de oxidación 2 (+2) presenta un color negro.

 Las atmósferas nos permiten reducir u oxidar los metales de transición y "dejarlos" en el estado de oxidación que más nos convenga.

Podemos encontrar muchas clasificaciones de pigmentos, una que a mi particularmente me gusta mucho es la siguiente que se basa en la posición del cromóforo en la estructura,


1-Pigmentos ocluidos. Son aquellos en los que el colorante se encuentra encapsulado, aislado. De modo que la coloración rinde siempre y cuando el cromóforo se mantenga inalterado. Cualquier modificación estructural que lo exponga conllevará una modificación en el tono o incluso la perdida total del color. Un ejemplo serían los pigmentos rojos donde el Selenio y el Cadmio se encuentran encapsulados.


2- Pigmentos idiocromáticos. Son aquellos donde los cromóforos son los componentes principales. Tienen una alta concentración de los centros de color por volumen de unidad. De modo que aunque sean degradados o modificados siguen manteniendo una elevada concentración y por tanto el poder colorante se mantiene. Un ejemplo serian las espinelas.


3- Pigmentos alocromáticos. Son aquellos donde el cromóforo aporta el color a una estructura de por sí incolora. De modo que aunque los iones colorantes no se encuentran encapsulados, ni son parte de la estructura, una modificación del pigmento provocaría una cierta perdida de coloración. Un ejemplo serian las estructuras circonato (incoloras) con cromóforos de praseodimio. Obteniéndose un color amarillo.

Algunos ejemplos de pigmentos cerámicos con su estructura y cromóforos responsables del color puede ser:

Azul
Amarillo
Marrón
Estructura Cromóforo Estructura Cromóforo Estructura Cromóforo
Espinela Cobalto (Co) Circonato Praseodimio (Pr) Espinela Hierro (Fe)Cromo (Cr)

Los pigmentos sirven para colorear esmaltes que son usados para decorar las piezas cerámicas. Por tanto, en la mayoría de casos es necesario reducir su tamaño para adecuarlo a las mezclas. Así pues, tal y como hemos visto en la clasificación, la reducción en el tamaño puede ser crítica para el rendimiento de color en función al tipo de pigmento del que se trate.

Espero que este pequeño resumen sobre los pigmentos cerámicos os haya servido para conocer un poco más sobre nuestro trabajo y sobre a que es debido el color que se observa en las baldosas y revestimiento cerámico.