ا الزركونيوم، الرمز Zr ، العدد الذري 40 ، هو عنصر كيميائي ينتمي إلى المجموعة 5 من الجدول الدوري. تتميز بمقاومتها الكبيرة للتآكل ، فضلاً عن الاستقرار الحراري الجيد.
العنصر كيميائيا مشابهة جدا ل الهافنيومولهذا السبب ، تحتوي كل عينة طبيعية من الزركونيوم على محتوى صغير من الهافنيوم. وهي وفيرة في قشرة الأرض ، وتحتوي على نسبة أعلى بكثير من العناصر المستخدمة على نطاق واسع مثل النحاس والزنك والرصاص.
الزركونيوم له تطبيق واسع في الصناعة النووية، حيث أن امتصاصه المنخفض للنيوترونات يجعله طبقة ممتازة للوقود الغني بثاني أكسيد اليورانيوم. بالإضافة إلى ذلك ، نظرًا لأنه يعتبر غير سام ومتوافق حيويًا للغاية ، يستخدم الزركونيوم في الأطراف الصناعية والغرسات الجراحية.
اقرأ أيضا: اليورانيوم - عنصر ذو أهمية كبيرة لتوليد الطاقة
ملخص عن الزركونيوم
الزركونيوم هو فلز تنتمي إلى المجموعة 5 من الجدول الدوري.
يظهر دائمًا في الطبيعة مع محتوى صغير من الهافنيوم ، لأن هذه العناصر متشابهة جدًا كيميائيًا.
الزركونيوم والبادليت هما الخامات الرئيسية للزركونيوم.
الفصل بين الزركونيوم والهافنيوم صعب للغاية.
الزركونيوم لديه مقاومة جيدة للتآكل ومقاومة درجات الحرارة العالية.
يمكن استخدامه في زراعة الأسنان والأطراف الاصطناعية الأخرى ، حيث إنه غير سام وله توافق مع الحياة بدرجة عالية.
تستخدم الصناعة النووية الكثير من الزركونيوم.
تم اكتشاف العنصر في عام 1789 من قبل العالم الألماني مارتن كلابروث.
خصائص الزركونيوم
رمز: Zr.
العدد الذري: 40.
الكتلة الذرية: 91.224 متر مكعب
كهرسلبية: 1,33.
نقطة الانصهار: 1855 درجة مئوية.
نقطة الغليان: 4409 درجة مئوية.
كثافة: 6.52 جم-3 (عند 20 درجة مئوية).
التكوين الإلكترونية: [كر] 5 ث2 4 د2.
سلسلة الكيمياء: المجموعة 4 ، معادن انتقالية.
ملامح الزركونيوم
الزركونيوم ، في شكله المعدني ، هو أ معدن رمادي والتي تتمتع بمقاومة جيدة للتآكل ، ويرجع ذلك أساسًا إلى طبقة ZrO2 التي تتشكل حولها ، وتحمي الكتلة المعدنية الداخلية. ومع ذلك ، إذا تم تقسيم الزركونيوم بشكل جيد ، يكون شديد الاشتعال ، أي أنه يمكن أن يشتعل تلقائيًا عند ملامسته للهواء ، خاصة في درجات الحرارة المرتفعة.
كيميائيًا ، الزركونيوم قريب جدًا من الهافنيوم ، لأسباب ليس أقلها أن العناصر تتواجد معًا في الطبيعة. لذلك ، مثل الهافنيوم والزركونيوم لا يعاني من هجمات كيماوية الأحماض مخفف (باستثناء HF) ما لم يتم تسخينها. المحاليل القلوية ليست فعالة للغاية مع الزركونيوم ، حتى في درجات الحرارة المرتفعة.
في أنظمة درجات الحرارة العالية ، الزركونيوم لديه القدرة على التفاعل مع معظم اللافلزات. عند التفاعل ، يمكن ملاحظة أن مركبات الزركونيوم ذات رقم الأكسدة +4 هي الأكثر استقرارًا ، كما هو الحال بالنسبة لـ ZrO2 أو ZrCl4. حالات الأكسدة المنخفضة ، مثل +3 ، تكون أقل استقرارًا ، وهي تختلف عن التيتانيوم، أخف عنصر في المجموعة 4 ، والذي يتمتع باستقرار جيد مع هذا الحمل.
أين يمكن أن يوجد الزركونيوم؟
من بين عناصر d-block في الجدول الدوري ، يحتل الزركونيوم المرتبة الرابعة من حيث وفرة حديدوالتيتانيوم و المنغنيز. انهم موجودين اكثر من 30 الخامات التي لديوم الزركونيوم في دستوره. من بين أشهرها وأهمها الزركونيت (المعروف أيضًا باسم الزركون) و ZrSiO4 و baddeleyite (أو baddeleite) و ZrO2. تم العثور على Baddeleyite في البرازيل.
البلدان التي لديها أكبر احتياطيات من الزركونيوم هي أستراليا وجنوب إفريقيا وموزمبيق. ومع ذلك ، فإن أكبر المنتجين هم الصين وفرنسا والهند وروسيا وألمانيا والولايات المتحدة.
ومن المثير للاهتمام ، الزركونيوم تم العثور عليها بكثرة في البعض النجوم. تم تحديد العنصر في ملف الشمس وفي النيازك. أثبتت العينات القمرية التي تم الحصول عليها من خلال بعثات أبولو أنها تحتوي على نسبة عالية من ZrO2 في هذه الصخور بالمقارنة مع الصخور الأرضية.
نرى أيضا: الذهب - معدن نبيل يتميز بتوصيله الكهربائي الجيد
الحصول على الزركونيوم
الزركونيوم يحدث بشكل طبيعي مع الهافنيوم، دائمًا بمحتوى العنصر الثاني الذي يتراوح من 1 إلى 3٪ بالكتلة. على الرغم من قلة محتواها ، إلا أن الفصل بين الاثنين صعب للغاية.
بشكل عام ، تُستخدم عملية كرول لاستخراج الزركونيوم. في هذه العملية ، فإن ZrO2 يتم تحويل الخامات الموجودة في الخامات ، عند درجة حرارة عالية ، إلى ZrCl4. بهذه الطريقة ، يمكن الحصول على الزركونيوم باستخدام المغنيسيوم كمختزل. ردود الفعل التالية توضح العملية.
ZrO2 → ZrCl4 (باستخدام CCl4 عند درجة حرارة 770 كلفن)
زركل4 → Zr (باستخدام المغنيسيوم في الغلاف الجوي العربي عند درجة حرارة 1420 كلفن)
ومع ذلك ، فإن التشابه الكيميائي الكبير بين Zr و Hf يعني أن الهافنيوم يبقى في النظام النهائي كشوائب ثابتة. وبالتالي ، فمن الضروري استخدام التقنيات المعدنية للفصل بين Zr و Hf. تطور الصناعة بالفعل طرق استخلاص المعادن من المعادن (أي التي تحدث في محلول مائي) وطرق استخلاص المعادن من الفلزات الحرارية (بدون وجود الماء).
تقنية المعالجة المعدنية المائية هي التبلور الجزئي لأملاح K.2ZrF6 وك2HfF6، والتي ليس لها نفس القابلية للذوبان في الماء. تقنية الحل الأخرى هي الاستخلاص بالمذيبات ، حيث يتم إذابة مركبات Zr و Hf. في الماء ثم يتم استخلاصها بشكل انتقائي باستخدام المذيبات العضوية مثل ميثيل أيزوبوتيل كيتون و تحية. نظرًا لصعوبة الفصل ، يتم تسويق الزركونيوم التجاري عادةً بمحتوى يتراوح من 1 إلى 3٪ من كتلة Hf.
تطبيقات الزركونيوم
الزركونيوم المعدني العاملين في بطولات الدوري، بشكل رئيسي في الفولاذ ، لجعلها أفضل من حيث المقاومة الميكانيكية والتآكل. كما يسمح ثبات المعدن عند درجات الحرارة العالية بأن يكون كذلك المستخدمة في سفن الفضاءوالتي تعاني من أضرار جسيمة بسبب الظروف القاسية التي تواجهها أثناء عودتها إلى الغلاف الجوي للأرض.
نظرًا لأن الزركونيوم معترف به كعنصر غير سام ومقاوم للتآكل ، بالإضافة إلى توافقه الحيوي الجيد ، يتم أيضًا استكشاف استخدامها في التطبيقات الجراحية، كما هو الحال في تركيبات وزراعة الأسنان.
ثاني أكسيد الزركونيوم ZrO2، لديها نقطة انصهار عالية جدًا ، في حدود 2500 درجة مئوية. وبالتالي ، يتم استخدامه في تصنيع حاويات ذات مقاومة عالية للحرارة، بالإضافة إلى السيراميك شديد المقاومة. وقد تم استغلال هذه الخزفيات في ماكينات القطع لهذا السبب. ZrO2 يمكن استخدامه أيضًا في مستحضرات التجميل ومضادات التعرق وتغليف المواد الغذائية وحتى الأحجار الكريمة المزيفة.
ومن الجدير بالذكر أن الكثير من الزركونيوم يستخدم من قبل الصناعة النووية. هناك ، على سبيل المثال ، الدوري Zircaloy®، سبيكة معدنية من الزركونيوم والقصدير تم تطويرها حصريًا للأغراض النووية.
في الصناعة النووية ، الزركونيوم هو تستخدم في التعبئة والتغليف التي تحتوي علىêم أكسيد اليورانيوم، وقود محطات توليد الكهرباء. لأنه شديد المقاومة للماء وقليل التقاطه النيوترونات، اتضح أنها مادة جيدة لهذا الغرض. يجدر بنا أن نتذكر أنه يتم استخدام النيوترونات أثناء الانشطار النوويولذلك فمن الضروري ألا يلتقطها الزركونيوم. يؤدي عدم الالتقاط أيضًا إلى عدم ظهور الزركونيوم النشاط الإشعاعي. لهذا السبب ، في هذه الحالة ، لا يمكن أن يحتوي الزركونيوم على آثار الهافنيوم ، وهو معدن له قدرة كبيرة على التقاط النيوترونات.
تحقق من ذلك على البودكاست الخاص بنا:كيف تعمل محطات الطاقة النووية؟
تاريخ الزركونيوم
ربما اشتق اسم الزركونيوم من سارجوني، وهي كلمة من اللغة السريانية تستخدم لوصف ألوان الأحجار الكريمة التي تُعرف الآن باسم الزركونيا. على الرغم من أن المعادن كانت معروفة بالفعل ، إلا أنه لم يكن معروفًا أنها تحتوي على عنصر جديد حتى تمكن مارتن هيرينش كلابروث ، في عام 1789 ، من اكتشاف العنصر في برلين. قرر العالم الألماني تسمية العنصر زيرهورن.
كان عام 1789 مهمًا جدًا لكلابروث ، حيث اكتشف العالم في نفس العام عنصر اليورانيوم.
تمارين حلها على الزركونيوم
السؤال رقم 1
(FGV SP / 2014 - مقتبس) فئة جديدة وواعدة من المواد فائقة التوصيل تعتمد على مركب الفاناديوم الزركونيوم ثنائي بوريد. يتم تصنيع هذا المركب من ملح الزركونيوم (IV).
(مجلة بحث Fاعتذر، يونيو 2013. تكيف)
عدد البروتونات والإلكترونات في أيون Zr4+ يساوي على التوالي:
أ) 36 40
ب) 40 40
ج) 40 44
د) 40 36
هـ) 36 ؛ 36
رد
الحرف د
كما يحتوي الزركونيوم العدد الذري يساوي 40 ، يمكننا استنتاج أن عدده البروتونات هو أيضًا 40 ، لأن العدد الذري يساوي عددًا عدد البروتونات.
بتقديم شحنة تساوي +4 ، نعلم أن الزركونيوم في هذه الصورة به أربعة الإلكترونات ما لم يكن في شكله المحايد.
عندما يكون عدد البروتونات متعادلًا عدد الإلكترونات ، أي أن الزركونيوم يحتوي في الأصل على 40 بروتونًا و 40 إلكترونًا. بعد فقدان أربعة إلكترونات ، يتبقى الزركونيوم مع 36 فقط.
السؤال 2
(Uerj 2013 —تكيف) يشبه ثاني أكسيد الزركونيوم الماس ، وهو شكل متآصل من الكربون ، يمكن استبداله بالمجوهرات منخفضة التكلفة.
حدد البديل الذي يحتوي على الصيغة الكيميائية لثاني أكسيد الزركونيوم ، وكذلك نوع الرابطة بين الذرات لهذه المادة.
أ) ZrO4تساهمية.
ب) ZrO2، أيوني.
ج) ZrO2تساهمية.
د) ZrO4، أيوني.
ه) ZrO2، معدني.
رد
حرف الباء
يجب أن يحتوي ثاني أكسيد الزركونيوم ، كما يوحي اسمه ، على ذرتين فقط من الأكسجين. وبالتالي ، فإن الصيغة المتوقعة هي ZrO2. بالإضافة إلى ذلك ، يكتسب الزركونيوم عادة حالة أكسدة تساوي +4.
نوع الرابطة بين الذرية أيوني، لسببين:
الزركونيوم معدن ، والأكسجين مادة غير فلزية ؛
الفرق كهرسلبية بينهما أكبر من 1.7 (3.5 - 1.3 = 2.2).
بقلم ستيفانو أروجو نوفايس
مدرس كيمياء
