О цирконий, символ Zr, атомен номер 40, е химичен елемент, принадлежащ към група 5 на Периодичната таблица. Отличава се със своята голяма устойчивост на корозия, както и добра термична стабилност.
елементът е химически много подобен на хафнийи поради това всяка естествена проба от цирконий има малко съдържание на хафний. Той е в изобилие в земната кора, с много по-високо съдържание от това на широко използвани елементи като мед, цинк и олово.
Цирконият има широко приложение в ядрената индустрия, тъй като ниската му абсорбция на неутрони го прави отлично покритие за гориво, богато на уранов диоксид. Освен това, тъй като се счита за нетоксичен и много биосъвместим, цирконият се използва в хирургически протези и импланти.
Прочетете също: Уран — елемент от голямо значение за производството на енергия
Резюме за циркония
Цирконият е а метални принадлежащи към група 5 на периодичната таблица.
Той винаги се появява в природата с малко съдържание на хафний, тъй като тези елементи са химически много сходни.
Цирконитът и бадделеитът са основните циркониеви руди.
Разделянето между цирконий и хафний е много трудно.
Цирконият има добра устойчивост на корозия и висока температура.
Може да се използва в зъбни импланти и други протези, тъй като е нетоксичен и има висока биосъвместимост.
Голяма част от циркония се използва от ядрената индустрия.
Елементът е открит през 1789 г. от немския учен Мартин Клапрот.
Свойства на цирконий
символ: Zr.
атомно число: 40.
атомна маса: 91,224 c.m.u
електроотрицателност: 1,33.
Точка на сливане: 1855°С.
Точка на кипене: 4409°С.
Плътност: 6,52 g.cm-3 (при 20°C).
електронна конфигурация: [Kr] 5s2 4г2.
Поредица по химия: група 4, преходни метали.
Характеристики на циркония
Цирконият, в неговата метална форма, е a сивкав метал и който има добра устойчивост на корозия, главно поради слоя ZrO2 който се образува около него, защитавайки вътрешната метална маса. Въпреки това, ако е фино разделен, цирконият е силно пирофорен, тоест може спонтанно да се запали при контакт с въздух, особено при високи температури.
Химически цирконият е много близък до хафния, не на последно място защото елементите се срещат заедно в природата. Следователно, като хафний, цирконий не страда от химически атаки от киселини разреден (с изключение на HF), освен ако не се нагряват. Алкалните разтвори не са много ефективни върху циркония, дори при по-високи температури.
В системи с по-висока температура цирконият има способността да реагира с повечето неметали. При реагиране може да се види, че циркониеви съединения с окислително число +4 са най-стабилни, какъвто е случаят на ZrO2 или ZrCl4. По-ниските степени на окисление, като +3, са по-малко стабилни, разлика от титан, най-лекият елемент от група 4, който има добра стабилност при това натоварване.
Къде може да се намери цирконий?
Сред d-блок елементите на периодичната таблица, цирконият е четвъртият най-разпространен, след желязо, титан и манган. Те съществуват повече от 30 руди, които имамиm цирконий в неговата структура. Сред най-известните и най-важните са цирконит (известен също като циркон), ZrSiO4 и баделеит (или бадделит), ZrO2. Baddeleyite се среща дори в Бразилия.
Страните с най-големи запаси от цирконий са Австралия, Южна Африка и Мозамбик. Най-големите производители обаче са Китай, Франция, Индия, Русия, Германия и САЩ.
Интересното е, че цирконий В някои се среща изобилно звезди. Елементът дори беше идентифициран в слънце и в метеорити. Лунните проби, получени чрез мисиите на Аполо, доказаха високо съдържание на ZrO2 в тези скали в сравнение със земните.
Вижте също: Злато — благороден метал, който се откроява с добрата си електрическа проводимост
Получаване на цирконий
циркония естествено се среща с хафний, винаги със съдържание на втория елемент, което варира от 1 до 3% мас. Въпреки ниското им съдържание, разделянето между двете е много трудно.
Обикновено процесът Kroll се използва за извличане на цирконий. В този процес ZrO2 съдържащият се в рудите се превръща при висока температура в ZrCl4. По този начин може да се получи цирконий с помощта на магнезий като редуктор. Следните реакции демонстрират процеса.
ZrO2 → ZrCl4 (с помощта на CCl4 при 770 К температура)
ZrCl4 → Zr (използвайки Mg в атмосфера на Ar при температура 1420 K)
Въпреки това, голямото химическо сходство между Zr и Hf означава, че хафний остава в крайната система като устойчив примес. По този начин е необходимо да се използване на металургични техники за разделяне между Zr и Hf. Индустрията вече развива хидрометалургични (т.е. които се срещат във воден разтвор) и пирометалургични (без наличие на вода) пътища.
Хидрометалургична техника е фракционната кристализация на К соли2ZrF6 и К2HfF6, които нямат същата разтворимост във вода. Друга техника за разтваряне е екстракция с разтворител, при която Zr и Hf съединенията се разтварят. във вода и след това селективно се екстрахира с органични разтворители като метил изобутил кетон и почит. Като се има предвид трудността на отделянето, търговският цирконий обикновено се предлага на пазара със съдържание от 1 до 3% тегловни Hf.
циркониеви приложения
Металният цирконий е зает в лиги, главно в стомана, за да ги направи по-добри от гледна точка на механична и корозионна устойчивост. Стабилността на метала при високи температури също му позволява да бъде използвани в космически кораби, които претърпяват много щети поради екстремните условия, срещани при повторното влизане в земната атмосфера.
Тъй като цирконият е признат за нетоксичен и силно устойчив на корозия елемент, освен че има добра биосъвместимост, неговият проучва се и използването в хирургични приложения, както при зъбните протези и импланти.
Циркониев диоксид, ZrO2, има много висока точка на топене, в диапазона от 2500 °C. По този начин се използва в производство на контейнери с висока топлоустойчивост, в допълнение към високоустойчивата керамика. Поради тази причина тази керамика дори е била използвана в машини за рязане. ZrO2 Може да се използва и в козметика, антиперспиранти, опаковки на храни и дори фалшиви скъпоценни камъни.
Струва си да се отбележи, че голяма част от циркония се използва от ядрена индустрия. Има например Z лигатаircaloy®, метална сплав от цирконий и калай, разработена изключително за ядрени цели.
В ядрената индустрия цирконият е използвани в опаковки, съдържащиêm уранов оксид, гориво на електроцентрали. Тъй като е силно устойчив на вода и с ниско улавяне на неутрони, се оказва добър материал за целта. Струва си да се помни, че неутроните се използват по време деленеи затова е важно цирконият да не ги улавя. Неулавянето също кара циркония да не се показва радиоактивност. Ето защо в този случай цирконият не може да има следи от хафний, метал, който има голяма способност да улавя неутрони.
Вижте го в нашия подкаст:Как работят атомните електроцентрали?
история на циркония
Името цирконий вероятно произлиза от саргон, дума от сирийския език, използвана за описване на цветовете на скъпоценните камъни, които сега са известни като цирконий. Въпреки че минералите вече бяха известни, не беше известно, че те съдържат нов елемент до Мартин Хайринх Клапрот през 1789 г. успява да открие елемента в Берлин. Германският учен решава да нарече елемента циркхорн.
1789 година е много важна за Клапрот, тъй като през същата година ученият открива елемента уран.
Решени упражнения върху цирконий
Въпрос 1
(FGV SP/2014 - адаптиран) Нов и обещаващ клас свръхпроводящи материали се основава на съединението ванадиев циркониев диборид. Това съединение се синтезира от циркониева (IV) сол.
(Списание Търсете Фapesp, Юни 2013. адаптиран)
Броят на протоните и електроните в Zr йона4+ е равно на, съответно:
А) 36; 40
Б) 40; 40
В) 40; 44
Г) 40; 36
Д) 36; 36
Отговор
Писмо Д
Както има цирконий атомно число равно на 40, можем да заключим, че неговият брой на протони също е 40, тъй като атомният номер е числено равен на броя на протоните.
Представяйки заряд, равен на +4, знаем, че цирконият в тази форма има четири електрони освен ако не е в неутрална форма.
Когато е неутрален, броят на протоните е равен на броя на електроните, тоест първоначално цирконият има 40 протона и 40 електрона. Загубвайки четири електрона, цирконият остава само с 36.
въпрос 2
(Uerj 2013 г —адаптиран) Циркониевият диоксид прилича на диамант, алотропна форма на въглерод, който може да бъде заменен с евтини бижута.
Маркирайте алтернативата, която съдържа химичната формула на циркониевия диоксид, както и вида на междуатомната връзка на това вещество.
А) ZrO4, ковалентен.
Б) ZrO2, йонен.
В) ZrO2, ковалентен.
D) ZrO4, йонен.
E) ZrO2, металик.
Отговор
буква Б
Циркониевият диоксид, както подсказва името му, трябва да съдържа само два атома кислород. Така очакваната формула е ZrO2. Освен това цирконият обикновено придобива степен на окисление равно на +4.
Видът на междуатомната връзка е йонна, поради две причини:
цирконият е метал, а кислородът е неметал;
разликата на електроотрицателност между двете е по-голямо от 1,7 (3,5 – 1,3 = 2,2).
От Стефано Араужо Новаис
Учител по химия
