O zirkonium, symbol Zr, atomnummer 40, er et kemisk grundstof, der tilhører gruppe 5 af Periodiske system. Den udmærker sig ved sin store modstandsdygtighed over for korrosion, samt gode termiske stabilitet.
elementet er kemisk meget lig hafnium, og på grund af dette har hver naturlig zirconiumprøve et lille hafniumindhold. Det er rigeligt i jordskorpen, med et meget højere indhold end det af meget brugte grundstoffer som kobber, zink og bly.
Zirkonium har bred anvendelse i den nukleare industri, da dens lave neutronabsorption gør den til en fremragende belægning til urandioxid-rigt brændstof. Derudover, da det anses for at være ugiftigt og meget biokompatibelt, anvendes zirconium i kirurgiske proteser og implantater.
Læs også: Uran - element af stor betydning for energiproduktion
Opsummering om zirkonium
Zirconium er en metal tilhører gruppe 5 i det periodiske system.
Den optræder altid i naturen med et lille indhold af hafnium, da disse grundstoffer kemisk ligner hinanden meget.
Zirkonit og baddeleyit er de vigtigste zirkoniummalme.
Adskillelsen mellem zirconium og hafnium er meget vanskelig.
Zirkonium har god korrosion og høj temperaturbestandighed.
Det kan bruges i tandimplantater og andre proteser, da det er ugiftigt og har høj biokompatibilitet.
Meget af zirkonium bruges af atomindustrien.
Grundstoffet blev opdaget i 1789 af den tyske videnskabsmand Martin Klaproth.
Zirconium egenskaber
Symbol: Zr.
Atom nummer: 40.
atommasse: 91.224 c.m.u.
elektronegativitet: 1,33.
Fusionspunkt: 1855°C.
Kogepunkt: 4409°C.
Massefylde: 6,52 g.cm-3 (ved 20°C).
elektronisk konfiguration: [Kr] 5s2 4d2.
Kemi-serien: gruppe 4, overgangsmetaller.
Funktioner af zirkonium
Zirconium er i sin metalliske form en gråligt metal og som har god korrosionsbestandighed, primært på grund af ZrO-laget2 der dannes omkring det og beskytter den indre metalliske masse. Men hvis det er findelt, er zirconium meget pyrofor, det vil sige, at det spontant kan antændes i kontakt med luft, især ved høje temperaturer.
Kemisk er zirconium meget tæt på hafnium, ikke mindst fordi grundstofferne forekommer sammen i naturen. Derfor, ligesom hafnium, zirconium ikke lider kemiske angreb af syrer fortyndet (undtagen HF), medmindre de er opvarmet. Alkaliske opløsninger er ikke særlig effektive på zirconium, selv ved højere temperaturer.
I højere temperatursystemer har zirconium evnen til at reagere med det meste ikke-metaller. Ved reaktion kan det ses, at zirconiumforbindelser med oxidationstal +4 er de mest stabile, ligesom det er tilfældet med ZrO2 eller ZrCl4. Lavere oxidationstilstande, såsom +3, er mindre stabile, en forskel fra titanium, det letteste element i gruppe 4, som har god stabilitet med denne belastning.
Hvor kan man finde zirconium?
Blandt d-blok-elementerne i det periodiske system er zirconium det fjerde mest udbredte, bagved jern, titanium og mangan. De findes mere af 30 malme som jeg harogm zirconium i sin konstitution. Blandt de bedst kendte og vigtigste er zirconit (også kendt som zircon), ZrSiO4 og baddeleyit (eller baddeleite), ZrO2. Baddeleyit findes endda i Brasilien.
Landene med de største zirkoniumreserver er Australien, Sydafrika og Mozambique. De største producenter er dog Kina, Frankrig, Indien, Rusland, Tyskland og USA.
Interessant, zirkonium Det findes rigeligt hos nogle stjerner. Elementet blev endda identificeret i Sol og i meteoritter. Måneprøver opnået gennem Apollo-missionerne viste et højt indhold af ZrO2 i disse klipper sammenlignet med terrestriske.
Se også: Guld - ædelmetal, der skiller sig ud for sin gode elektriske ledningsevne
Indhentning af zirkonium
zirkonium forekommer naturligt med hafnium, altid med et indhold af det andet grundstof, der varierer fra 1 til 3 vægtprocent. På trods af deres lave indhold er adskillelsen mellem de to meget vanskelig.
Almindeligvis bruges Kroll-processen til zirconiumekstraktion. I denne proces vil ZrO2 indeholdt i malmene omdannes ved høj temperatur til ZrCl4. På denne måde kan zirconium opnås ved at bruge magnesium som reduktionsmiddel. Følgende reaktioner demonstrerer processen.
ZrO2 → ZrCl4 (ved at bruge CCl4 ved 770 K temperatur)
ZrCl4 → Zr (ved at bruge Mg i en Ar-atmosfære ved 1420 K temperatur)
Den store kemiske lighed mellem Zr og Hf betyder dog, at hafnium forbliver i det endelige system som en vedvarende urenhed. Det er således nødvendigt at brug af metallurgiske teknikker til adskillelse mellem Zr og Hf. Industrien udvikler allerede hydrometallurgiske (dvs. som forekommer i vandig opløsning) og pyrometallurgiske (uden tilstedeværelse af vand) ruter.
En hydrometallurgisk teknik er fraktioneret krystallisation af K-salte2ZrF6 og K2HfF6, som ikke har samme opløselighed i vand. En anden opløsningsteknik er opløsningsmiddelekstraktion, hvorved Zr- og Hf-forbindelser opløses. i vand og derefter selektivt ekstraheret med organiske opløsningsmidler såsom methylisobutylketon og hyldest. På grund af vanskeligheden ved adskillelse markedsføres kommercielt zirconium almindeligvis med et indhold på 1 til 3 vægtprocent Hf.
zirconium applikationer
Det metalliske zirkonium er ansat i ligaer, hovedsageligt i stål, for at gøre dem bedre med hensyn til mekanisk og korrosiv modstand. Metallets stabilitet ved høje temperaturer gør det også muligt bruges i rumskibe, som lider meget skade på grund af de ekstreme forhold, man støder på under genindtræden i jordens atmosfære.
Da zirconium er anerkendt som et ikke-giftigt og meget korrosionsbestandigt grundstof, ud over at have god biokompatibilitet, brug i kirurgiske applikationer udforskes også, som i tandproteser og implantater.
Zirconiumdioxid, ZrO2, har et meget højt smeltepunkt i området 2500 °C. Det bruges således i fremstilling af beholdere med høj varmebestandighed, foruden meget modstandsdygtig keramik. Denne keramik er endda blevet udnyttet i skæremaskiner af denne grund. ZrO2 Det kan også bruges i kosmetik, antiperspiranter, fødevareemballage og endda falske ædelstene.
Det er værd at bemærke, at meget af zirkonium bruges af nuklear industri. Der er for eksempel Z-ligaenircaloy®, en metallegering af zirconium og tin udviklet udelukkende til nukleare formål.
I den nukleare industri er zirconium anvendes i emballage indeholdendeêm uranoxid, brændstof af kraftværker. Fordi den er meget modstandsdygtig over for vand og med lav fangst af neutroner, viser det sig at være et godt materiale til dette formål. Det er værd at huske, at neutroner bruges under fission, og derfor er det vigtigt, at zirconium ikke fanger dem. Ikke-fangsten forårsager også, at zirconium ikke vises radioaktivitet. Derfor kan zirconium i dette tilfælde ikke have spor af hafnium, et metal, der har en stor evne til at fange neutroner.
Tjek det ud på vores podcast:Hvordan fungerer atomkraftværker?
zirconiums historie
Navnet zirkonium stammer sandsynligvis fra sargon, et ord fra det syriske sprog, der bruges til at beskrive farverne på ædelstene, der nu er kendt som zirconia. Selvom mineralerne allerede var kendt, vidste man ikke, at de indeholdt et nyt grundstof før Martin Heirinch Klaproth, i 1789, formåede at opdage grundstoffet i Berlin. Den tyske videnskabsmand besluttede at navngive elementet zirkhorn.
Året 1789 var meget vigtigt for Klaproth, da videnskabsmanden samme år opdagede grundstoffet uran.
Løste øvelser på zirkonium
Spørgsmål 1
(FGV SP/2014 - tilpasset) En ny og lovende klasse af superledende materialer er baseret på forbindelsen vanadiumzirconiumdiborid. Denne forbindelse er syntetiseret ud fra et zirconium (IV) salt.
(Magasin Søg efter Fapespjuni 2013. tilpasset)
Antallet af protoner og elektroner i Zr-ionen4+ er lig med henholdsvis:
A) 36; 40
B) 40; 40
C) 40; 44
D) 40; 36
E) 36; 36
Svar
Bogstav D
Som zirconium har Atom nummer lig med 40, kan vi konkludere, at dens antal af protoner er også 40, fordi atomnummeret numerisk er lig med antallet af protoner.
Med en ladning lig med +4 ved vi, at zirconium i denne form har fire elektroner medmindre i sin neutrale form.
Når det er neutralt, er antallet af protoner lig med antallet af elektroner, det vil sige, at zirconium oprindeligt har 40 protoner og 40 elektroner. Ved at miste fire elektroner er zirconium kun tilbage med 36.
spørgsmål 2
(Uerj 2013 —tilpasset) Zirconiumdioxid ligner diamant, en allotrop form for kulstof, som kan erstatte billige smykker.
Marker alternativet, der indeholder den kemiske formel for zirconiumdioxid, samt typen af interatomisk binding af dette stof.
A) ZrO4, kovalent.
B) ZrO2ionisk.
C) ZrO2, kovalent.
D) ZrO4ionisk.
E) ZrO2, metallisk.
Svar
Bogstav B
Zirconiumdioxid må, som navnet antyder, kun indeholde to atomer af ilt. Den forventede formel er således ZrO2. Derudover opnår zirconium almindeligvis en oxidationstilstand lig med +4.
Typen af interatomisk binding er ionisk, af to grunde:
zirconium er et metal, og oxygen er et ikke-metal;
forskellen på elektronegativitet mellem begge er større end 1,7 (3,5 – 1,3 = 2,2).
Af Stefano Araújo Novais
Kemi lærer
