Ο ζιρκόνιο, σύμβολο Zr, ατομικός αριθμός 40, είναι ένα χημικό στοιχείο που ανήκει στην ομάδα 5 του Περιοδικός Πίνακας. Ξεχωρίζει για τη μεγάλη αντοχή στη διάβρωση, καθώς και την καλή θερμική σταθερότητα.
το στοιχείο είναι χημικά πολύ παρόμοια με άφνιο, και εξαιτίας αυτού, κάθε δείγμα φυσικού ζιρκονίου έχει μικρή περιεκτικότητα σε άφνιο. Είναι άφθονο στον φλοιό της γης, με πολύ υψηλότερη περιεκτικότητα από αυτή σε ευρέως χρησιμοποιούμενα στοιχεία όπως ο χαλκός, ο ψευδάργυρος και ο μόλυβδος.
Το ζιρκόνιο έχει ευρεία εφαρμογή στην πυρηνική βιομηχανία, καθώς η χαμηλή του απορρόφηση νετρονίων το καθιστά εξαιρετική επίστρωση για καύσιμο πλούσιο σε διοξείδιο ουρανίου. Επιπλέον, καθώς θεωρείται μη τοξικό και πολύ βιοσυμβατό, το ζιρκόνιο χρησιμοποιείται σε χειρουργικές προθέσεις και εμφυτεύματα.
Διαβάστε επίσης: Ουράνιο — στοιχείο μεγάλης σημασίας για την παραγωγή ενέργειας
Περίληψη για το ζιρκόνιο
Το ζιρκόνιο είναι α μέταλλο που ανήκουν στην ομάδα 5 του Περιοδικού Πίνακα.
Εμφανίζεται πάντα στη φύση με μικρή περιεκτικότητα σε άφνιο, καθώς τα στοιχεία αυτά μοιάζουν πολύ χημικά.
Ο ζιρκονίτης και ο μπαδλεϊίτης είναι τα κύρια μεταλλεύματα ζιρκονίου.
Ο διαχωρισμός μεταξύ ζιρκονίου και αφνίου είναι πολύ δύσκολος.
Το ζιρκόνιο έχει καλή αντοχή στη διάβρωση και σε υψηλές θερμοκρασίες.
Μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε οδοντικά εμφυτεύματα και άλλες προθέσεις, καθώς είναι μη τοξικό και έχει υψηλή βιοσυμβατότητα.
Μεγάλο μέρος του ζιρκονίου χρησιμοποιείται από την πυρηνική βιομηχανία.
Το στοιχείο ανακαλύφθηκε το 1789 από τον Γερμανό επιστήμονα Martin Klaproth.
Ιδιότητες ζιρκονίου
Σύμβολο: Zr.
ατομικός αριθμός: 40.
ατομική μάζα: 91.224 κ.μ.
ηλεκτραρνητικότητα: 1,33.
Σημείο σύντηξης: 1855°C.
Σημείο βρασμού: 4409°C.
Πυκνότητα: 6,52 γρ.εκ-3 (στους 20°C).
ηλεκτρονική διαμόρφωση: [Kr] 5s2 4δ2.
Σειρά Χημείας: ομάδα 4, μέταλλα μεταπτώσεως.
Χαρακτηριστικά του ζιρκονίου
Το ζιρκόνιο, στη μεταλλική του μορφή, είναι α γκριζωπό μέταλλο και το οποίο έχει καλή αντοχή στη διάβρωση, κυρίως λόγω του στρώματος ZrO2 που σχηματίζεται γύρω του, προστατεύοντας την εσωτερική μεταλλική μάζα. Ωστόσο, εάν διαιρεθεί λεπτά, το ζιρκόνιο είναι εξαιρετικά πυροφορικό, δηλαδή μπορεί να αναφλεγεί αυθόρμητα σε επαφή με τον αέρα, ειδικά σε υψηλές θερμοκρασίες.
Χημικά, το ζιρκόνιο είναι πολύ κοντά στο άφνιο, κυρίως επειδή τα στοιχεία βρίσκονται μαζί στη φύση. Επομένως, όπως το άφνιο, το ζιρκόνιο δεν υφίσταται χημικές επιθέσεις από οξέα αραιωμένο (εκτός από HF) εκτός αν θερμαίνονται. Τα αλκαλικά διαλύματα δεν είναι πολύ αποτελεσματικά στο ζιρκόνιο, ακόμη και σε υψηλότερες θερμοκρασίες.
Σε συστήματα υψηλότερης θερμοκρασίας, το ζιρκόνιο έχει την ικανότητα να αντιδρά με τα περισσότερα αμέταλλα. Κατά την αντίδραση, μπορεί να φανεί ότι οι ενώσεις ζιρκονίου με αριθμό οξείδωσης +4 είναι οι πιο σταθερές, όπως είναι η περίπτωση του ZrO2 ή ZrCl4. Οι χαμηλότερες καταστάσεις οξείδωσης, όπως +3, είναι λιγότερο σταθερές, μια διαφορά από τιτάνιο, το ελαφρύτερο στοιχείο της ομάδας 4, το οποίο έχει καλή σταθερότητα με αυτό το φορτίο.
Πού μπορεί να βρεθεί το ζιρκόνιο;
Μεταξύ των στοιχείων d-block του Περιοδικού Πίνακα, το ζιρκόνιο είναι το τέταρτο πιο άφθονο, πίσω σίδερο, τιτάνιο και μαγγάνιο. Υπάρχουν περισσότερα από 30 μεταλλεύματα που έχωκαιm ζιρκόνιο στη σύστασή του. Μεταξύ των πιο γνωστών και πιο σημαντικών είναι ο ζιρκονίτης (επίσης γνωστός ως ζιρκόνιο), το ZrSiO4 και ο baddeleyite (ή baddeleite), ZrO2. Το Baddeleyite βρίσκεται ακόμη και στη Βραζιλία.
Οι χώρες με τα μεγαλύτερα αποθέματα ζιρκονίου είναι η Αυστραλία, η Νότια Αφρική και η Μοζαμβίκη. Ωστόσο, οι μεγαλύτεροι παραγωγοί είναι η Κίνα, η Γαλλία, η Ινδία, η Ρωσία, η Γερμανία και οι Ηνωμένες Πολιτείες.
Είναι ενδιαφέρον το ζιρκόνιο Βρίσκεται σε αφθονία σε ορισμένα αστέρια. Το στοιχείο εντοπίστηκε ακόμη και στο Ήλιος και σε μετεωρίτες. Τα σεληνιακά δείγματα που ελήφθησαν μέσω των αποστολών Apollo απέδειξαν υψηλή περιεκτικότητα σε ZrO2 σε αυτούς τους βράχους σε σύγκριση με τα επίγεια.
Δείτε επίσης: Χρυσός — ευγενές μέταλλο που ξεχωρίζει για την καλή ηλεκτρική του αγωγιμότητα
Λήψη ζιρκονίου
το ζιρκόνιο εμφανίζεται φυσικά με το άφνιο, πάντα με περιεκτικότητα στο δεύτερο στοιχείο που κυμαίνεται από 1 έως 3% κατά μάζα. Παρά το χαμηλό τους περιεχόμενο, ο διαχωρισμός μεταξύ των δύο είναι πολύ δύσκολος.
Συνήθως, η διαδικασία Kroll χρησιμοποιείται για την εξαγωγή ζιρκονίου. Σε αυτή τη διαδικασία, το ZrO2 που περιέχονται στα μεταλλεύματα μετατρέπεται, σε υψηλή θερμοκρασία, σε ZrCl4. Με αυτόν τον τρόπο, το ζιρκόνιο μπορεί να ληφθεί χρησιμοποιώντας μαγνήσιο ως αναγωγικό. Οι ακόλουθες αντιδράσεις δείχνουν τη διαδικασία.
ZrO2 → ZrCl4 (χρησιμοποιώντας CCl4 σε θερμοκρασία 770 K)
ZrCl4 → Zr (χρησιμοποιώντας Mg σε ατμόσφαιρα Ar σε θερμοκρασία 1420 K)
Ωστόσο, η μεγάλη χημική ομοιότητα μεταξύ Zr και Hf σημαίνει ότι το άφνιο παραμένει στο τελικό σύστημα ως επίμονη πρόσμειξη. Έτσι, είναι απαραίτητο να χρήση μεταλλουργικών τεχνικών για τον διαχωρισμό μεταξύ Zr και Hf. Η βιομηχανία αναπτύσσει ήδη υδρομεταλλουργικές (δηλαδή, που εμφανίζονται σε υδατικό διάλυμα) και πυρομεταλλουργικές (χωρίς την παρουσία νερού) διαδρομές.
Μια υδρομεταλλουργική τεχνική είναι η κλασματική κρυστάλλωση αλάτων Κ2ZrF6 και Κ2HfF6, που δεν έχουν την ίδια διαλυτότητα στο νερό. Μια άλλη τεχνική διαλύματος είναι η εκχύλιση με διαλύτη, όπου οι ενώσεις Zr και Hf διαλύονται. σε νερό και στη συνέχεια εκχυλίζεται επιλεκτικά με οργανικούς διαλύτες όπως μεθυλ ισοβουτυλ κετόνη και φόρος. Δεδομένης της δυσκολίας διαχωρισμού, το εμπορικό ζιρκόνιο κυκλοφορεί συνήθως στην αγορά με περιεκτικότητα 1 έως 3% κατά μάζα σε Hf.
εφαρμογές ζιρκονίου
Το μεταλλικό ζιρκόνιο είναι απασχολούνται σε πρωταθλήματα, κυρίως σε χάλυβα, για να γίνουν καλύτερα από άποψη μηχανικής και διαβρωτικής αντοχής. Η σταθερότητα του μετάλλου σε υψηλές θερμοκρασίες το επιτρέπει επίσης χρησιμοποιείται σε διαστημόπλοια, που υφίστανται πολλές ζημιές λόγω των ακραίων συνθηκών που συναντώνται κατά την επανείσοδο στην ατμόσφαιρα της Γης.
Καθώς το ζιρκόνιο αναγνωρίζεται ως μη τοξικό και εξαιρετικά ανθεκτικό στη διάβρωση στοιχείο, εκτός από το ότι έχει καλή βιοσυμβατότητα, διερευνάται επίσης η χρήση σε χειρουργικές εφαρμογές, όπως στις οδοντικές προθέσεις και εμφυτεύματα.
Διοξείδιο του ζιρκονίου, ZrO2, έχει πολύ υψηλό σημείο τήξης, στην περιοχή των 2500 °C. Έτσι, χρησιμοποιείται σε κατασκευή δοχείων με υψηλή αντοχή στη θερμότητα, εκτός από τα εξαιρετικά ανθεκτικά κεραμικά. Αυτά τα κεραμικά έχουν αξιοποιηθεί ακόμη και σε μηχανήματα κοπής για αυτό το λόγο. Το ZrO2 Μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί σε καλλυντικά, αντιιδρωτικά, συσκευασίες τροφίμων ακόμα και σε ψεύτικους πολύτιμους λίθους.
Αξίζει να σημειωθεί ότι μεγάλο μέρος του ζιρκονίου χρησιμοποιείται από την πυρηνική βιομηχανία. Υπάρχει, για παράδειγμα, το Z leagueircaloy®, ένα μεταλλικό κράμα ζιρκονίου και κασσίτερου που αναπτύχθηκε αποκλειστικά για πυρηνικούς σκοπούς.
Στην πυρηνική βιομηχανία, το ζιρκόνιο είναι χρησιμοποιείται σε συσκευασίες που περιέχουνêm οξείδιο ουρανίου, καύσιμο του σταθμούς παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. Επειδή είναι πολύ ανθεκτικό στο νερό και με χαμηλή δέσμευση νετρόνια, αποδεικνύεται καλό υλικό για αυτό το σκοπό. Αξίζει να θυμηθούμε ότι τα νετρόνια χρησιμοποιούνται κατά τη διάρκεια σχάση, και επομένως είναι σημαντικό το ζιρκόνιο να μην τα συλλαμβάνει. Η μη σύλληψη προκαλεί επίσης το ζιρκόνιο να μην φαίνεται ραδιοενέργεια. Γι' αυτό, σε αυτή την περίπτωση, το ζιρκόνιο δεν μπορεί να έχει ίχνη αφνίου, ενός μετάλλου που έχει μεγάλη ικανότητα να συλλαμβάνει νετρόνια.
Δείτε το στο podcast μας:Πώς λειτουργούν οι πυρηνικοί σταθμοί;
ιστορία του ζιρκονίου
Το όνομα ζιρκόνιο πιθανότατα προέρχεται από σαργόνη, μια λέξη από τη συριακή γλώσσα που χρησιμοποιείται για να περιγράψει τα χρώματα των πολύτιμων λίθων που σήμερα είναι γνωστά ως ζιρκόνια. Αν και τα ορυκτά ήταν ήδη γνωστά, δεν ήταν γνωστό ότι περιείχαν ένα νέο στοιχείο μέχρι Ο Martin Heirinch Klaproth, το 1789, κατάφερε να εντοπίσει το στοιχείο στο Βερολίνο. Ο Γερμανός επιστήμονας αποφάσισε να ονομάσει το στοιχείο ζιργκόρν.
Το έτος 1789 ήταν πολύ σημαντικό για τον Klaproth, καθώς την ίδια χρονιά ο επιστήμονας ανακάλυψε το στοιχείο ουράνιο.
Λυμένες ασκήσεις στο ζιρκόνιο
ερώτηση 1
(FGV SP/2014 - προσαρμοσμένο) Μια νέα και πολλά υποσχόμενη κατηγορία υπεραγώγιμων υλικών βασίζεται στην ένωση διβορίδιο ζιρκονίου βαναδίου. Αυτή η ένωση συντίθεται από ένα άλας ζιρκονίου (IV).
(Περιοδικό Αναζήτηση Fπίθηκος, Ιούνιος 2013. Προσαρμοσμένο)
Ο αριθμός των πρωτονίων και των ηλεκτρονίων στο ιόν Zr4+ ισούται αντίστοιχα με:
Α) 36; 40
Β) 40; 40
Γ) 40; 44
Δ) 40; 36
Ε) 36; 36
Απάντηση
Γράμμα Δ
Όπως έχει το ζιρκόνιο ατομικός αριθμός ίσο με 40, μπορούμε να συμπεράνουμε ότι ο αριθμός του πρωτόνια είναι επίσης 40, γιατί ο ατομικός αριθμός είναι αριθμητικά ίσος με τον αριθμό των πρωτονίων.
Παρουσιάζοντας ένα φορτίο ίσο με +4, γνωρίζουμε ότι το ζιρκόνιο σε αυτή τη μορφή έχει τέσσερα ηλεκτρόνια εκτός αν έχει την ουδέτερη μορφή του.
Όταν είναι ουδέτερο, ο αριθμός των πρωτονίων είναι ίσος με τον αριθμό των ηλεκτρονίων, δηλαδή, αρχικά το ζιρκόνιο έχει 40 πρωτόνια και 40 ηλεκτρόνια. Χάνοντας τέσσερα ηλεκτρόνια, το ζιρκόνιο μένει μόνο με 36.
Ερώτηση 2
(Uerj 2013 —προσαρμοσμένο) Το διοξείδιο του ζιρκονίου μοιάζει με διαμάντι, μια αλλοτροπική μορφή άνθρακα, η οποία μπορεί να αντικατασταθεί από κοσμήματα χαμηλού κόστους.
Σημειώστε την εναλλακτική που περιέχει τον χημικό τύπο του διοξειδίου του ζιρκονίου, καθώς και τον τύπο του διατομικού δεσμού αυτής της ουσίας.
Α) ZrO4, ομοιοπολική.
Β) ZrO2, ιοντικό.
Γ) ZrO2, ομοιοπολική.
Δ) ZrO4, ιοντικό.
Ε) ZrO2, μεταλλικό.
Απάντηση
Γράμμα Β
Το διοξείδιο του ζιρκονίου, όπως υποδηλώνει το όνομά του, πρέπει να περιέχει μόνο δύο άτομα οξυγόνο. Έτσι, ο αναμενόμενος τύπος είναι ZrO2. Επιπλέον, το ζιρκόνιο συνήθως αποκτά κατάσταση οξείδωσης ίση με +4.
Ο τύπος του διατομικού δεσμού είναι ιωνικός, για δύο λόγους:
Το ζιρκόνιο είναι ένα μέταλλο και το οξυγόνο είναι ένα μη μέταλλο.
η διαφορά του ηλεκτραρνητικότητα μεταξύ των δύο είναι μεγαλύτερο από 1,7 (3,5 – 1,3 = 2,2).
Του Stefano Araújo Novais
Καθηγητής Χημείας