O circonio, de símbolo Zr, número atómico 40, es un elemento químico perteneciente al grupo 5 de la Tabla periodica. Destaca por su gran resistencia a la corrosión, así como por su buena estabilidad térmica.
el elemento es químicamente muy similar a hafnio, y debido a esto, cada muestra de zirconio natural tiene un pequeño contenido de hafnio. Es abundante en la corteza terrestre, con un contenido muy superior al de elementos ampliamente utilizados como el cobre, el zinc y el plomo.
El circonio tiene amplia aplicación en la industria nuclear, ya que su baja absorción de neutrones lo convierte en un excelente recubrimiento para combustible rico en dióxido de uranio. Además, al considerarse no tóxico y muy biocompatible, el zirconio se utiliza en prótesis e implantes quirúrgicos.
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Resumen sobre el circonio
El circonio es un metal perteneciente al grupo 5 de la Tabla Periódica.
Siempre aparece en la naturaleza con un pequeño contenido de hafnio, ya que estos elementos son químicamente muy similares.
La zirconita y la baddeleyita son los principales minerales de zirconio.
La separación entre circonio y hafnio es muy difícil.
El circonio tiene buena resistencia a la corrosión y a altas temperaturas.
Puede ser utilizado en implantes dentales y otras prótesis, ya que no es tóxico y tiene alta biocompatibilidad.
Gran parte del circonio es utilizado por la industria nuclear.
El elemento fue descubierto en 1789 por el científico alemán Martin Klaproth.
Propiedades del circonio
Símbolo: Zr.
número atómico: 40.
masa atomica: 91.224 cmu
electronegatividad: 1,33.
Punto de fusión: 1855°C.
Punto de ebullición: 4409°C.
Densidad: 6,52 g.cm-3 (a 20°C).
Configuración electrónica: [Kr] 5 s2 4d2.
Serie de química: grupo 4, metales de transición.
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Características del circonio
El circonio, en su forma metálica, es un metal grisáceo y que tiene buena resistencia a la corrosión, principalmente debido a la capa de ZrO2 que se forma a su alrededor, protegiendo la masa metálica interna. Sin embargo, si está finamente dividido, el circonio es altamente pirofórico, es decir, puede inflamarse espontáneamente en contacto con el aire, especialmente a altas temperaturas.
Químicamente, el circonio está muy cerca del hafnio, sobre todo porque los elementos se encuentran juntos en la naturaleza. Por lo tanto, como el hafnio, el circonio no sufre ataques químicos de ácidos diluido (excepto HF) a menos que estén calentados. Las soluciones alcalinas no son muy eficientes en circonio, incluso a temperaturas más altas.
En sistemas de temperatura más alta, el zirconio tiene la capacidad de reaccionar con la mayoría no metales. Al reaccionar se puede observar que los compuestos de zirconio con número de oxidación +4 son los más estables, como es el caso del ZrO2 o ZrCl4. Los estados de oxidación más bajos, como +3, son menos estables, a diferencia de titanio, el elemento más ligero del grupo 4, que tiene buena estabilidad con esta carga.
¿Dónde se puede encontrar el circonio?
Entre los elementos del bloque d de la tabla periódica, el circonio es el cuarto más abundante, detrás planchar, titanio y manganeso. Ellos existen más que 30 minerales que tengoym circonio en su constitución. Entre las más conocidas e importantes se encuentran la zirconita (también conocida como circón), ZrSiO4, y la baddeleyita (o baddeleita), ZrO2. La baddeleyita incluso se encuentra en Brasil.
Los países con mayores reservas de circonio son Australia, Sudáfrica y Mozambique. Sin embargo, los mayores productores son China, Francia, India, Rusia, Alemania y Estados Unidos.
Curiosamente, el circonio Se encuentra abundantemente en algunos estrellas. El elemento fue incluso identificado en el sol y en meteoritos. Las muestras lunares obtenidas a través de las misiones Apolo demostraron un alto contenido de ZrO2 en estas rocas en comparación con las terrestres.
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Obtención de circonio
el circonio ocurre naturalmente con hafnio, siempre con un contenido del segundo elemento que varía del 1 al 3% en masa. A pesar de su bajo contenido, la separación entre ambos es muy difícil.
Comúnmente, el proceso de Kroll se usa para la extracción de circonio. En este proceso, el ZrO2 contenido en los minerales se convierte, a alta temperatura, en ZrCl4. De esta forma, se puede obtener circonio utilizando magnesio como reductor. Las siguientes reacciones demuestran el proceso.
ZrO2 → ZrCl4 (usando CCl4 a 770 K de temperatura)
ZrCl4 → Zr (utilizando Mg en una atmósfera de Ar a 1420 K de temperatura)
Sin embargo, la gran similitud química entre Zr y Hf hace que el hafnio permanezca en el sistema final como una impureza persistente. Así, es necesario uso de técnicas metalúrgicas para la separación entre Zr y Hf. La industria ya desarrolla rutas hidrometalúrgicas (es decir, que se dan en disolución acuosa) y pirometalúrgicas (sin presencia de agua).
Una técnica hidrometalúrgica es la cristalización fraccionada de sales de K2ZrF6 y k2HfF6, que no tienen la misma solubilidad en agua. Otra técnica de solución es la extracción por solvente, mediante la cual se disuelven los compuestos de Zr y Hf. en agua y luego se extrae selectivamente con solventes orgánicos tales como metil isobutil cetona y tributo. Dada la dificultad de separación, el zirconio comercial se comercializa comúnmente con un contenido de 1 a 3% en masa de Hf.
aplicaciones de circonio
El circonio metálico es empleado en ligas, principalmente en acero, para mejorar su resistencia mecánica y a la corrosión. La estabilidad del metal a altas temperaturas también le permite ser utilizado en naves espaciales, que sufren mucho daño debido a las condiciones extremas encontradas durante el reingreso a la atmósfera terrestre.
Como el circonio es reconocido como un elemento no tóxico y altamente resistente a la corrosión, además de tener buena biocompatibilidad, su también se explora el uso en aplicaciones quirúrgicas, como en prótesis dentales e implantes.
Dióxido de circonio, ZrO2, tiene un punto de fusión muy alto, en el rango de 2500 °C. Así, se utiliza en fabricación de envases con alta resistencia al calor, además de cerámica de alta resistencia. Estas cerámicas incluso han sido explotadas en maquinaria de corte por este motivo. El ZrO2 También se puede utilizar en cosméticos, antitranspirantes, envases de alimentos e incluso en piedras preciosas falsas.
Vale la pena señalar que gran parte del zirconio es utilizado por el industria nuclear. Está, por ejemplo, la liga Zircaloy®, una aleación metálica de circonio y estaño desarrollada exclusivamente para fines nucleares.
En la industria nuclear, el circonio es utilizado en envases que contienenêóxido de uranio, combustible de plantas de energía. Por ser altamente resistente al agua y con baja captación de neutrones, resulta ser un buen material para este fin. Vale la pena recordar que los neutrones se utilizan durante fisión, por lo que es fundamental que el circonio no los capture. La no captura también hace que el zirconio no se vea radioactividad. Por eso, en este caso, el zirconio no puede tener trazas de hafnio, un metal que tiene una gran capacidad de captura de neutrones.
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historia del circonio
El nombre circonio probablemente deriva de sargón, una palabra del idioma siríaco que se usa para describir los colores de las piedras preciosas que ahora se conocen como zirconia. Aunque ya se conocían los minerales, no se sabía que contenían un nuevo elemento hasta Martin Heirinch Klaproth, en 1789, logró detectar el elemento en Berlín. El científico alemán decidió nombrar el elemento cuerno de circonio.
El año 1789 fue muy importante para Klaproth, ya que ese mismo año el científico descubrió el elemento uranio.
Ejercicios resueltos sobre circonio
Pregunta 1
(FGV SP/2014 - adaptado) Una clase nueva y prometedora de materiales superconductores se basa en el compuesto diboruro de vanadio y circonio. Este compuesto se sintetiza a partir de una sal de circonio (IV).
(Revista Buscar Fsimio, Junio del 2013. Adaptado)
El número de protones y electrones en el ion Zr4+ es igual a, respectivamente:
A) 36; 40
b) 40; 40
C) 40; 44
D) 40; 36
mi) 36; 36
Respuesta
Letra D
Como el circonio tiene número atómico igual a 40, podemos concluir que su número de protones también es 40, porque el número atómico es numéricamente igual al número de protones.
Presentando una carga igual a +4, sabemos que el circonio en esta forma tiene cuatro electrones a menos que esté en su forma neutra.
Cuando es neutro, el número de protones es igual al número de electrones, es decir, originalmente el circonio tiene 40 protones y 40 electrones. Al perder cuatro electrones, el circonio se queda con solo 36.
Pregunta 2
(Uerj 2013 —adaptado) El dióxido de circonio se parece al diamante, una forma alotrópica de carbono, que puede sustituirse por joyas de bajo costo.
Marca la alternativa que contiene la fórmula química del dióxido de circonio, así como el tipo de enlace interatómico de esta sustancia.
A) ZrO4, covalente.
B) ZrO2, iónico.
C) ZrO2, covalente.
D) ZrO4, iónico.
E) ZrO2, metálico.
Respuesta
Letra b
El dióxido de circonio, como su nombre lo indica, debe contener sólo dos átomos de oxígeno. Por lo tanto, la fórmula esperada es ZrO2. Además, el circonio comúnmente adquiere un estado de oxidación igual a +4.
El tipo de enlace interatómico es iónico, por dos razones:
el circonio es un metal y el oxígeno es un no metal;
la diferencia de electronegatividad entre ambos es superior a 1,7 (3,5 – 1,3 = 2,2).
Por Stefano Araújo Novais
Profesor de química
