O zirkonium, symboli Zr, atominumero 40, on kemiallinen alkuaine, joka kuuluu ryhmään 5 Jaksollinen järjestelmä. Se erottuu erinomaisesta korroosionkestävyydestään sekä hyvästä lämmönkestävyydestään.
elementti on kemiallisesti hyvin samanlainen hafnium, ja tämän vuoksi jokaisessa luonnonzirkoniumnäytteessä on pieni hafniumpitoisuus. Sitä on runsaasti maankuoressa, ja sen pitoisuus on paljon suurempi kuin yleisesti käytettyjen alkuaineiden, kuten kuparin, sinkin ja lyijyn, pitoisuus.
Zirkoniumilla on laaja sovellus ydinteollisuudessa, koska sen alhainen neutroniabsorptio tekee siitä erinomaisen pinnoitteen uraanidioksidipitoiselle polttoaineelle. Lisäksi, koska zirkoniumia pidetään myrkyttömänä ja erittäin bioyhteensopivana, sitä käytetään kirurgisissa proteeseissa ja implanteissa.
Lue myös: Uraani – energiantuotannon kannalta erittäin tärkeä elementti
Yhteenveto zirkoniumista
Zirkonium on a metalli- kuuluvat jaksollisen järjestelmän ryhmään 5.
Se esiintyy luonnossa aina pienellä hafniumpitoisuudella, koska nämä alkuaineet ovat kemiallisesti hyvin samankaltaisia.
Zirkoniitti ja baddeleyiitti ovat tärkeimmät zirkoniummalmit.
Zirkoniumin ja hafniumin erottaminen toisistaan on erittäin vaikeaa.
Zirkonium kestää korroosiota ja kestää korkeita lämpötiloja.
Sitä voidaan käyttää hammasimplanteissa ja muissa proteeseissa, koska se on myrkytön ja sillä on korkea biologinen yhteensopivuus.
Suurin osa zirkoniumista käytetään ydinteollisuudessa.
Saksalainen tiedemies Martin Klaproth löysi alkuaineen vuonna 1789.
Zirkoniumin ominaisuudet
Symboli: Zr.
atominumero: 40.
atomimassa: 91.224 c.m.u.
elektronegatiivisuus: 1,33.
Fuusiopiste: 1855 °C.
Kiehumispiste: 4409 °C.
Tiheys: 6,52 g.cm-3 (20 °C: ssa).
elektroninen konfigurointi: [Kr] 5s2 4d2.
Kemia-sarja: ryhmä 4, siirtymämetallit.
Zirkoniumin ominaisuudet
Zirkonium, metallisessa muodossaan, on a harmahtava metalli ja jolla on hyvä korroosionkestävyys pääasiassa ZrO-kerroksen ansiosta2 joka muodostuu sen ympärille ja suojaa sisäistä metallimassaa. Hienojakoisena zirkonium on kuitenkin erittäin pyroforinen, eli se voi syttyä itsestään joutuessaan kosketuksiin ilman kanssa, erityisesti korkeissa lämpötiloissa.
Kemiallisesti zirkonium on hyvin lähellä hafniumia, ei vähiten siksi, että alkuaineet esiintyvät yhdessä luonnossa. Siksi, kuten hafnium, zirkonium ei kärsi kemiallisista hyökkäyksistä hapot laimennettuna (paitsi HF), ellei niitä lämmitetä. Emäksiset liuokset eivät ole kovin tehokkaita zirkoniumiin edes korkeammissa lämpötiloissa.
Korkeammissa lämpötiloissa zirkonium pystyy reagoimaan useimpien kanssa epämetallit. Reagoiessaan voidaan nähdä, että zirkoniumyhdisteet, joiden hapetusluku on +4, ovat stabiileimpia, kuten ZrO: n tapauksessa2 tai ZrCl4. Alemmat hapetusasteet, kuten +3, ovat vähemmän stabiileja, eroa titaani, ryhmän 4 kevyin elementti, jolla on hyvä vakaus tällä kuormalla.
Mistä zirkoniumia löytyy?
Jaksollisen järjestelmän d-lohkoelementeistä zirkonium on neljänneksi yleisin, jäljessä rauta-, titaani ja mangaani. Ne ovat olemassa lisää 30 malmia joita minulla onjam zirkoniumia sen rakenteessa. Tunnetuimpia ja tärkeimpiä ovat zirkoniitti (tunnetaan myös nimellä zirkon), ZrSiO4 ja baddeleyiitti (tai baddeleiitti), ZrO2. Baddeleyite löytyy jopa Brasiliasta.
Suurimmat zirkoniumvarat ovat Australiassa, Etelä-Afrikassa ja Mosambikissa. Suurimmat tuottajat ovat kuitenkin Kiina, Ranska, Intia, Venäjä, Saksa ja Yhdysvallat.
Mielenkiintoista, zirkonium Sitä löytyy runsaasti joissakin tähdet. Elementti tunnistettiin jopa Aurinko ja meteoriiteissa. Apollo-lentojen kautta saadut kuunäytteet osoittivat korkean ZrO-pitoisuuden2 näissä kivissä maanpäällisiin kiviin verrattuna.
Katso myös: Kulta – jalometalli, joka erottuu hyvästä sähkönjohtavuudestaan
Zirkoniumin saaminen
zirkoniumia esiintyy luonnollisesti hafniumin kanssa, aina toisen alkuaineen pitoisuus vaihtelee 1 - 3 massaprosenttia. Huolimatta niiden alhaisesta sisällöstä, näiden kahden erottaminen on erittäin vaikeaa.
Yleisesti Kroll-prosessia käytetään zirkoniumin uuttamiseen. Tässä prosessissa ZrO2 malmien sisältämä muunnetaan korkeassa lämpötilassa ZrCl: ksi4. Tällä tavalla zirkoniumia voidaan saada käyttämällä magnesiumia pelkistimenä. Seuraavat reaktiot osoittavat prosessin.
ZrO2 → ZrCl4 (käyttäen CCl4 770 K lämpötilassa)
ZrCl4 → Zr (käyttäen Mg: tä Ar-ilmakehässä 1420 K lämpötilassa)
Kuitenkin suuri kemiallinen samankaltaisuus Zr: n ja Hf: n välillä tarkoittaa, että hafnium jää lopulliseen systeemiin pysyvänä epäpuhtautena. Näin ollen on välttämätöntä metallurgisten tekniikoiden käyttö Zr: n ja Hf: n erottamiseen. Teollisuus kehittää jo hydrometallurgisia (eli vesiliuoksessa esiintyviä) ja pyrometallurgisia (ilman vettä) reittejä.
Hydrometallurginen tekniikka on K-suolojen fraktiokiteyttäminen2ZrF6 ja K2HfF6, joilla ei ole samaa vesiliukoisuutta. Toinen liuostekniikka on liuotinuutto, jossa Zr- ja Hf-yhdisteet liuotetaan. vedessä ja uutetaan sitten selektiivisesti orgaanisilla liuottimilla, kuten metyyli-isobutyyliketonilla ja kunnianosoitus. Erottamisen vaikeudesta johtuen kaupallista zirkoniumia markkinoidaan yleisesti 1-3 massa-% Hf: n pitoisuudella.
zirkoniumsovelluksia
Metallinen zirkonium on työllistetty vuonna liigat, pääasiassa teräksessä, jotta ne olisivat parempia mekaanisen ja korroosionkestävyyden suhteen. Metallin stabiilisuus korkeissa lämpötiloissa mahdollistaa myös sen käytetään avaruusaluksissa, jotka kärsivät paljon vahinkoa äärimmäisistä olosuhteista johtuen, kun ne palasivat maan ilmakehään.
Koska zirkonium on tunnustettu myrkyttömäksi ja erittäin korroosionkestäväksi elementiksi, sen bioyhteensopivuus on hyvä. Käyttöä kirurgisissa sovelluksissa tutkitaan myös, kuten hammasproteesit ja implantit.
Zirkoniumdioksidi, ZrO2, sen sulamispiste on erittäin korkea, alueella 2500 °C. Näin ollen sitä käytetään mm korkean lämmönkestävyyden omaavien säiliöiden valmistus, erittäin kestävän keramiikan lisäksi. Tätä keramiikkaa on käytetty jopa leikkauskoneissa tästä syystä. ZrO2 Sitä voidaan käyttää myös kosmetiikassa, antiperspiranteissa, elintarvikepakkauksissa ja jopa väärennetyissä jalokivissä.
On syytä huomata, että suuren osan zirkoniumista käyttää ydinteollisuus. Siellä on esimerkiksi Z-liigaircaloy®zirkoniumin ja tinan metalliseos, joka on kehitetty yksinomaan ydintarkoituksiin.
Ydinteollisuudessa zirkonium on käytetään pakkauksissa, jotka sisältävätêm uraanioksidia, polttoainetta voimalaitokset. Koska se kestää hyvin vettä ja sietää vähän vettä neutroneja, se osoittautuu hyväksi materiaaliksi tähän tarkoitukseen. On syytä muistaa, että neutroneja käytetään aikana fissio, ja siksi on tärkeää, että zirkonium ei vangitse niitä. Sieppaamattomuus aiheuttaa myös sen, että zirkonium ei näy radioaktiivisuus. Siksi tässä tapauksessa zirkoniumissa ei voi olla jälkiä hafniumista, metallista, jolla on suuri kyky vangita neutroneja.
Katso se podcastistamme:Miten ydinvoimalat toimivat?
zirkoniumin historia
Nimi zirkonium on todennäköisesti peräisin sargone, sana syyriasta, jota käytetään kuvaamaan jalokivien värejä, jotka tunnetaan nykyään zirkoniana. Vaikka mineraalit olivat jo tiedossa, niiden sisältäneen uutta alkuainetta ei tiedetty ennen kuin Martin Heirinch Klaproth onnistui vuonna 1789 havaitsemaan elementin Berliinissä. Saksalainen tiedemies päätti nimetä elementin zirkhorn.
Vuosi 1789 oli Klaprothille erittäin tärkeä, sillä samana vuonna tiedemies löysi alkuaineen uraanin.
Ratkaistiin harjoituksia zirkoniumilla
Kysymys 1
(FGV SP/2014 - mukautettu) Uusi ja lupaava suprajohtavien materiaalien luokka perustuu vanadiinizirkoniumdiboridiyhdisteeseen. Tämä yhdiste syntetisoidaan zirkonium(IV)suolasta.
(Lehti Hae Fapesp, Kesäkuu 2013. mukautettu)
Protonien ja elektronien lukumäärä Zr-ionissa4+ on yhtä suuri kuin vastaavasti:
A) 36; 40
B) 40; 40
C) 40; 44
D) 40; 36
E) 36; 36
Vastaa
Kirjain D
Kuten zirkoniumillakin atominumero yhtä suuri kuin 40, voimme päätellä, että sen lukumäärä protonit on myös 40, koska atomiluku on numeerisesti yhtä suuri kuin protonien lukumäärä.
Kun varaus on yhtä suuri kuin +4, tiedämme, että zirkoniumia tässä muodossa on neljä elektroneja ellei sen neutraalissa muodossa.
Neutraalissa protonien lukumäärä on yhtä suuri kuin elektronien lukumäärä, eli alun perin zirkoniumissa on 40 protonia ja 40 elektronia. Kun zirkoniumia häviää neljä elektronia, jäljelle jää vain 36.
kysymys 2
(Uerj 2013 —mukautettu) Zirkoniumdioksidi muistuttaa timanttia, hiilen allotrooppista muotoa, jolla voidaan korvata edullisia koruja.
Merkitse vaihtoehto, joka sisältää zirkoniumdioksidin kemiallisen kaavan sekä tämän aineen atomien välisen sidoksen tyypin.
A) ZrO4, kovalenttinen.
B) ZrO2, ioninen.
C) ZrO2, kovalenttinen.
D) ZrO4, ioninen.
E) ZrO2, metallinen.
Vastaa
Kirjain B
Zirkoniumdioksidin, kuten sen nimi kertoo, tulee sisältää vain kaksi atomia happi. Siten odotettu kaava on ZrO2. Lisäksi zirkonium saavuttaa yleensä hapetusasteen, joka on yhtä suuri kuin +4.
Atomien välisen sidoksen tyyppi on ioninen, kahdesta syystä:
zirkonium on metalli ja happi ei-metalli;
ero elektronegatiivisuus molempien välillä on suurempi kuin 1,7 (3,5 - 1,3 = 2,2).
Kirjailija: Stefano Araújo Novais
Kemian opettaja