O cirkonij, simbol Zr, atomski broj 40, je kemijski element koji pripada skupini 5 Periodni sustav elemenata. Ističe se velikom otpornošću na koroziju, kao i dobrom toplinskom stabilnošću.
element je kemijski vrlo sličan hafnij, te zbog toga svaki prirodni uzorak cirkonija ima mali sadržaj hafnija. Ima ga u izobilju u zemljinoj kori, s mnogo većim udjelom od udjela široko korištenih elemenata kao što su bakar, cink i olovo.
Cirkonij ima široku primjenu u nuklearnoj industriji, jer njegova niska apsorpcija neutrona čini ga izvrsnim premazom za gorivo bogato uranovim dioksidom. Osim toga, budući da se smatra netoksičnim i vrlo biokompatibilnim, cirkonij se koristi u kirurškim protezama i implantatima.
Pročitaj i: Uran — element od velike važnosti za proizvodnju energije
Sažetak o cirkoniju
Cirkonij je a metal koji pripadaju skupini 5 periodnog sustava.
U prirodi se uvijek pojavljuje s malim sadržajem hafnija, budući da su ti elementi kemijski vrlo slični.
Cirkonit i baddeleit su glavne cirkonijeve rude.
Razdvajanje cirkonija i hafnija je vrlo teško.
Cirkonij ima dobru otpornost na koroziju i visoke temperature.
Može se koristiti u zubnim implantatima i drugim protezama, jer je netoksičan i ima visoku biokompatibilnost.
Velik dio cirkonija koristi nuklearna industrija.
Element je 1789. godine otkrio njemački znanstvenik Martin Klaproth.
Svojstva cirkonija
Simbol: Zr.
atomski broj: 40.
atomska masa: 91.224 c.m.u.
elektronegativnost: 1,33.
Točka spajanjatemperatura: 1855°C.
Vrelištetemperatura: 4409°C.
Gustoća: 6,52 g.cm-3 (na 20°C).
elektronička konfiguracija: [Kr] 5s2 4d2.
Serija o kemiji: skupina 4, prijelazni metali.
Značajke cirkonija
Cirkonij, u svom metalnom obliku, je a sivkasti metal i koji ima dobru otpornost na koroziju, uglavnom zbog sloja ZrO2 koji se formira oko njega, štiteći unutarnju metalnu masu. Međutim, ako je fino podijeljen, cirkonij je vrlo piroforan, odnosno može se spontano zapaliti u dodiru sa zrakom, osobito pri visokim temperaturama.
Kemijski je cirkonij vrlo blizak hafniju, ne samo zato što se elementi pojavljuju zajedno u prirodi. Stoga, kao i hafnij, cirkonij ne trpi kemijske napade od kiseline razrijeđen (osim HF) osim ako nisu zagrijane. Alkalne otopine nisu vrlo učinkovite na cirkoniju, čak ni pri višim temperaturama.
U sustavima s višim temperaturama, cirkonij ima sposobnost reagiranja s većinom nemetali. Pri reakciji se može vidjeti da su spojevi cirkonija s oksidacijskim brojem +4 najstabilniji, kao što je slučaj ZrO2 ili ZrCl4. Niža oksidacijska stanja, kao što je +3, su manje stabilna, za razliku od titanijum, najlakši element u skupini 4, koji ima dobru stabilnost s ovim opterećenjem.
Gdje se cirkonij može naći?
Među elementima d-bloka periodnog sustava, cirkonij je četvrti najzastupljeniji, iza željezo, titan i mangan. Oni postoje više od 30 rude koje imamim cirkonij u svojoj konstituciji. Među najpoznatijim i najvažnijim su cirkonit (također poznat kao cirkon), ZrSiO4 i baddeleit (ili baddeleit), ZrO2. Baddeleyite se čak nalazi u Brazilu.
Zemlje s najvećim rezervama cirkonija su Australija, Južna Afrika i Mozambik. Ipak, najveći proizvođači su Kina, Francuska, Indija, Rusija, Njemačka i Sjedinjene Američke Države.
Zanimljivo, cirkonij U nekima se nalazi u izobilju zvijezde. Element je čak identificiran u Sunce i u meteoritima. Lunarni uzorci dobiveni u misijama Apollo pokazali su visok sadržaj ZrO2 u ovim stijenama u usporedbi s kopnenim.
Vidi također: Zlato — plemeniti metal koji se ističe dobrom električnom vodljivošću
Dobivanje cirkonija
cirkonij prirodno se javlja s hafnijem, uvijek sa sadržajem drugog elementa koji varira od 1 do 3% mase. Unatoč niskom sadržaju, razdvajanje između njih je vrlo teško.
Obično se Kroll proces koristi za ekstrakciju cirkonija. U ovom procesu, ZrO2 sadržan u rudama se pri visokoj temperaturi pretvara u ZrCl4. Na taj se način može dobiti cirkonij korištenjem magnezija kao reduktora. Sljedeće reakcije pokazuju proces.
ZrO2 → ZrCl4 (pomoću CCl4 na temperaturi od 770 K)
ZrCl4 → Zr (koristeći Mg u atmosferi Ar na temperaturi od 1420 K)
Međutim, velika kemijska sličnost između Zr i Hf znači da hafnij ostaje u konačnom sustavu kao postojana nečistoća. Dakle, potrebno je da se korištenje metalurških tehnika za odvajanje Zr i Hf. Industrija već razvija hidrometalurške (tj. koje se javljaju u vodenoj otopini) i pirometalurške (bez prisutnosti vode) puteve.
Hidrometalurška tehnika je frakcijska kristalizacija K soli2ZrF6 i K2HfF6, koji nemaju istu topljivost u vodi. Druga tehnika rješenja je ekstrakcija otapalom, pri čemu se spojevi Zr i Hf otapaju. u vodi i zatim selektivno ekstrahira organskim otapalima kao što je metil izobutil keton i danak. S obzirom na poteškoće odvajanja, komercijalni cirkonij se obično prodaje sa sadržajem od 1 do 3% mase Hf.
primjene cirkonija
Metalni cirkonij je zaposlen u lige, uglavnom u čeliku, kako bi bili bolji u smislu mehaničke i korozivne otpornosti. Stabilnost metala na visokim temperaturama također mu omogućuje da bude koristi se u svemirskim brodovima, koji trpe veliku štetu zbog ekstremnih uvjeta na koje se susreću prilikom ponovnog ulaska u Zemljinu atmosferu.
Kako je cirkonij prepoznat kao netoksičan i vrlo otporan na koroziju element, osim što ima dobru biokompatibilnost, njegov također se istražuje korištenje u kirurškim primjenama, kao kod zubnih proteza i implantata.
Cirkonijev dioksid, ZrO2, ima vrlo visoko talište, u rasponu od 2500 °C. Dakle, koristi se u proizvodnja spremnika visoke otpornosti na toplinu, uz vrlo otpornu keramiku. Ta je keramika iz tog razloga čak korištena u strojevima za rezanje. ZrO2 Također se može koristiti u kozmetici, antiperspirantima, pakiranju hrane, pa čak i lažnom dragom kamenju.
Vrijedi napomenuti da veliki dio cirkonija koristi nuklearna industrija. Postoji npr. Z ligaircaloy®, metalna legura cirkonija i kositra razvijena isključivo za nuklearne svrhe.
U nuklearnoj industriji cirkonij je koristi se u pakiranju koje sadržiêm uranijev oksid, gorivo od elektrane. Budući da je vrlo otporan na vodu i s malim zahvaćanjem neutroni, pokazalo se da je dobar materijal za tu svrhu. Vrijedno je zapamtiti da se neutroni koriste tijekom fisija, te je stoga bitno da ih cirkonij ne hvata. Nezahvatanje također uzrokuje da se cirkonij ne vidi radioaktivnost. Zato u ovom slučaju cirkonij ne može imati tragove hafnija, metala koji ima veliku sposobnost hvatanja neutrona.
Provjerite na našem podcastu:Kako rade nuklearne elektrane?
povijest cirkonija
Naziv cirkonij vjerojatno potječe od sargone, riječ iz sirijskog jezika koja se koristi za opisivanje boja dragog kamenja koje je danas poznato kao cirkonij. Iako su minerali već bili poznati, nije se znalo da sadrže novi element do Martin Heirinch Klaproth je 1789. uspio otkriti element u Berlinu. Njemački znanstvenik odlučio je dati ime elementu cirkhorn.
Godina 1789. bila je vrlo važna za Klaprotha, jer je te iste godine znanstvenik otkrio element uran.
Riješene vježbe na cirkoniju
Pitanje 1
(FGV SP/2014 - adaptirano) Nova i obećavajuća klasa supravodljivih materijala temelji se na spoju vanadijevog cirkonijevog diborida. Ovaj spoj se sintetizira iz cirkonijeve (IV) soli.
(Časopis Traži Fapesp, Lipanj 2013. prilagođeno)
Broj protona i elektrona u Zr ionu4+ jednaka je, odnosno:
A) 36; 40
B) 40; 40
C) 40; 44
D) 40; 36
E) 36; 36
Odgovor
Slovo D
Kao što ima cirkonij atomski broj jednak 40, možemo zaključiti da je njegov broj protona je također 40, jer je atomski broj brojčano jednak broju protona.
Predstavljajući naboj jednak +4, znamo da cirkonij u ovom obliku ima četiri elektrona osim u svom neutralnom obliku.
Kada je neutralan, broj protona jednak je broju elektrona, odnosno izvorno cirkonij ima 40 protona i 40 elektrona. Izgubivši četiri elektrona, cirkonij ostaje sa samo 36.
pitanje 2
(Uerj 2013 —prilagođeno) Cirkonijev dioksid podsjeća na dijamant, alotropni oblik ugljika, koji se može zamijeniti za jeftin nakit.
Označite alternativu koja sadrži kemijsku formulu cirkonijevog dioksida, kao i vrstu međuatomske veze ove tvari.
A) ZrO4, kovalentna.
B) ZrO2, ionski.
C) ZrO2, kovalentna.
D) ZrO4, ionski.
E) ZrO2, metalik.
Odgovor
Slovo B
Cirkonijev dioksid, kao što mu ime govori, mora sadržavati samo dva atoma kisik. Dakle, očekivana formula je ZrO2. Osim toga, cirkonij obično poprima oksidacijsko stanje jednako +4.
Vrsta međuatomske veze je ionski, iz dva razloga:
cirkonij je metal, a kisik je nemetal;
razlika od elektronegativnost između oba je veći od 1,7 (3,5 – 1,3 = 2,2).
Autor Stefano Araújo Novais
Učiteljica kemije
