O cirkónium, szimbólum Zr, rendszáma 40, az 5. csoportjába tartozó kémiai elem Periódusos táblázat. Kiváló korrózióállóságával, valamint jó termikus stabilitásával tűnik ki.
az elem az kémiailag nagyon hasonló hafnium, és emiatt minden természetes cirkóniumminta kis hafniumtartalmú. Bőségesen fordul elő a földkéregben, sokkal magasabb tartalma, mint a széles körben használt elemek, például a réz, a cink és az ólom.
A cirkóniumnak van széles körben alkalmazható a nukleáris iparban, mivel alacsony neutronabszorpciója kiváló bevonattá teszi az urán-dioxidban gazdag üzemanyagok számára. Ezenkívül, mivel nem mérgezőnek és nagyon biokompatibilisnek tartják, a cirkóniumot sebészeti protézisekben és implantátumokban használják.
Olvasd el te is: Az urán – az energiatermelésben nagy jelentőségű elem
Összegzés a cirkóniumról
A cirkónium a fém a periódusos rendszer 5. csoportjába tartozó.
A természetben mindig kis hafniumtartalommal jelenik meg, mivel ezek az elemek kémiailag nagyon hasonlóak.
A cirkonit és a baddeleit a fő cirkóniumércek.
A cirkónium és a hafnium szétválasztása nagyon nehéz.
A cirkónium jó korrózióállósággal és magas hőmérsékleti ellenállással rendelkezik.
Használható fogászati implantátumokban és egyéb protézisekben, mivel nem mérgező és nagy a biokompatibilitása.
A cirkónium nagy részét a nukleáris ipar használja fel.
Az elemet Martin Klaproth német tudós fedezte fel 1789-ben.
A cirkónium tulajdonságai
Szimbólum: Zr.
atomszám: 40.
atomtömeg: 91.224 c.m.u.
elektronegativitás: 1,33.
Fúziós pontOlvadáspont: 1855 °C.
ForráspontOlvadáspont: 4409 °C.
Sűrűség: 6,52 g.cm-3 (20 °C-on).
elektronikus konfiguráció: [Kr] 5s2 4d2.
Kémia sorozat: 4. csoport, átmeneti fémek.
A cirkónium jellemzői
A cirkónium fémes formájában a szürkés fém és jó korrózióállóságú, főleg a ZrO réteg miatt2 amely körülötte képződik, védve a belső fémtömeget. Finom eloszlás esetén azonban a cirkónium erősen piroforos, azaz levegővel érintkezve spontán meggyulladhat, különösen magas hőmérsékleten.
Kémiailag a cirkónium nagyon közel áll a hafniumhoz, nem utolsósorban azért, mert az elemek együtt fordulnak elő a természetben. Ezért, mint a hafnium, a cirkónium nem szenved kémiai támadásoktól savak hígított (kivéve HF), kivéve, ha fűtöttek. A lúgos oldatok még magasabb hőmérsékleten sem túl hatékonyak a cirkóniumon.
Magasabb hőmérsékletű rendszerekben a cirkónium képes reagálni a legtöbbtel nemfémek. A reakció során látható, hogy a +4 oxidációs számmal rendelkező cirkóniumvegyületek a legstabilabbak, akárcsak a ZrO2 vagy ZrCl4. Az alacsonyabb oxidációs állapotok, mint például a +3, kevésbé stabilak, ez a különbség titán, a 4. csoport legkönnyebb eleme, amely jó stabilitást mutat ezzel a terheléssel.
Hol található a cirkónium?
A periódusos rendszer d-blokk elemei között a cirkónium a negyedik legelterjedtebb, mögötte Vas, titán és mangán. Léteznek több 30 ércek, amelyek nálam vannakésm cirkóniumot tartalmaz. A legismertebb és legfontosabbak közé tartozik a cirkonit (más néven cirkon), a ZrSiO4 és a baddeleit (vagy baddeleit), a ZrO2. A baddeleyite még Brazíliában is megtalálható.
A legnagyobb cirkóniumkészlettel rendelkező országok Ausztrália, Dél-Afrika és Mozambik. A legnagyobb termelők azonban Kína, Franciaország, India, Oroszország, Németország és az Egyesült Államok.
Érdekes módon cirkónium Némelyikben bőségesen megtalálható csillagok. Az elemet még a Nap és meteoritokban. Az Apollo-küldetések során nyert holdminták magas ZrO-tartalmat mutattak2 ezekben a kőzetekben a földiekhez képest.
Lásd még: Arany – nemesfém, amely kitűnik jó elektromos vezetőképességével
Cirkónium beszerzése
a cirkónium természetesen előfordul hafniummal, mindig a második elem tartalma 1 és 3 tömeg% között változik. Alacsony tartalmuk ellenére nagyon nehéz elválasztani a kettőt.
Általában a Kroll eljárást használják cirkónium extrakcióra. Ebben a folyamatban a ZrO2 Az ércekben lévő anyag magas hőmérsékleten ZrCl-dá alakul4. Ily módon cirkóniumot nyerhetünk magnézium redukálószerként történő felhasználásával. A következő reakciók a folyamatot mutatják be.
ZrO2 → ZrCl4 (CCl használatával4 770 K hőmérsékleten)
ZrCl4 → Zr (Mg használata Ar atmoszférában 1420 K hőmérsékleten)
A Zr és a Hf közötti nagy kémiai hasonlóság azonban azt jelenti, hogy a hafnium perzisztens szennyeződésként marad a végső rendszerben. Ezért szükséges metallurgiai technikák alkalmazása a Zr és a Hf szétválasztására. Az ipar már fejleszt hidrometallurgiai (azaz vizes oldatban előforduló) és pirometallurgiai (víz jelenléte nélkül) utakat.
A hidrometallurgiai technika a K-sók frakcionált kristályosítása2ZrF6 és K2HfF6, amelyek vízben való oldhatósága nem azonos. Egy másik megoldási technika az oldószeres extrakció, melynek során a Zr és a Hf vegyületeket oldják. vízben, majd szelektíven extraháljuk szerves oldószerekkel, például metil-izobutil-ketonnal és tisztelgés. Tekintettel az elválasztás nehézségeire, a kereskedelmi forgalomban lévő cirkóniumot általában 1-3 tömegszázalék Hf-tartalommal hozzák forgalomba.
cirkónium alkalmazások
A fémes cirkónium az -ban foglalkoztatták ligákban, főleg acélban, hogy jobbak legyenek a mechanikai és korrózióállóság szempontjából. A fém stabilitása magas hőmérsékleten is lehetővé teszi űrhajókban használják, amelyek a Föld légkörébe való visszatérés során tapasztalt extrém körülmények miatt sok kárt szenvednek.
Mivel a cirkónium nem mérgező és nagyon korrózióálló elem, amellett, hogy jó biokompatibilitással rendelkezik, sebészeti alkalmazásokban való felhasználását is vizsgálják, mint a fogpótlásoknál és implantátumoknál.
Cirkónium-dioxid, ZrO2, nagyon magas olvadáspontja van, 2500 °C tartományban. Így használatos a nagy hőállóságú tartályok gyártása, a rendkívül ellenálló kerámiák mellett. Ezeket a kerámiákat emiatt még a vágógépekben is hasznosították. A ZrO2 Használható kozmetikumokban, izzadásgátlókban, élelmiszer-csomagolásokban és akár hamis drágakövekben is.
Érdemes megjegyezni, hogy a cirkónium nagy részét a nukleáris ipar. Ott van például a Z ligaircaloy®, cirkónium és ón fémötvözete, amelyet kizárólag nukleáris célokra fejlesztettek ki.
A nukleáris iparban a cirkónium az tartalmazó csomagolásban használjákêm urán-oxid, üzemanyag a erőművek. Mivel nagyon ellenáll a víznek, és alacsony a befogása neutronok, jó anyagnak bizonyul erre a célra. Érdemes megjegyezni, hogy közben neutronokat használnak maghasadás, ezért elengedhetetlen, hogy a cirkónium ne ragadja meg őket. A befogás hiánya azt is okozza, hogy a cirkónium nem jelenik meg radioaktivitás. Ez az oka annak, hogy ebben az esetben a cirkóniumban nem lehet nyomokban hafnium, egy olyan fém, amely nagy neutronbefogási képességgel rendelkezik.
Nézd meg podcastunkban:Hogyan működnek az atomerőművek?
a cirkónium története
A cirkónium elnevezés valószínűleg innen ered sargone, a szír nyelvből származó szó, amelyet a ma cirkóniaként ismert drágakövek színeinek leírására használnak. Bár az ásványok már ismertek voltak, addig nem lehetett tudni, hogy új elemet tartalmaznak Martin Heirinch Klaprothnak 1789-ben sikerült észlelnie az elemet Berlinben. A német tudós úgy döntött, hogy elnevezi az elemet zirkhorn.
Az 1789-es év nagyon fontos volt Klaproth számára, mivel ugyanebben az évben fedezte fel a tudós az urán elemet.
Gyakorlatokat megoldott cirkóniumon
1. kérdés
(FGV SP/2014 – adaptálva) A szupravezető anyagok új és ígéretes osztálya a vanádium-cirkónium-diborid vegyületen alapul. Ezt a vegyületet cirkónium (IV) sóból állítják elő.
(Magazin Keresés Fmajommajom, 2013 Június. adaptált)
A protonok és elektronok száma a Zr-ionban4+ egyenlő a következőkkel:
A) 36; 40
B) 40; 40
C) 40; 44
D) 40; 36
E) 36; 36
Válasz
D betű
Ahogy a cirkónium is atomszám egyenlő 40, arra a következtetésre juthatunk, hogy a száma protonok szintén 40, mert az atomszám számszerűen megegyezik a protonok számával.
Ha egy +4 töltést mutatunk be, tudjuk, hogy ebben a formában a cirkóniumnak négy van elektronok hacsak nem semleges formájában.
Semleges állapotban a protonok száma megegyezik az elektronok számával, vagyis eredetileg a cirkóniumnak 40 protonja és 40 elektronja van. Négy elektron elvesztésével a cirkóniumnak csak 36 marad.
2. kérdés
(Uerj 2013 —adaptált) A cirkónium-dioxid a gyémántra hasonlít, a szén egy allotróp formájára, amely helyettesíthető olcsó ékszerekkel.
Jelölje meg azt az alternatívát, amely tartalmazza a cirkónium-dioxid kémiai képletét, valamint az anyag atomközi kötésének típusát.
A) ZrO4, kovalens.
B) ZrO2, ionos.
C) ZrO2, kovalens.
D) ZrO4, ionos.
E) ZrO2, fémes.
Válasz
B betű
A cirkónium-dioxid, ahogy a neve is sugallja, csak két atomot tartalmazhat oxigén. Így a várt képlet ZrO2. Ezenkívül a cirkónium általában +4 oxidációs állapotot vesz fel.
Az atomközi kötés típusa a ión, két okból:
A cirkónium egy fém, az oxigén pedig egy nemfém;
a különbség elektronegativitás a kettő között nagyobb, mint 1,7 (3,5 – 1,3 = 2,2).
Írta: Stefano Araújo Novais
Kémia tanár
