o zirconio, simbolo Zr, numero atomico 40, è un elemento chimico appartenente al gruppo 5 del Tavola periodica. Si distingue per la sua grande resistenza alla corrosione, oltre che per la buona stabilità termica.
l'elemento è chimicamente molto simile a afnio, e per questo motivo ogni campione di zirconio naturale ha un piccolo contenuto di afnio. È abbondante nella crosta terrestre, con un contenuto molto superiore a quello di elementi ampiamente utilizzati come rame, zinco e piombo.
Lo zirconio ha ampia applicazione nell'industria nucleare, poiché il suo basso assorbimento di neutroni lo rende un eccellente rivestimento per combustibili ricchi di biossido di uranio. Inoltre, essendo considerato atossico e molto biocompatibile, lo zirconio viene utilizzato nelle protesi chirurgiche e negli impianti.
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Riepilogo sullo zirconio
Lo zirconio è un metallo appartenenti al gruppo 5 della Tavola Periodica.
Appare sempre in natura con un piccolo contenuto di afnio, poiché questi elementi sono chimicamente molto simili.
Zirconite e baddeleyite sono i principali minerali di zirconio.
La separazione tra zirconio e afnio è molto difficile.
Lo zirconio ha una buona resistenza alla corrosione e alle alte temperature.
Può essere utilizzato in impianti dentali e altre protesi, in quanto non è tossico e ha un'elevata biocompatibilità.
Gran parte dello zirconio è utilizzato dall'industria nucleare.
L'elemento fu scoperto nel 1789 dallo scienziato tedesco Martin Klaproth.
Proprietà dello zirconio
Simbolo: Zr.
numero atomico: 40.
massa atomica: 91.224 c.m.u.
elettronegatività: 1,33.
Punto di fusione: 1855°C.
Punto di ebollizione: 4409°C.
Densità: 6,52 g.cm-3 (a 20°C).
configurazione elettronica: [Kr] 5s2 4d2.
Serie di chimica: gruppo 4, metalli di transizione.
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Caratteristiche dello zirconio
Lo zirconio, nella sua forma metallica, è a metallo grigiastro e che ha una buona resistenza alla corrosione, principalmente a causa dello strato di ZrO2 che si forma intorno ad esso, proteggendo la massa metallica interna. Tuttavia, se finemente suddiviso, lo zirconio è altamente piroforico, cioè può accendersi spontaneamente a contatto con l'aria, soprattutto ad alte temperature.
Chimicamente, lo zirconio è molto vicino all'afnio, anche perché gli elementi si trovano insieme in natura. Pertanto, come l'afnio, lo zirconio non subisce attacchi chimici da acidi diluito (tranne HF) a meno che non siano riscaldati. Le soluzioni alcaline non sono molto efficaci sullo zirconio, anche a temperature più elevate.
Nei sistemi a temperatura più elevata, lo zirconio ha la capacità di reagire con la maggior parte non metalli. Quando reagisce, si può vedere che i composti di zirconio con numero di ossidazione +4 sono i più stabili, come nel caso di ZrO2 o ZrCl4. Gli stati di ossidazione inferiori, come +3, sono meno stabili, a differenza di titanio, l'elemento più leggero del gruppo 4, che ha una buona stabilità con questo carico.
Dove si trova lo zirconio?
Tra gli elementi del blocco D della Tavola Periodica, lo zirconio è il quarto più abbondante, dietro ferro, titanio e manganese. Loro esistono più di 30 minerali che hoem zirconio nella sua costituzione. Tra le più note e importanti ci sono la zirconite (nota anche come zircone), ZrSiO4, e la baddeleyite (o baddeleite), ZrO2. La baddeleyite si trova anche in Brasile.
I paesi con le maggiori riserve di zirconio sono Australia, Sud Africa e Mozambico. Tuttavia, i maggiori produttori sono Cina, Francia, India, Russia, Germania e Stati Uniti.
È interessante notare che lo zirconio Si trova abbondantemente in alcuni stelle. L'elemento è stato addirittura individuato nel sole e nei meteoriti. I campioni lunari ottenuti attraverso le missioni Apollo hanno dimostrato un alto contenuto di ZrO2 in queste rocce rispetto a quelle terrestri.
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Ottenere zirconio
lo zirconio si trova naturalmente con l'afnio, sempre con un contenuto del secondo elemento che varia dall'1 al 3% in massa. Nonostante il loro basso contenuto, la separazione tra i due è molto difficile.
Comunemente, il processo Kroll viene utilizzato per l'estrazione dello zirconio. In questo processo, ZrO2 contenuto nei minerali viene convertito, ad alta temperatura, in ZrCl4. In questo modo si può ottenere lo zirconio utilizzando il magnesio come riducente. Le seguenti reazioni dimostrano il processo.
ZrO2 → ZrCl4 (usando CCl4 a 770 K di temperatura)
ZrCl4 → Zr (usando Mg in un'atmosfera di Ar a 1420 K di temperatura)
Tuttavia, la grande somiglianza chimica tra Zr e Hf significa che l'afnio rimane nel sistema finale come impurità persistente. Pertanto, è necessario uso di tecniche metallurgiche per la separazione tra Zr e Hf. L'industria già sviluppa percorsi idrometallurgici (ovvero che avvengono in soluzione acquosa) e pirometallurgici (senza presenza di acqua).
Una tecnica idrometallurgica è la cristallizzazione frazionata dei sali K2ZrF6 e K2HfF6, che non hanno la stessa solubilità in acqua. Un'altra tecnica di soluzione è l'estrazione con solvente, per cui i composti Zr e Hf vengono sciolti. in acqua e quindi estratta selettivamente con solventi organici quali metilisobutilchetone e omaggio. Data la difficoltà di separazione, lo zirconio commerciale è comunemente commercializzato con un contenuto dall'1 al 3% in massa di Hf.
applicazioni di zirconio
Lo zirconio metallico è impiegato in leghe, principalmente in acciaio, per renderli migliori in termini di resistenza meccanica e corrosiva. Anche la stabilità del metallo alle alte temperature gli permette di esserlo usato nelle astronavi, che subiscono molti danni a causa delle condizioni estreme incontrate durante il rientro nell'atmosfera terrestre.
Poiché lo zirconio è riconosciuto come elemento atossico e altamente resistente alla corrosione, oltre ad avere una buona biocompatibilità, la sua viene anche esplorato l'uso in applicazioni chirurgiche, come nelle protesi dentarie e negli impianti.
Biossido di zirconio, ZrO2, ha un punto di fusione molto alto, nell'intervallo di 2500 °C. Pertanto, viene utilizzato in fabbricazione di contenitori ad alta resistenza al calore, oltre a ceramiche ad alta resistenza. Per questo motivo queste ceramiche sono state sfruttate anche nelle macchine da taglio. Lo ZrO2 Può essere utilizzato anche in cosmetici, antitraspiranti, imballaggi per alimenti e persino pietre preziose finte.
Vale la pena notare che gran parte dello zirconio viene utilizzato dal industria nucleare. C'è, per esempio, la Lega Zircaloy®, una lega metallica di zirconio e stagno sviluppata esclusivamente per scopi nucleari.
Nell'industria nucleare, lo zirconio lo è utilizzato in imballaggi contenentiêossido di m uranio, carburante di centrali elettriche. Perché è altamente resistente all'acqua e con una bassa cattura di neutroni, risulta essere un buon materiale per questo scopo. Vale la pena ricordare che i neutroni vengono utilizzati durante fissione, e quindi è essenziale che lo zirconio non li catturi. La mancata cattura fa sì che anche lo zirconio non si mostri radioattività. Ecco perché, in questo caso, lo zirconio non può avere tracce di afnio, un metallo che ha una grande capacità di catturare i neutroni.
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storia dello zirconio
Probabilmente da cui deriva il nome zirconio sargone, una parola della lingua siriaca usata per descrivere i colori delle pietre preziose che ora sono conosciute come zirconia. Sebbene i minerali fossero già noti, non si sapeva fino a quando contenevano un nuovo elemento Martin Heirinch Klaproth, nel 1789, riuscì a rilevare l'elemento a Berlino. Lo scienziato tedesco ha deciso di nominare l'elemento zirkhorn.
L'anno 1789 fu molto importante per Klaproth, poiché in quello stesso anno lo scienziato scoprì l'elemento uranio.
Risolti esercizi su zirconio
domanda 1
(FGV SP/2014 - adattato) Una nuova e promettente classe di materiali superconduttori si basa sul composto diboruro di vanadio e zirconio. Questo composto è sintetizzato da un sale di zirconio (IV).
(Rivista Cerca Faspep, Giugno 2013. adattato)
Il numero di protoni ed elettroni nello ione Zr4+ è pari rispettivamente a:
A) 36; 40
B) 40; 40
C) 40; 44
D) 40; 36
E) 36; 36
Rispondere
Lettera D
Come lo zirconio numero atomico uguale a 40, possiamo concludere che il suo numero di protoni è anche 40, perché il numero atomico è numericamente uguale al numero dei protoni.
Presentando una carica pari a +4, sappiamo che lo zirconio in questa forma ne ha quattro elettroni se non nella sua forma neutra.
Quando è neutro, il numero di protoni è uguale al numero di elettroni, cioè in origine lo zirconio ha 40 protoni e 40 elettroni. Perdendo quattro elettroni, lo zirconio ne resta solo 36.
Domanda 2
(Uerj 2013 —adattato) Il biossido di zirconio assomiglia al diamante, una forma allotropica di carbonio, che può essere sostituito con gioielli a basso costo.
Segna l'alternativa che contiene la formula chimica del biossido di zirconio, nonché il tipo di legame interatomico di questa sostanza.
A) ZrO4, covalente.
B) ZrO2, ionico.
C) ZrO2, covalente.
D) ZrO4, ionico.
E) ZrO2, metallico.
Rispondere
Lettera b
Il biossido di zirconio, come suggerisce il nome, deve contenere solo due atomi di ossigeno. Pertanto, la formula prevista è ZrO2. Inoltre, lo zirconio acquisisce comunemente uno stato di ossidazione pari a +4.
Il tipo di legame interatomico è ionico, per due motivi:
lo zirconio è un metallo e l'ossigeno è un non metallo;
la differenza di elettronegatività tra entrambi è maggiore di 1,7 (3,5 – 1,3 = 2,2).
Di Stefano Araújo Novais
Insegnante di chimica
