O zirkonium, symbool Zr, atoomnummer 40, is een scheikundig element dat behoort tot groep 5 van de Periodiek systeem. Het onderscheidt zich door zijn grote weerstand tegen corrosie, evenals goede thermische stabiliteit.
het element is chemisch zeer vergelijkbaar met hafnium, en daarom heeft elk natuurlijk zirkoniummonster een klein hafniumgehalte. Het is overvloedig aanwezig in de aardkorst, met een veel hoger gehalte dan dat van veelgebruikte elementen zoals koper, zink en lood.
Het zirkonium heeft brede toepassing in de nucleaire industrie, omdat het door zijn lage neutronenabsorptie een uitstekende coating is voor uraniumdioxide-rijke brandstof. Bovendien wordt zirkonium, omdat het als niet-toxisch en zeer biocompatibel wordt beschouwd, gebruikt in chirurgische prothesen en implantaten.
Lees ook: Uranium — element van groot belang voor energieopwekking
Samenvatting over zirkonium
zirkonium is een metaal behorend tot groep 5 van het periodiek systeem.
Het verschijnt altijd in de natuur met een klein gehalte aan hafnium, omdat deze elementen chemisch erg op elkaar lijken.
Zirkoon en baddeleyiet zijn de belangrijkste zirkoniumertsen.
De scheiding tussen zirkonium en hafnium is erg moeilijk.
Zirkonium heeft een goede corrosie- en hoge temperatuurbestendigheid.
Het kan worden gebruikt in tandheelkundige implantaten en andere prothesen, omdat het niet-toxisch is en een hoge biocompatibiliteit heeft.
Een groot deel van het zirkonium wordt gebruikt door de nucleaire industrie.
Het element werd in 1789 ontdekt door de Duitse wetenschapper Martin Klaproth.
Eigenschappen van zirkonium
Symbool: Zr.
atoomnummer: 40.
atoom massa: 91.224 c.m.u.
elektronegativiteit: 1,33.
Fusiepunt: 1855 °C.
Kookpunt: 4409°C.
Dikte: 6,52 g.cm-3 (bij 20°C).
elektronische configuratie: [Kr] 5s2 4d2.
Chemie serie: groep 4, overgangsmetalen.
Niet stoppen nu... Er is meer na de advertentie ;)
Kenmerken van zirkonium
Zirkonium, in zijn metallische vorm, is een grijsachtig metaal en die een goede corrosieweerstand heeft, voornamelijk vanwege de ZrO-laag2 dat zich eromheen vormt en de interne metalen massa beschermt. Als zirkonium echter fijn verdeeld is, is het zeer pyrofoor, dat wil zeggen dat het spontaan kan ontbranden in contact met lucht, vooral bij hoge temperaturen.
Chemisch gezien ligt zirkonium heel dicht bij hafnium, niet in de laatste plaats omdat de elementen in de natuur samen voorkomen. Daarom, zoals hafnium, zirkonium heeft geen last van chemische aanvallen van zuren verdund (behalve HF) tenzij ze verwarmd zijn. Alkalische oplossingen zijn niet erg efficiënt op zirkonium, zelfs niet bij hogere temperaturen.
In systemen met hogere temperaturen heeft zirkonium het vermogen om met de meeste te reageren niet-metalen. Bij het reageren is te zien dat zirkoniumverbindingen met oxidatiegetal +4 het meest stabiel zijn, zoals het geval is van ZrO2 of ZrCl4. Lagere oxidatietoestanden, zoals +3, zijn minder stabiel, een verschil met titanium, het lichtste element in groep 4, dat een goede stabiliteit heeft met deze lading.
Waar is zirkonium te vinden?
Van de d-blokelementen van het periodiek systeem is zirkonium de vierde meest voorkomende, achter ijzer, titanium en mangaan. Ze bestaan meer van 30 ertsen die ik hebenm zirkonium in zijn grondwet. Een van de bekendste en belangrijkste zijn zirkoon (ook bekend als zirkoon), ZrSiO4 en baddeleyiet (of baddeleite), ZrO2. Baddeleyiet wordt zelfs in Brazilië gevonden.
De landen met de grootste zirkoniumreserves zijn Australië, Zuid-Afrika en Mozambique. De grootste producenten zijn echter China, Frankrijk, India, Rusland, Duitsland en de Verenigde Staten.
Interessant, zirkonium Het is overvloedig te vinden in sommige sterren. Het element werd zelfs geïdentificeerd in de zon en in meteorieten. Maanmonsters verkregen tijdens de Apollo-missies bleken een hoog ZrO .-gehalte te hebben2 in deze rotsen in vergelijking met terrestrische.
Zie ook: Goud — edelmetaal dat opvalt door zijn goede elektrische geleidbaarheid
Zirkonium verkrijgen
de zirkonium komt van nature voor met hafnium, altijd met een gehalte van het tweede element dat varieert van 1 tot 3 massa%. Ondanks hun lage gehalte is de scheiding tussen de twee erg moeilijk.
Gewoonlijk wordt het Kroll-proces gebruikt voor de extractie van zirkonium. In dit proces wordt de ZrO2 in de ertsen wordt bij hoge temperatuur omgezet in ZrCl4. Op deze manier kan zirkonium worden verkregen met magnesium als reductiemiddel. De volgende reacties demonstreren het proces.
ZrO2 → ZrCl4 (met behulp van CCl4 bij 770 K temperatuur)
ZrCl4 → Zr (met Mg in een Ar-atmosfeer bij een temperatuur van 1420 K)
De grote chemische overeenkomst tussen Zr en Hf betekent echter dat hafnium in het uiteindelijke systeem achterblijft als een hardnekkige onzuiverheid. Het is dus noodzakelijk om gebruik van metallurgische technieken voor de scheiding tussen Zr en Hf. De industrie ontwikkelt al hydrometallurgische (dwz die voorkomen in waterige oplossing) en pyrometallurgische (zonder de aanwezigheid van water) routes.
Een hydrometallurgische techniek is de fractionele kristallisatie van K-zouten2ZrF6 en K2HfF6, die niet dezelfde oplosbaarheid in water hebben. Een andere oplossingstechniek is oplosmiddelextractie, waarbij Zr- en Hf-verbindingen worden opgelost. in water en vervolgens selectief geëxtraheerd met organische oplosmiddelen zoals methylisobutylketon en eerbetoon. Gezien de moeilijkheid van scheiding, wordt commercieel zirkonium gewoonlijk op de markt gebracht met een gehalte van 1 tot 3 massa% Hf.
zirkonium toepassingen
Het metalen zirkonium is: werkzaam in competities, voornamelijk in staal, om ze beter te maken in termen van mechanische en corrosieve weerstand. De stabiliteit van het metaal bij hoge temperaturen maakt het ook mogelijk om gebruikt in ruimteschepen, die veel schade oplopen als gevolg van de extreme omstandigheden die zich voordoen tijdens de terugkeer in de atmosfeer van de aarde.
Aangezien zirkonium wordt erkend als een niet-toxisch en zeer corrosiebestendig element, heeft het niet alleen een goede biocompatibiliteit, maar ook gebruik in chirurgische toepassingen wordt ook onderzocht, zoals bij tandprothesen en implantaten.
Zirkoniumdioxide, ZrO2, heeft een zeer hoog smeltpunt, in het bereik van 2500 °C. Zo wordt het gebruikt in fabricage van containers met een hoge hittebestendigheid, naast zeer resistente keramiek. Deze keramiek is om deze reden zelfs gebruikt in snijmachines. de ZrO2 Het kan ook worden gebruikt in cosmetica, anti-transpiranten, voedselverpakkingen en zelfs nep-edelstenen.
Het is vermeldenswaard dat veel van het zirkonium wordt gebruikt door de nucleaire industrie. Er is bijvoorbeeld de Z-competitieircaloy®, een metaallegering van zirkonium en tin die uitsluitend voor nucleaire doeleinden is ontwikkeld.
In de nucleaire industrie is zirkonium gebruikt in verpakkingen met:êm uraniumoxide, brandstof van energiecentrales. Omdat het zeer goed bestand is tegen water en met een lage opname van neutronen, blijkt hiervoor een goed materiaal te zijn. Het is de moeite waard eraan te denken dat neutronen worden gebruikt tijdens splijtingen daarom is het essentieel dat zirkonium ze niet vangt. Het niet-vangen zorgt er ook voor dat het zirkonium niet wordt weergegeven radioactiviteit. Daarom mag het zirkonium in dit geval geen sporen van hafnium bevatten, een metaal dat een groot vermogen heeft om neutronen op te vangen.
Check het in onze podcast:Hoe werken kerncentrales?
geschiedenis van zirkonium
De naam zirkonium is waarschijnlijk afgeleid van: sargone, een woord uit de Syrische taal dat wordt gebruikt om de kleuren te beschrijven van edelstenen die nu bekend staan als zirkonia. Hoewel de mineralen al bekend waren, was het pas bekend dat ze een nieuw element bevatten Martin Heirinch Klaproth slaagde er in 1789 in om het element in Berlijn te detecteren. De Duitse wetenschapper besloot het element een naam te geven zirkoon.
Het jaar 1789 was erg belangrijk voor Klaproth, want in datzelfde jaar ontdekte de wetenschapper het element uranium.
Opgeloste oefeningen op zirkonium
vraag 1
(FGV SP/2014 - aangepast) Een nieuwe en veelbelovende klasse van supergeleidende materialen is gebaseerd op de verbinding vanadium-zirkoniumdiboride. Deze verbinding wordt gesynthetiseerd uit een zirkonium (IV) zout.
(Tijdschrift Zoek Fapesp, Juni 2013. Aangepast)
Het aantal protonen en elektronen in het Zr-ion4+ is gelijk aan respectievelijk:
A) 36; 40
B) 40; 40
C) 40; 44
D) 40; 36
E) 36; 36
Antwoorden
Letter D
Zoals zirkonium heeft atoomnummer gelijk is aan 40, kunnen we concluderen dat het aantal protonen is ook 40, omdat het atoomnummer numeriek gelijk is aan het aantal protonen.
Met een lading gelijk aan +4 weten we dat zirkonium in deze vorm vier. heeft elektronen tenzij in zijn neutrale vorm.
In neutraal is het aantal protonen gelijk aan het aantal elektronen, dat wil zeggen dat zirkonium oorspronkelijk 40 protonen en 40 elektronen heeft. Door het verlies van vier elektronen blijft zirkonium over met slechts 36.
vraag 2
(Uerj 2013 —aangepast) Zirkoniumdioxide lijkt op diamant, een allotrope vorm van koolstof, die kan worden vervangen door goedkope sieraden.
Markeer het alternatief dat de chemische formule van zirkoniumdioxide bevat, evenals het type interatomaire binding van deze stof.
A) ZrO4, covalent.
B) ZrO2, ionisch.
C) ZrO2, covalent.
D) ZrO4, ionisch.
E) ZrO2, metaal.
Antwoorden
Letter B
Zirkoniumdioxide mag, zoals de naam al aangeeft, slechts twee atomen bevatten zuurstof. De verwachte formule is dus ZrO2. Bovendien verkrijgt zirkonium gewoonlijk een oxidatietoestand gelijk aan +4.
Het type interatomaire binding is ionisch, om twee redenen:
zirkonium is een metaal en zuurstof is een niet-metaal;
het verschil van elektronegativiteit tussen beide is groter dan 1,7 (3,5 – 1,3 = 2,2).
Door Stefano Araújo Novais
Scheikundeleraar
