O cyrkon, symbol Zr, liczba atomowa 40, jest pierwiastkiem chemicznym należącym do 5 grupy Układ okresowy pierwiastków. Wyróżnia się dużą odpornością na korozję, a także dobrą stabilnością termiczną.
elementem jest chemicznie bardzo podobny do hafn, iz tego powodu każda naturalna próbka cyrkonu zawiera niewielką zawartość hafnu. Występuje obficie w skorupie ziemskiej, ma znacznie wyższą zawartość niż powszechnie stosowanych pierwiastków, takich jak miedź, cynk i ołów.
Cyrkon ma szerokie zastosowanie w przemyśle jądrowym, ponieważ jego niska absorpcja neutronów czyni go doskonałą powłoką dla paliwa bogatego w dwutlenek uranu. Ponadto, ponieważ jest uważany za nietoksyczny i bardzo biokompatybilny, cyrkon jest stosowany w protezach chirurgicznych i implantach.
Przeczytaj też: Uran — pierwiastek o dużym znaczeniu dla wytwarzania energii
Podsumowanie dotyczące cyrkonu
Cyrkon to metal należące do grupy 5 układu okresowego.
W naturze występuje zawsze z niewielką zawartością hafnu, ponieważ pierwiastki te są chemicznie bardzo podobne.
Cyrkonit i baddeleyit to główne rudy cyrkonu.
Oddzielenie cyrkonu od hafnu jest bardzo trudne.
Cyrkon ma dobrą odporność na korozję i wysoką temperaturę.
Może być stosowany w implantach dentystycznych i innych protezach, ponieważ jest nietoksyczny i ma wysoką biokompatybilność.
Duża część cyrkonu jest wykorzystywana przez przemysł jądrowy.
Pierwiastek został odkryty w 1789 roku przez niemieckiego naukowca Martina Klaprotha.
Właściwości cyrkonu
Symbol: Zr.
Liczba atomowa: 40.
masa atomowa: 91,224 m.m.
elektroujemność: 1,33.
Punkt fuzji: 1855°C.
Temperatura wrzenia: 4409°C.
Gęstość: 6,52 g.cm-3 (w 20°C).
elektroniczna Konfiguracja: [Kr] 5s2 4d2.
Seria chemia: grupa 4, metale przejściowe.
Cechy cyrkonu
Cyrkon w swojej metalicznej postaci jest szarawy metal i który ma dobrą odporność na korozję, głównie ze względu na warstwę ZrO2 która tworzy się wokół niego, chroniąc wewnętrzną masę metaliczną. Jednak drobno rozdrobniony cyrkon jest wysoce piroforyczny, co oznacza, że może samorzutnie zapalić się w kontakcie z powietrzem, zwłaszcza w wysokich temperaturach.
Pod względem chemicznym cyrkon jest bardzo zbliżony do hafnu, nie tylko dlatego, że pierwiastki te występują razem w naturze. Dlatego podobnie jak hafn, cyrkon nie cierpi na ataki chemiczne z powodu kwasy rozcieńczony (z wyjątkiem HF), chyba że są podgrzewane. Roztwory alkaliczne nie są zbyt wydajne na cyrkonie, nawet w wyższych temperaturach.
W systemach o wyższej temperaturze cyrkon może reagować z większością niemetale. W reakcji można zauważyć, że związki cyrkonu o stopniu utlenienia +4 są najbardziej stabilne, podobnie jak w przypadku ZrO2 lub ZrCl4. Niższe stany utlenienia, takie jak +3, są mniej stabilne, różnica od tytan, najlżejszy element w grupie 4, który ma dobrą stabilność przy tym obciążeniu.
Gdzie można znaleźć cyrkon?
Wśród pierwiastków d-bloku układu okresowego, cyrkon jest czwartym najliczniejszym, zaraz za żelazo, tytan i mangan. Oni istnieją więcej 30 rudy, które mamorazm cyrkonu w swojej konstytucji. Do najbardziej znanych i najważniejszych należą cyrkon (znany również jako cyrkon), ZrSiO4 i baddeleyit (lub baddeleit), ZrO2. Baddeleyite można znaleźć nawet w Brazylii.
Kraje z największymi zasobami cyrkonu to Australia, RPA i Mozambik. Jednak największymi producentami są Chiny, Francja, Indie, Rosja, Niemcy i Stany Zjednoczone.
Co ciekawe, cyrkon W niektórych występuje obficie gwiazdy. Element został nawet zidentyfikowany w Słońce i w meteorytach. Próbki księżycowe uzyskane podczas misji Apollo wykazały wysoką zawartość ZrO2 w tych skałach w porównaniu z ziemskimi.
Zobacz też: Złoto — metal szlachetny wyróżniający się dobrą przewodnością elektryczną
Otrzymywanie cyrkonu
cyrkon naturalnie występuje z hafnem, zawsze z zawartością drugiego pierwiastka, która waha się od 1 do 3% masowych. Pomimo ich niskiej zawartości rozdzielenie tych dwóch jest bardzo trudne.
Powszechnie proces Kroll jest używany do ekstrakcji cyrkonu. W tym procesie ZrO2 zawarta w rudach jest przekształcana w wysokiej temperaturze w ZrCl4. W ten sposób można otrzymać cyrkon, stosując magnez jako reduktor. Poniższe reakcje przedstawiają proces.
ZrO2 → ZrCl4 (przy użyciu CCI4 w temperaturze 770 K)
ZrCl4 → Zr (przy użyciu Mg w atmosferze Ar w temperaturze 1420 K)
Jednak duże podobieństwo chemiczne między Zr i Hf oznacza, że hafn pozostaje w końcowym układzie jako trwałe zanieczyszczenie. Dlatego konieczne jest: zastosowanie technik metalurgicznych do rozdziału Zr i Hf. Przemysł już rozwija szlaki hydrometalurgiczne (tj. występujące w roztworze wodnym) i pirometalurgiczne (bez obecności wody).
Technika hydrometalurgiczna polega na frakcjonowanej krystalizacji soli K2ZrF6 i K2HfF6, które nie mają takiej samej rozpuszczalności w wodzie. Inną techniką rozwiązania jest ekstrakcja rozpuszczalnikiem, w której związki Zr i Hf są rozpuszczane. w wodzie, a następnie selektywnie ekstrahowany rozpuszczalnikami organicznymi, takimi jak keton metylowo-izobutylowy i hołd. Biorąc pod uwagę trudność oddzielania, handlowy cyrkon jest powszechnie sprzedawany z zawartością od 1 do 3% masowych Hf.
aplikacje cyrkonowe
Metaliczny cyrkon jest zatrudniony w ligi, głównie w stali, aby były lepsze pod względem odporności mechanicznej i korozyjnej. Stabilność metalu w wysokich temperaturach pozwala również na używany w statkach kosmicznych, które ponoszą wiele szkód z powodu ekstremalnych warunków napotkanych podczas ponownego wejścia w atmosferę ziemską.
Ponieważ cyrkon jest uznawany za pierwiastek nietoksyczny i wysoce odporny na korozję, oprócz dobrej biokompatybilności, jego badane jest również zastosowanie w zastosowaniach chirurgicznych, podobnie jak w protezach dentystycznych i implantach.
Dwutlenek cyrkonu, ZrO2, ma bardzo wysoką temperaturę topnienia w zakresie 2500 °C. Dlatego jest używany w produkcja pojemników o wysokiej odporności termicznej, oprócz wysoce odpornej ceramiki. Z tego powodu ceramika ta była nawet wykorzystywana w maszynach do cięcia. ZrO2 Może być również stosowany w kosmetykach, antyperspirantach, opakowaniach żywności, a nawet podrabianych kamieniach szlachetnych.
Warto zauważyć, że znaczna część cyrkonu jest wykorzystywana przez przemysł jądrowy. Jest na przykład liga Zircaloy®, stop metalu z cyrkonu i cyny opracowany wyłącznie do celów jądrowych.
W przemyśle jądrowym cyrkon jest używane w opakowaniach zawierającychêm tlenek uranu, paliwo z elektrownie. Ponieważ jest wysoce odporny na wodę i ma niską wychwytywanie neutrony, okazuje się, że jest to dobry materiał do tego celu. Warto pamiętać, że neutrony są wykorzystywane podczas rozszczepienie, dlatego ważne jest, aby cyrkon ich nie wychwytywał. Brak wychwytywania powoduje również, że cyrkon nie jest widoczny radioaktywność. Dlatego w tym przypadku cyrkon nie może zawierać śladów hafnu, metalu, który ma wielką zdolność wychwytywania neutronów.
Sprawdź to w naszym podcastie:Jak działają elektrownie jądrowe?
historia cyrkonu
Nazwa cyrkon prawdopodobnie pochodzi od sargone, słowo z języka syryjskiego używane do opisania kolorów kamieni szlachetnych, które obecnie znane są jako cyrkonia. Chociaż minerały były już znane, nie wiedziano, że zawierają one nowy pierwiastek do Martin Heirinch Klaproth w 1789 roku zdołał wykryć pierwiastek w Berlinie. Niemiecki naukowiec postanowił nazwać pierwiastek zirkhorn.
Rok 1789 był bardzo ważny dla Klaproth, ponieważ w tym samym roku naukowiec odkrył pierwiastek uran.
Rozwiązane ćwiczenia na cyrkonie
Pytanie 1
(FGV SP/2014 - dostosowany) Nowa i obiecująca klasa materiałów nadprzewodzących oparta jest na dwuborku wanadu cyrkonu. Ten związek jest syntetyzowany z soli cyrkonu (IV).
(Czasopismo Szukaj Fmałpa, Czerwiec 2013. Przystosowany)
Liczba protonów i elektronów w jonie Zr4+ jest równa odpowiednio:
A) 36; 40
B) 40; 40
C) 40; 44
D) 40; 36
E) 36; 36
Odpowiedź
Litera D
Jak ma cyrkon Liczba atomowa równy 40, możemy wywnioskować, że jego liczba protony wynosi również 40, ponieważ liczba atomowa jest liczbowo równa liczbie protonów.
Przedstawiając ładunek równy +4, wiemy, że cyrkon w tej postaci ma cztery elektrony chyba że w swojej neutralnej formie.
W stanie neutralnym liczba protonów jest równa liczbie elektronów, to znaczy pierwotnie cyrkon ma 40 protonów i 40 elektronów. Tracąc cztery elektrony, z cyrkonu pozostaje tylko 36.
pytanie 2
(Uerj 2013 —przystosowany) Dwutlenek cyrkonu przypomina diament, alotropową formę węgla, którą można zastąpić tanią biżuterią.
Zaznacz alternatywę zawierającą wzór chemiczny dwutlenku cyrkonu, a także rodzaj wiązania międzyatomowego tej substancji.
A) ZrO4, kowalencyjny.
B) ZrO2, jonowy.
C) ZrO2, kowalencyjny.
D) ZrO4, jonowy.
E) ZrO2, metaliczny.
Odpowiedź
Litera b
Dwutlenek cyrkonu, jak sama nazwa wskazuje, musi zawierać tylko dwa atomy tlen. Zatem oczekiwany wzór to ZrO2. Ponadto cyrkon zwykle uzyskuje stopień utlenienia równy +4.
Rodzaj wiązania międzyatomowego to joński, z dwóch powodów:
cyrkon jest metalem, a tlen niemetalem;
różnica elektroujemność między obydwoma jest większa niż 1,7 (3,5 – 1,3 = 2,2).
Stefano Araújo Novais
Nauczyciel chemii
