O zirconiu, simbolul Zr, numărul atomic 40, este un element chimic aparținând grupei 5 a Tabelul periodic. Se remarca prin rezistenta mare la coroziune, precum si prin buna stabilitate termica.
elementul este chimic foarte asemănător cu hafniuși din această cauză, fiecare probă de zirconiu natural are un conținut mic de hafniu. Este abundent în scoarța terestră, cu un conținut mult mai mare decât cel al elementelor utilizate pe scară largă precum cuprul, zincul și plumbul.
Zirconiul are aplicație largă în industria nucleară, deoarece absorbția sa scăzută de neutroni îl face o acoperire excelentă pentru combustibilul bogat în dioxid de uraniu. În plus, deoarece este considerat netoxic și foarte biocompatibil, zirconiul este utilizat în proteze și implanturi chirurgicale.
Citeste si: Uraniu – element de mare importanță pentru generarea de energie
Rezumat despre zirconiu
Zirconiul este a metal aparținând grupei 5 din Tabelul Periodic.
Apare întotdeauna în natură cu un conținut mic de hafniu, deoarece aceste elemente sunt foarte asemănătoare din punct de vedere chimic.
Zirconitul și baddeleyita sunt principalele minereuri de zirconiu.
Separarea dintre zirconiu și hafniu este foarte dificilă.
Zirconiul are o bună rezistență la coroziune și la temperaturi ridicate.
Poate fi folosit in implanturi dentare si alte proteze, deoarece este non-toxic si are o biocompatibilitate ridicata.
O mare parte din zirconiu este folosită de industria nucleară.
Elementul a fost descoperit în 1789 de omul de știință german Martin Klaproth.
Proprietățile zirconiului
Simbol: Zr.
numar atomic: 40.
masă atomică: 91.224 c.m.u.
electronegativitatea: 1,33.
Punct de fuziune: 1855°C.
Punct de fierbere: 4409°C.
Densitate: 6,52 g.cm-3 (la 20°C).
configuratie electronica: [Kr] 5s2 4d2.
Seria Chimie: grupa 4, metale de tranziție.
Caracteristicile zirconiului
Zirconiul, în forma sa metalică, este a metal cenușiu și care are o rezistență bună la coroziune, în principal datorită stratului de ZrO2 care se formează în jurul lui, protejând masa metalică internă. Cu toate acestea, dacă este fin divizat, zirconiul este foarte piroforic, adică se poate aprinde spontan în contact cu aerul, în special la temperaturi ridicate.
Din punct de vedere chimic, zirconiul este foarte aproape de hafniu, nu în ultimul rând pentru că elementele apar împreună în natură. Prin urmare, ca și hafniul, zirconiul nu suferă atacuri chimice de la acizi diluat (cu excepția HF) cu excepția cazului în care sunt încălzite. Soluțiile alcaline nu sunt foarte eficiente pe zirconiu, chiar și la temperaturi mai ridicate.
În sistemele cu temperaturi mai ridicate, zirconiul are capacitatea de a reacționa cu majoritatea nemetale. La reacție, se poate observa că compușii de zirconiu cu număr de oxidare +4 sunt cei mai stabili, așa cum este cazul ZrO2 sau ZrCl4. Stările inferioare de oxidare, cum ar fi +3, sunt mai puțin stabile, o diferență de titan, cel mai usor element din grupa 4, care are stabilitate buna la aceasta sarcina.
Unde poate fi găsit zirconiu?
Dintre elementele blocului d din Tabelul Periodic, zirconiul este al patrulea ca abundență, în urmă fier, titan și mangan. Ei exista mai mult de 30 minereurile pe care le amșim zirconiu în constituţia sa. Printre cele mai cunoscute și mai importante se numără zirconitul (cunoscut și sub numele de zircon), ZrSiO4 și baddeleyita (sau baddeleite), ZrO2. Baddeleyita se găsește chiar și în Brazilia.
Țările cu cele mai mari rezerve de zirconiu sunt Australia, Africa de Sud și Mozambic. Cu toate acestea, cei mai mari producători sunt China, Franța, India, Rusia, Germania și Statele Unite.
Interesant, zirconiu Se găsește din abundență în unele stele. Elementul a fost chiar identificat în Soare și în meteoriți. Probele lunare obținute prin misiunile Apollo au dovedit un conținut ridicat de ZrO2 în aceste roci în comparaţie cu cele terestre.
Vezi si: Aur - metal nobil care se remarcă prin buna conductivitate electrică
Obținerea zirconiului
zirconiul apare în mod natural cu hafniul, întotdeauna cu un conținut al celui de-al doilea element care variază de la 1 la 3% din masă. În ciuda conținutului lor scăzut, separarea dintre cele două este foarte dificilă.
În mod obișnuit, procesul Kroll este utilizat pentru extracția zirconiului. În acest proces, ZrO2 conținute în minereuri este transformată, la temperatură ridicată, în ZrCl4. În acest fel, zirconiul poate fi obținut folosind magneziu ca reductor. Următoarele reacții demonstrează procesul.
ZrO2 → ZrCl4 (folosind CCl4 la temperatura de 770 K)
ZrCl4 → Zr (folosind Mg într-o atmosferă de Ar la o temperatură de 1420 K)
Cu toate acestea, marea similitudine chimică dintre Zr și Hf înseamnă că hafniul rămâne în sistemul final ca o impuritate persistentă. Astfel, este necesar să utilizarea tehnicilor metalurgice pentru separarea dintre Zr și Hf. Industria dezvoltă deja căi hidrometalurgice (adică, care apar în soluție apoasă) și pirometalurgice (fără prezența apei).
O tehnică hidrometalurgică este cristalizarea fracționată a sărurilor K2ZrF6 și K2HfF6, care nu au aceeași solubilitate în apă. O altă tehnică de soluție este extracția cu solvent, prin care compușii Zr și Hf sunt dizolvați. în apă și apoi extras selectiv cu solvenți organici precum metil izobutil cetonă și Omagiu. Având în vedere dificultatea separării, zirconiul comercial este comercializat în mod obișnuit cu un conținut de 1 până la 3% în masă de Hf.
aplicații cu zirconiu
Zirconiul metalic este angajat in ligi, în principal din oțel, pentru a le îmbunătăți în ceea ce privește rezistența mecanică și la coroziune. Stabilitatea metalului la temperaturi ridicate permite, de asemenea, să fie folosit în nave spațiale, care suferă multe daune din cauza condițiilor extreme întâlnite la reintrarea în atmosfera Pământului.
Deoarece zirconiul este recunoscut ca un element netoxic și foarte rezistent la coroziune, pe lângă faptul că are o bună biocompatibilitate, este de asemenea explorată utilizarea în aplicații chirurgicale, ca și în protezele și implanturile dentare.
Dioxid de zirconiu, ZrO2, are un punct de topire foarte ridicat, în intervalul 2500 °C. Astfel, este folosit în fabricarea recipientelor cu rezistență ridicată la căldură, pe lângă ceramica foarte rezistentă. Aceste ceramice au fost chiar exploatate în mașini de tăiat din acest motiv. ZrO2 Poate fi folosit și în produse cosmetice, antiperspirante, ambalaje alimentare și chiar pietre prețioase false.
Este demn de remarcat faptul că o mare parte din zirconiu este utilizat de către industria nucleară. Există, de exemplu, liga Zircaloy®, un aliaj metalic de zirconiu și staniu dezvoltat exclusiv în scopuri nucleare.
În industria nucleară, zirconiul este utilizat în ambalaje care conținêoxid de m uraniu, combustibil de centrale electrice. Pentru că este foarte rezistent la apă și cu captură scăzută de neutroni, se dovedește a fi un material bun în acest scop. Merită să ne amintim că neutronii sunt utilizați în timpul fisiune, și de aceea este esențial ca zirconiul să nu le capteze. De asemenea, necaptarea face ca zirconiul să nu se arate radioactivitate. De aceea, în acest caz, zirconiul nu poate avea urme de hafniu, metal care are o mare capacitate de a capta neutroni.
Consultați-l pe podcastul nostru:Cum funcționează centralele nucleare?
istoria zirconiului
Numele de zirconiu provine probabil din sargone, un cuvânt din limba siriacă folosit pentru a descrie culorile pietrelor prețioase care sunt acum cunoscute sub numele de zirconiu. Deși mineralele erau deja cunoscute, nu se știa că acestea conțineau un element nou până în momentul în care Martin Heirinch Klaproth, în 1789, a reușit să detecteze elementul la Berlin. Omul de știință german a decis să dea nume elementului zirkhorn.
Anul 1789 a fost foarte important pentru Klaproth, deoarece în același an savantul a descoperit elementul uraniu.
Exerciții rezolvate pe zirconiu
intrebarea 1
(FGV SP/2014 - adaptat) O clasă nouă și promițătoare de materiale supraconductoare se bazează pe compusul diborură de vanadiu zirconiu. Acest compus este sintetizat dintr-o sare de zirconiu (IV).
(Revistă Caută Fmaimuţă, Iunie 2013. adaptat)
Numărul de protoni și electroni din ionul Zr4+ este egal cu, respectiv:
A) 36; 40
B) 40; 40
C) 40; 44
D) 40; 36
E) 36; 36
Răspuns
Litera D
Așa cum are zirconiul numar atomic egal cu 40, putem concluziona că numărul său de protoni este de asemenea 40, deoarece numărul atomic este numeric egal cu numărul de protoni.
Prezentând o sarcină egală cu +4, știm că zirconiul în această formă are patru electroni cu excepția cazului în forma sa neutră.
Când este neutru, numărul de protoni este egal cu numărul de electroni, adică inițial zirconiul are 40 de protoni și 40 de electroni. Pierzând patru electroni, zirconiul rămâne cu doar 36.
intrebarea 2
(Uerj 2013 —adaptat) Dioxidul de zirconiu seamănă cu diamantul, o formă alotropă de carbon, care poate fi înlocuită cu bijuterii la preț redus.
Marcați alternativa care conține formula chimică a dioxidului de zirconiu, precum și tipul de legătură interatomică a acestei substanțe.
A) ZrO4, covalent.
B) ZrO2, ionic.
C) ZrO2, covalent.
D) ZrO4, ionic.
E) ZrO2, metalic.
Răspuns
Litera B
Dioxidul de zirconiu, după cum sugerează și numele, trebuie să conțină doar doi atomi de oxigen. Astfel, formula așteptată este ZrO2. În plus, zirconiul capătă de obicei o stare de oxidare egală cu +4.
Tipul de legătură interatomică este ionic, din două motive:
zirconiul este un metal, iar oxigenul este un nemetal;
diferenta de electronegativitatea între ambele este mai mare de 1,7 (3,5 – 1,3 = 2,2).
De Stefano Araújo Novais
Profesor de chimie
