O cirkonij, simbol Zr, atomska številka 40, je kemični element, ki spada v skupino 5 Periodični sistem. Odlikuje ga velika odpornost proti koroziji, pa tudi dobra toplotna stabilnost.
element je kemično zelo podoben hafnij, in zaradi tega ima vsak naravni vzorec cirkonija majhno vsebnost hafnija. V zemeljski skorji ga je veliko, z veliko višjo vsebnostjo kot v široko uporabljenih elementih, kot so baker, cink in svinec.
Cirkonij ima široko uporabo v jedrski industriji, saj je zaradi nizke absorpcije nevtronov odličen premaz za gorivo, bogato z uranovim dioksidom. Poleg tega se cirkonij, ker velja za nestrupenega in zelo biokompatibilnega, uporablja v kirurških protezah in vsadkih.
Preberite tudi: Uran je element velikega pomena za proizvodnjo energije
Povzetek cirkonija
Cirkonij je a kovinski ki spadajo v skupino 5 periodnega sistema.
V naravi se vedno pojavlja z majhno vsebnostjo hafnija, saj sta si ti elementi kemično zelo podobni.
Cirkonit in baddeleit sta glavni cirkonijevi rudi.
Ločitev med cirkonijem in hafnijem je zelo težka.
Cirkonij ima dobro korozijsko in visoko temperaturno odpornost.
Uporablja se lahko v zobnih vsadkih in drugih protezah, saj ni strupen in ima visoko biokompatibilnost.
Velik del cirkonija uporablja jedrska industrija.
Element je leta 1789 odkril nemški znanstvenik Martin Klaproth.
Lastnosti cirkonija
Simbol: Zr.
atomsko število: 40.
atomska masa: 91.224 c.m.u.
elektronegativnost: 1,33.
Fuzijska točkatemperatura: 1855°C.
Vrelišče: 4409°C.
Gostota: 6,52 g/cm-3 (pri 20°C).
elektronska konfiguracija: [Kr] 5s2 4d2.
Serija Kemija: skupina 4, prehodne kovine.
Lastnosti cirkonija
Cirkonij je v svoji kovinski obliki a sivkasta kovina in ima dobro korozijsko odpornost, predvsem zaradi sloja ZrO2 ki se tvori okoli njega in ščiti notranjo kovinsko maso. Če pa je cirkonij fino razdrobljen, je zelo piroforen, to pomeni, da se lahko v stiku z zrakom, zlasti pri visokih temperaturah, spontano vname.
Kemično je cirkonij zelo blizu hafniju, nenazadnje zato, ker se elementi v naravi pojavljajo skupaj. Zato, tako kot hafnij, cirkonij ne trpi zaradi kemičnih napadov kisline razredčen (razen HF), razen če so ogrevani. Alkalne raztopine niso zelo učinkovite za cirkonij, tudi pri višjih temperaturah.
V sistemih z višjo temperaturo ima cirkonij sposobnost, da reagira z večino nekovine. Pri reakciji je razvidno, da so cirkonijeve spojine z oksidacijskim številom +4 najbolj stabilne, tako kot v primeru ZrO2 ali ZrCl4. Nižja oksidacijska stanja, kot je +3, so manj stabilna, za razliko od titan, najlažji element v skupini 4, ki ima dobro stabilnost pri tej obremenitvi.
Kje je mogoče najti cirkonij?
Med elementi d-bloka v periodnem sistemu je cirkonij četrti najbolj razširjen, za železo, titan in mangan. Obstajajo več od 30 rude, ki jih imaminm cirkonija v svoji sestavi. Med najbolj znanimi in najpomembnejšimi so cirkonit (znan tudi kot cirkon), ZrSiO4 in baddeleit (ali baddeleit), ZrO2. Baddeleyite najdemo celo v Braziliji.
Države z največjimi zalogami cirkonija so Avstralija, Južna Afrika in Mozambik. Največji proizvajalci pa so Kitajska, Francija, Indija, Rusija, Nemčija in ZDA.
Zanimivo je cirkonij V nekaterih ga najdemo v izobilju zvezde. Element je bil celo identificiran v sonce in v meteoritih. Lunarni vzorci, pridobljeni z misijami Apollo, so dokazali visoko vsebnost ZrO2 v teh kamninah v primerjavi s kopenskimi.
Glej tudi: Zlato — plemenita kovina, ki izstopa po svoji dobri električni prevodnosti
Pridobivanje cirkonija
cirkonij se naravno pojavlja s hafnijem, vedno z vsebnostjo drugega elementa, ki variira od 1 do 3 mas. Kljub nizki vsebnosti je ločitev med obema zelo težka.
Običajno se postopek Kroll uporablja za ekstrakcijo cirkonija. V tem procesu je ZrO2 Vsebovana v rudah se pri visoki temperaturi pretvori v ZrCl4. Na ta način lahko pridobimo cirkonij z uporabo magnezija kot reduktorja. Naslednje reakcije prikazujejo postopek.
ZrO2 → ZrCl4 (z uporabo CCl4 pri temperaturi 770 K)
ZrCl4 → Zr (z uporabo Mg v atmosferi Ar pri temperaturi 1420 K)
Vendar pa velika kemijska podobnost med Zr in Hf pomeni, da hafnij ostane v končnem sistemu kot obstojna nečistoča. Tako je potrebno uporaba metalurških tehnik za ločevanje med Zr in Hf. Industrija že razvija hidrometalurške (tj. ki se pojavljajo v vodni raztopini) in pirometalurške (brez prisotnosti vode) poti.
Hidrometalurška tehnika je frakcijska kristalizacija K soli2ZrF6 in K2HfF6, ki nimajo enake topnosti v vodi. Druga tehnika raztopine je ekstrakcija s topilom, pri kateri se spojine Zr in Hf raztopita. v vodi in nato selektivno ekstrahiramo z organskimi topili, kot sta metil izobutil keton in poklon. Glede na težavnost ločevanja se komercialni cirkonij običajno trži z vsebnostjo od 1 do 3 mas. % Hf.
aplikacije cirkonija
Kovinski cirkonij je zaposlen v lige, predvsem v jeklu, da bi bili boljši v smislu mehanske in korozijske odpornosti. To omogoča tudi stabilnost kovine pri visokih temperaturah uporabljajo v vesoljskih ladjah, ki utrpijo veliko škodo zaradi ekstremnih razmer, s katerimi se srečujejo pri ponovnem vstopu v Zemljino atmosfero.
Ker je cirkonij priznan kot nestrupen in zelo odporen proti koroziji element, ima poleg dobre biokompatibilnosti, njegova raziskana je tudi uporaba v kirurških aplikacijah, kot pri zobnih protezah in vsadkih.
Cirkonijev dioksid, ZrO2, ima zelo visoko tališče, v območju 2500 °C. Tako se uporablja v izdelava posod z visoko toplotno odpornostjo, poleg zelo odporne keramike. Zaradi tega je bila ta keramika celo izkoriščena v strojih za rezanje. ZrO2 Uporablja se lahko tudi v kozmetiki, antiperspirantih, embalaži hrane in celo ponarejenih dragih kamnov.
Omeniti velja, da veliko cirkonija uporablja jedrska industrija. Obstaja na primer liga Zircaloy®, kovinska zlitina cirkonija in kositra, razvita izključno za jedrske namene.
V jedrski industriji je cirkonij uporablja v embalaži, ki vsebujeêm uranovega oksida, gorivo za elektrarne. Ker je zelo odporen na vodo in z nizkim zajemom nevtroni, se izkaže za dober material za ta namen. Ne smemo pozabiti, da se med tem uporabljajo nevtroni cepitev, zato je bistveno, da jih cirkonij ne zajame. Nezajetje tudi povzroči, da se cirkonij ne pokaže radioaktivnost. Zato v tem primeru cirkonij ne more imeti sledi hafnija, kovine, ki ima veliko sposobnost zajemanja nevtronov.
Preverite v našem podcastu:Kako delujejo jedrske elektrarne?
zgodovina cirkonija
Ime cirkonij verjetno izvira iz sargone, beseda iz sirskega jezika, ki se uporablja za opis barv dragih kamnov, ki so danes znani kot cirkonij. Čeprav so bili minerali že znani, ni bilo znano, da vsebujejo nov element do Martin Heirinch Klaproth je leta 1789 uspel odkriti element v Berlinu. Nemški znanstvenik se je odločil poimenovati element cirkhorn.
Leto 1789 je bilo za Klaprotha zelo pomembno, saj je istega leta znanstvenik odkril element uran.
Rešene vaje na cirkoniju
Vprašanje 1
(FGV SP/2014 - prilagojeno) Nov in obetaven razred superprevodnih materialov temelji na spojini vanadijevega cirkonijevega diborida. Ta spojina je sintetizirana iz cirkonijeve (IV) soli.
(Revija Išči Fapesp, junij 2013. Prilagojeno)
Število protonov in elektronov v Zr ionu4+ je enako:
A) 36; 40
B) 40; 40
C) 40; 44
D) 40; 36
E) 36; 36
Odgovori
črka D
Kot ima cirkonij atomsko število enako 40, lahko sklepamo, da je njegovo število protoni je tudi 40, ker je atomsko število številčno enako številu protonov.
Če predstavimo naboj, enak +4, vemo, da ima cirkonij v tej obliki štiri elektronov razen v nevtralni obliki.
Ko je nevtralen, je število protonov enako številu elektronov, to pomeni, da ima cirkonij prvotno 40 protonov in 40 elektronov. Če izgubi štiri elektrone, cirkoniju ostane le 36.
vprašanje 2
(Uerj 2013 —prilagojeno) Cirkonijev dioksid spominja na diamant, alotropno obliko ogljika, ki se lahko nadomesti za poceni nakit.
Označite alternativo, ki vsebuje kemično formulo cirkonijevega dioksida, pa tudi vrsto medatomske vezi te snovi.
A) ZrO4, kovalentna.
B) ZrO2, ionski.
C) ZrO2, kovalentna.
D) ZrO4, ionski.
E) ZrO2, kovinski.
Odgovori
črka B
Cirkonijev dioksid, kot pove že njegovo ime, mora vsebovati le dva atoma kisik. Tako je pričakovana formula ZrO2. Poleg tega cirkonij običajno pridobi oksidacijsko stanje, enako +4.
Vrsta medatomske vezi je ionski, iz dveh razlogov:
cirkonij je kovina, kisik pa nekovina;
razlika med elektronegativnost med obema je večja od 1,7 (3,5 – 1,3 = 2,2).
Avtor: Stefano Araújo Novais
Učiteljica kemije
