Zirkonium (Zr): egenskaper, produktion, tillämpningar

O zirkonium, symbol Zr, atomnummer 40, är ett kemiskt grundämne som tillhör grupp 5 i Periodiska systemet. Den utmärker sig för sin stora motståndskraft mot korrosion, samt god termisk stabilitet.

elementet är kemiskt mycket lik hafnium, och på grund av detta har varje naturligt zirkoniumprov ett litet hafniuminnehåll. Det finns rikligt i jordskorpan, med ett mycket högre innehåll än det av allmänt använda grundämnen som koppar, zink och bly.

Zirkoniumet har bred tillämpning inom kärnkraftsindustrin, eftersom dess låga neutronabsorption gör den till en utmärkt beläggning för urandioxidrikt bränsle. Dessutom, eftersom det anses vara ogiftigt och mycket biokompatibelt, används zirkonium i kirurgiska proteser och implantat.

Läs också: Uran — element av stor betydelse för energigenerering

Sammanfattning om zirkonium

Zirkonium är en metall tillhör grupp 5 i det periodiska systemet.
Den förekommer alltid i naturen med en liten halt av hafnium, eftersom dessa grundämnen är kemiskt mycket lika.
Zirkonit och baddeleyit är de viktigaste zirkoniummalmerna.

instagram story viewer

Separationen mellan zirkonium och hafnium är mycket svår.
Zirkonium har god korrosion och hög temperaturbeständighet.
Den kan användas i tandimplantat och andra proteser, eftersom den är giftfri och har hög biokompatibilitet.
Mycket av zirkoniumet används av kärnkraftsindustrin.
Elementet upptäcktes 1789 av den tyske forskaren Martin Klaproth.

Zirkoniumegenskaper

Symbol: Zr.
atomnummer: 40.
atomisk massa: 91.224 c.m.u.
elektronnegativitet: 1,33.
Fusionspunkt: 1855°C.
Kokpunkt: 4409°C.
Densitet: 6,52 g.cm^-3 (vid 20°C).
elektronisk konfiguration: [Kr] 5s² 4d².
Kemi-serien: grupp 4, övergångsmetaller.

Funktioner av zirkonium

Zirkonium, i sin metalliska form, är en gråaktig metall och som har god korrosionsbeständighet, främst på grund av ZrO-skiktet₂ som bildas runt den och skyddar den inre metalliska massan. Men om det är finfördelat är zirkonium mycket pyrofor, det vill säga att det kan antändas spontant i kontakt med luft, särskilt vid höga temperaturer.

Kemiskt ligger zirkonium väldigt nära hafnium, inte minst för att grundämnena förekommer tillsammans i naturen. Därför, som hafnium, zirkonium inte drabbas av kemiska angrepp av syror utspädd (förutom HF) om de inte är uppvärmda. Alkaliska lösningar är inte särskilt effektiva på zirkonium, även vid högre temperaturer.

I högre temperatursystem har zirkonium förmågan att reagera med det mesta icke-metaller. Vid reaktion kan man se att zirkoniumföreningar med oxidationstal +4 är de mest stabila, vilket är fallet med ZrO₂ eller ZrCl₄. Lägre oxidationstillstånd, såsom +3, är mindre stabila, en skillnad från titan, det lättaste elementet i grupp 4, som har god stabilitet med denna belastning.

Var kan man hitta zirkonium?

Zirkonit (eller zirkon), den huvudsakliga mineralkällan för zirkonium.

Bland d-blockelementen i det periodiska systemet är zirkonium det fjärde vanligaste, bakom järn, titan och mangan. De existerar mer av 30 malmer som jag harochm zirkonium i dess konstitution. Bland de mest kända och viktigaste är zirkonit (även känd som zirkon), ZrSiO4 och baddeleyit (eller baddeleite), ZrO₂. Baddeleyit finns till och med i Brasilien.

Länderna med de största zirkoniumreserverna är Australien, Sydafrika och Moçambique. De största tillverkarna är dock Kina, Frankrike, Indien, Ryssland, Tyskland och USA.

Intressant, zirkonium Det finns rikligt hos vissa stjärnor. Elementet identifierades till och med i Sol och i meteoriter. Månprover som erhållits genom Apollo-uppdragen visade på högt innehåll av ZrO₂ i dessa klippor jämfört med terrestra.

Se också: Guld — ädel metall som utmärker sig för sin goda elektriska ledningsförmåga

Att få zirkonium

zirkoniumet förekommer naturligt med hafnium, alltid med en halt av det andra elementet som varierar från 1 till 3 viktprocent. Trots deras låga innehåll är separationen mellan de två mycket svår.

Vanligtvis används Kroll-processen för zirkoniumextraktion. I denna process, ZrO₂ som finns i malmerna omvandlas, vid hög temperatur, till ZrCl₄. På detta sätt kan zirkonium erhållas med magnesium som reduktionsmedel. Följande reaktioner visar processen.

ZrO₂ → ZrCl₄ (med CCl₄ vid 770 K temperatur)

ZrCl₄ → Zr (med Mg i en Ar-atmosfär vid 1420 K temperatur)

Den stora kemiska likheten mellan Zr och Hf gör dock att hafnium finns kvar i det slutliga systemet som en ihållande förorening. Det är alltså nödvändigt att användning av metallurgiska tekniker för separation mellan Zr och Hf. Industrin utvecklar redan hydrometallurgiska (dvs. som förekommer i vattenlösning) och pyrometallurgiska (utan närvaro av vatten) vägar.

En hydrometallurgisk teknik är fraktionerad kristallisation av K-salter₂ZrF₆ och K₂HfF₆, som inte har samma löslighet i vatten. En annan lösningsteknik är lösningsmedelsextraktion, varvid Zr- och Hf-föreningar löses upp. i vatten och extraherades sedan selektivt med organiska lösningsmedel såsom metylisobutylketon och hyllning. Med tanke på svårigheten att separera, marknadsförs vanligen kommersiellt zirkonium med en halt av 1 till 3 viktprocent Hf.

zirkoniumapplikationer

Den metalliska zirkonium är anställd i ligor, främst i stål, för att göra dem bättre när det gäller mekanisk och korrosiv beständighet. Metallens stabilitet vid höga temperaturer gör det också möjligt används i rymdskepp, som lider mycket skada på grund av de extrema förhållanden som uppstår vid återinträde i jordens atmosfär.

Eftersom zirkonium är erkänt som ett ogiftigt och mycket korrosionsbeständigt element, förutom att ha god biokompatibilitet, användning i kirurgiska tillämpningar utforskas också, som i tandproteser och implantat.

Zirkonium i tandimplantat — Eftersom det är giftfritt och mycket biokompatibelt kan zirkonium användas i tandimplantat.

Zirkoniumdioxid, ZrO₂, har en mycket hög smältpunkt, i intervallet 2500 °C. Således används den i tillverkning av behållare med hög värmebeständighet, förutom mycket resistent keramik. Denna keramik har till och med utnyttjats i skärmaskiner av denna anledning. ZrO₂ Det kan också användas i kosmetika, antiperspiranter, livsmedelsförpackningar och till och med falska ädelstenar.

Det är värt att notera att mycket av zirkoniumet används av kärnkraftsindustrin. Det finns till exempel Z-liganircaloy®, en metallegering av zirkonium och tenn utvecklad exklusivt för kärnkraftsändamål.

Inom kärnkraftsindustrin är zirkonium används i förpackningar som innehållerêm uranoxid, bränsle av kraftverk. Eftersom den är mycket motståndskraftig mot vatten och med låg fångst av neutroner, det visar sig vara ett bra material för detta ändamål. Det är värt att komma ihåg att neutroner används under fission, och därför är det viktigt att zirkonium inte fångar upp dem. Icke-infångningen gör också att zirkoniumet inte syns radioaktivitet. Därför kan zirkonium i det här fallet inte ha spår av hafnium, en metall som har stor förmåga att fånga neutroner.

Kolla in den i vår podcast:Hur fungerar kärnkraftverk?

zirkoniums historia

Namnet zirkonium kommer troligen från sargon, ett ord från det syriska språket som används för att beskriva färgerna på ädelstenar som nu är kända som zirconia. Även om mineralerna redan var kända, var det inte känt att de innehöll ett nytt grundämne förrän Martin Heirinch Klaproth, 1789, lyckades upptäcka elementet i Berlin. Den tyska forskaren bestämde sig för att namnge elementet zirkhorn.

Året 1789 var mycket viktigt för Klaproth, eftersom vetenskapsmannen samma år upptäckte grundämnet uran.

Lösta övningar på zirkonium

fråga 1

(FGV SP/2014 - anpassad) En ny och lovande klass av supraledande material är baserad på föreningen vanadinzirkoniumdiborid. Denna förening är syntetiserad från ett zirkonium (IV) salt.

^(Tidskrift^{Sök efter F}^apesp^{, Juni 2013. Anpassad)}

Antalet protoner och elektroner i Zr-jonen⁴⁺ är lika med respektive:

A) 36; 40

B) 40; 40

C) 40; 44

D) 40; 36

E) 36; 36

Svar

Bokstaven D

Som zirkonium har atomnummer lika med 40, kan vi dra slutsatsen att dess antal protoner är också 40, eftersom atomnumret är numeriskt lika med antalet protoner.

Med en laddning lika med +4 vet vi att zirkonium i denna form har fyra elektroner om inte i sin neutrala form.

När det är neutralt är antalet protoner lika med antalet elektroner, det vill säga att zirkonium ursprungligen har 40 protoner och 40 elektroner. Om du förlorar fyra elektroner blir zirkonium kvar med bara 36.

fråga 2

(Uerj 2013 —anpassas) Zirkoniumdioxid liknar diamant, en allotrop form av kol, som kan ersätta billiga smycken.

Markera alternativet som innehåller den kemiska formeln för zirkoniumdioxid, såväl som typen av interatomisk bindning av detta ämne.

A) ZrO₄, kovalent.

B) ZrO₂jonisk.

C) ZrO₂, kovalent.

D) ZrO₄jonisk.

E) ZrO₂, metallisk.

Svar

Bokstaven B

Zirkoniumdioxid, som namnet antyder, måste innehålla endast två atomer av syre. Således är den förväntade formeln ZrO₂. Dessutom får zirkonium vanligtvis ett oxidationstillstånd lika med +4.

Typen av interatomisk bindning är jonisk, av två skäl: