เซอร์โคเนียม (Zr): ลักษณะ การผลิต การใช้งาน

อู๋ เซอร์โคเนียมสัญลักษณ์ Zr เลขอะตอม 40 เป็นองค์ประกอบทางเคมีที่อยู่ในกลุ่มที่ 5 ของ ตารางธาตุ. มีความโดดเด่นในด้านความทนทานต่อการกัดกร่อน และความเสถียรทางความร้อนที่ดี

องค์ประกอบคือ ทางเคมีคล้ายกับ .มาก แฮฟเนียมและด้วยเหตุนี้ ตัวอย่างเซอร์โคเนียมธรรมชาติทุกชิ้นจึงมีปริมาณแฮฟเนียมเล็กน้อย มีมากในเปลือกโลก โดยมีปริมาณมากกว่าธาตุที่ใช้กันอย่างแพร่หลาย เช่น ทองแดง สังกะสี และตะกั่ว

เซอร์โคเนียมมี ประยุกต์กว้างในอุตสาหกรรมนิวเคลียร์เนื่องจากการดูดซับนิวตรอนต่ำทำให้เคลือบเชื้อเพลิงที่อุดมด้วยยูเรเนียมไดออกไซด์ได้ดีเยี่ยม นอกจากนี้ เนื่องจากเซอร์โคเนียมถือว่าไม่เป็นพิษและเข้ากันได้ทางชีวภาพอย่างมาก จึงถูกนำมาใช้ในการผ่าตัดขาเทียมและรากฟันเทียม

อ่านด้วย: ยูเรเนียม — องค์ประกอบสำคัญยิ่งสำหรับการผลิตพลังงาน

สรุปเกี่ยวกับเซอร์โคเนียม

• เซอร์โคเนียมเป็น โลหะ อยู่ในกลุ่มที่ 5 ของตารางธาตุ

• มันมักจะปรากฏในธรรมชาติโดยมีแฮฟเนียมในปริมาณเล็กน้อยเนื่องจากองค์ประกอบเหล่านี้มีความคล้ายคลึงกันทางเคมีมาก

• Zirconite และ baddeleyite เป็นแร่เซอร์โคเนียมหลัก

• การแยกตัวระหว่างเซอร์โคเนียมและแฮฟเนียมนั้นทำได้ยากมาก

• เซอร์โคเนียมมีการกัดกร่อนที่ดีและทนต่ออุณหภูมิสูง

• สามารถใช้ในรากฟันเทียมและอวัยวะเทียมอื่นๆ ได้ เนื่องจากไม่เป็นพิษและมีความเข้ากันได้ทางชีวภาพสูง

• เซอร์โคเนียมส่วนใหญ่ถูกใช้โดยอุตสาหกรรมนิวเคลียร์

• องค์ประกอบนี้ถูกค้นพบในปี ค.ศ. 1789 โดยนักวิทยาศาสตร์ชาวเยอรมัน Martin Klaproth

คุณสมบัติของเซอร์โคเนียม

• สัญลักษณ์: Zr.

• เลขอะตอม: 40.

• มวลอะตอม: 91.224 ซ.ม.

• อิเล็กโตรเนกาติวีตี้: 1,33.

• จุดหลอมเหลว: 1855 องศาเซลเซียส

• จุดเดือด: 4409°C.

• ความหนาแน่น: 6.52 ก.ซม.^-3 (ที่อุณหภูมิ 20 องศาเซลเซียส)

• การกำหนดค่าทางอิเล็กทรอนิกส์: [Kr] 5s² 4 วัน².

• ชุดเคมี: กลุ่มที่ 4 โลหะทรานสิชัน

อย่าเพิ่งหยุด... มีมากขึ้นหลังจากโฆษณา ;)

คุณสมบัติของเซอร์โคเนียม

เซอร์โคเนียมในรูปของโลหะคือ a โลหะสีเทา และมีความต้านทานการกัดกร่อนได้ดี ส่วนใหญ่เป็นเพราะชั้น ZrO₂ ที่ก่อตัวขึ้นรอบๆ ปกป้องมวลโลหะภายใน อย่างไรก็ตาม หากถูกแบ่งอย่างประณีต เซอร์โคเนียมจะเกิดความร้อนสูง กล่าวคือ มันสามารถจุดไฟได้เองตามธรรมชาติเมื่อสัมผัสกับอากาศ โดยเฉพาะอย่างยิ่งที่อุณหภูมิสูง

ในทางเคมี เซอร์โคเนียมอยู่ใกล้กับแฮฟเนียมมาก ไม่น้อยเพราะองค์ประกอบต่างๆ เกิดขึ้นพร้อมกันในธรรมชาติ ดังนั้นเช่นแฮฟเนียมเซอร์โคเนียม ไม่ได้รับผลกระทบจากการโจมตีด้วยสารเคมีจาก กรด เจือจาง (ยกเว้น HF) เว้นแต่จะได้รับความร้อน สารละลายอัลคาไลน์ไม่ค่อยมีประสิทธิภาพกับเซอร์โคเนียมแม้ในอุณหภูมิที่สูงขึ้น

ในระบบอุณหภูมิที่สูงขึ้น เซอร์โคเนียมมีความสามารถในการทำปฏิกิริยากับส่วนใหญ่ อโลหะ. เมื่อทำปฏิกิริยาจะเห็นได้ว่าสารประกอบเซอร์โคเนียมที่มีเลขออกซิเดชัน +4 มีความคงตัวมากที่สุด เช่นเดียวกับกรณีของ ZrO₂ หรือ ZrCl₄. สถานะออกซิเดชันที่ต่ำกว่า เช่น +3 มีความเสถียรน้อยกว่า ซึ่งแตกต่างจาก ไทเทเนียม, องค์ประกอบที่เบาที่สุดในกลุ่ม 4 ซึ่งมีเสถียรภาพที่ดีกับภาระนี้

เซอร์โคเนียมสามารถพบได้ที่ไหน?

 เซอร์โคไนต์ (หรือเพทาย) แหล่งแร่หลักของเซอร์โคเนียม

ท่ามกลางองค์ประกอบ d-block ของตารางธาตุ เซอร์โคเนียมมีมากที่สุดเป็นอันดับสี่รองจาก เหล็ก, ไททาเนียม และ แมงกานีส. พวกมันมีอยู่ เพิ่มเติมจาก 30 แร่ที่ฉันมีและm เซอร์โคเนียมในรัฐธรรมนูญ. ในบรรดาที่รู้จักกันดีและสำคัญที่สุดคือ zirconite (หรือที่เรียกว่า zircon), ZrSiO4 และ baddeleyite (หรือ baddeleite), ZrO₂. Baddeleyite พบได้ในบราซิล

ประเทศที่มีเซอร์โคเนียมสำรองมากที่สุด ได้แก่ ออสเตรเลีย แอฟริกาใต้ และโมซัมบิก อย่างไรก็ตาม ผู้ผลิตรายใหญ่ที่สุดคือจีน ฝรั่งเศส อินเดีย รัสเซีย เยอรมนี และสหรัฐอเมริกา

ที่น่าสนใจคือเซอร์โคเนียม มีมากในบางส่วน ดวงดาว. องค์ประกอบถูกระบุแม้กระทั่งใน ดวงอาทิตย์ และในอุกกาบาต ตัวอย่างทางจันทรคติที่ได้รับจากภารกิจ Apollo ได้รับการพิสูจน์แล้วว่าเนื้อหาสูงของ ZrO₂ ในหินเหล่านี้เมื่อเทียบกับหินบนบก

ดูด้วย: ทอง — โลหะมีตระกูลที่โดดเด่นในด้านการนำไฟฟ้าที่ดี

รับเซอร์โคเนียม

เซอร์โคเนียม เกิดขึ้นตามธรรมชาติกับแฮฟเนียม, มักจะมีเนื้อหาขององค์ประกอบที่สองที่แตกต่างกันตั้งแต่ 1 ถึง 3% โดยมวล แม้จะมีเนื้อหาน้อย แต่การแยกระหว่างคนทั้งสองเป็นเรื่องยากมาก

โดยทั่วไป กระบวนการ Kroll จะใช้สำหรับการสกัดเซอร์โคเนียม ในกระบวนการนี้ ZrO₂ ที่มีอยู่ในแร่จะถูกแปลงที่อุณหภูมิสูงเป็นZrCl₄. ด้วยวิธีนี้ เซอร์โคเนียมสามารถรับได้โดยใช้แมกนีเซียมเป็นตัวรีดักชั่น ปฏิกิริยาต่อไปนี้แสดงให้เห็นถึงกระบวนการ

ZrO₂ → ZrCl₄ (โดยใช้ CCl₄ ที่อุณหภูมิ 770 K)

ZrCl₄ → Zr (ใช้ Mg ในบรรยากาศ Ar ที่อุณหภูมิ 1420 K)

อย่างไรก็ตาม ความคล้ายคลึงทางเคมีที่ดีระหว่าง Zr และ Hf หมายความว่าแฮฟเนียมยังคงอยู่ในระบบสุดท้ายในฐานะสิ่งเจือปนแบบถาวร จึงต้อง การใช้เทคนิคทางโลหะวิทยาเพื่อแยกระหว่าง Zr และ Hf. อุตสาหกรรมได้พัฒนาเส้นทางไฮโดรเมทัลโลจิคัล (เช่น ซึ่งเกิดขึ้นในสารละลายที่เป็นน้ำ) และเส้นทางไพโรเมทัลโลจิคัล (โดยไม่มีน้ำ)

เทคนิค hydrometallurgical คือการตกผลึกแบบเศษส่วนของเกลือ K₂ZrF₆ และ K₂HfF₆ซึ่งมีความสามารถในการละลายน้ำได้ไม่เท่ากัน เทคนิคการแก้ปัญหาอีกวิธีหนึ่งคือการสกัดด้วยตัวทำละลาย โดยที่สารประกอบ Zr และ Hf จะถูกละลาย ในน้ำแล้วเลือกสกัดด้วยตัวทำละลายอินทรีย์ เช่น เมทิลไอโซบิวทิลคีโตนและ ส่วย ด้วยความยากลำบากในการแยกออก เซอร์โคเนียมเชิงพาณิชย์มักจะทำการตลาดโดยมีเนื้อหาอยู่ที่ 1 ถึง 3% โดยมวลของ Hf

การใช้งานเซอร์โคเนียม

เซอร์โคเนียมที่เป็นโลหะคือ ทำงานใน ลีกซึ่งส่วนใหญ่เป็นเหล็กกล้า เพื่อทำให้ดีขึ้นในแง่ของความต้านทานทางกลและการกัดกร่อน ความเสถียรของโลหะที่อุณหภูมิสูงยังช่วยให้เป็น ใช้ในยานอวกาศซึ่งได้รับความเสียหายเป็นจำนวนมากเนื่องจากสภาวะสุดขั้วที่เกิดขึ้นระหว่างการกลับเข้าสู่ชั้นบรรยากาศของโลก

เนื่องจากเซอร์โคเนียมได้รับการยอมรับว่าเป็นองค์ประกอบที่ไม่เป็นพิษและมีความทนทานต่อการกัดกร่อนสูง นอกจากจะมีความเข้ากันได้ทางชีวภาพที่ดีแล้ว มีการสำรวจการใช้ในการผ่าตัดด้วยเช่นเดียวกับในทันตกรรมประดิษฐ์และรากฟันเทียม

เนื่องจากไม่เป็นพิษและเข้ากันได้ทางชีวภาพสูงมาก เซอร์โคเนียมจึงสามารถนำมาใช้ในรากฟันเทียมได้

เซอร์โคเนียมไดออกไซด์ ZrO₂มีจุดหลอมเหลวสูงมากในช่วง 2500 °C ดังนั้นจึงใช้ใน การผลิตภาชนะทนความร้อนสูงนอกจากเซรามิกที่มีความทนทานสูงแล้ว เซรามิกเหล่านี้ถูกนำไปใช้ประโยชน์แม้กระทั่งในเครื่องตัดด้วยเหตุนี้ ZrO₂ นอกจากนี้ยังสามารถใช้ในเครื่องสำอาง ผลิตภัณฑ์ระงับเหงื่อ บรรจุภัณฑ์อาหาร และแม้กระทั่งอัญมณีปลอม

เป็นที่น่าสังเกตว่าเซอร์โคเนียมส่วนใหญ่ถูกใช้โดย อุตสาหกรรมนิวเคลียร์. มีตัวอย่างเช่น Z ลีกircaloy®ซึ่งเป็นโลหะผสมของเซอร์โคเนียมและดีบุกที่พัฒนาขึ้นเพื่อจุดประสงค์ด้านนิวเคลียร์โดยเฉพาะ

ในอุตสาหกรรมนิวเคลียร์ เซอร์โคเนียมคือ ใช้ในบรรจุภัณฑ์ที่ประกอบด้วยêm ยูเรเนียมออกไซด์, เชื้อเพลิงของ โรงไฟฟ้า. เนื่องจากทนทานต่อน้ำสูงและมีการดักจับของ .ต่ำ นิวตรอนกลายเป็นวัสดุที่ดีเพื่อการนี้ เป็นที่น่าจดจำว่ามีการใช้นิวตรอนในช่วง ฟิชชันดังนั้นจึงเป็นสิ่งสำคัญที่เซอร์โคเนียมจะไม่จับพวกมัน การไม่จับยังทำให้เซอร์โคเนียมไม่แสดง กัมมันตภาพรังสี. นั่นคือเหตุผลที่ในกรณีนี้ เซอร์โคเนียมไม่สามารถมีแฮฟเนียมซึ่งเป็นโลหะที่มีความสามารถในการจับนิวตรอนได้เป็นอย่างดี

ตรวจสอบในพอดคาสต์ของเรา:โรงไฟฟ้านิวเคลียร์ทำงานอย่างไร?

ประวัติของเซอร์โคเนียม

ชื่อเซอร์โคเนียมน่าจะมาจาก sargoneคำจากภาษาซีเรียกที่ใช้อธิบายสีของอัญมณีที่ปัจจุบันเรียกว่าเซอร์โคเนีย แม้ว่าแร่ธาตุจะเป็นที่รู้จักอยู่แล้ว แต่ก็ยังไม่ทราบว่ามีธาตุใหม่อยู่จนกระทั่ง Martin Heirinch Klaproth ในปี ค.ศ. 1789 สามารถตรวจพบองค์ประกอบในเบอร์ลิน. นักวิทยาศาสตร์ชาวเยอรมันได้ตั้งชื่อธาตุนี้ว่า เซิร์กฮอร์น

ปี 1789 มีความสำคัญมากสำหรับ Klaproth เนื่องจากในปีเดียวกันนั้นนักวิทยาศาสตร์ได้ค้นพบธาตุยูเรเนียม

แก้ไขแบบฝึกหัดบนเซอร์โคเนียม

คำถามที่ 1

(FGV SP/2014 - ดัดแปลง) วัสดุตัวนำยิ่งยวดประเภทใหม่และมีแนวโน้มสูงนั้นใช้สารประกอบวานาเดียม เซอร์โคเนียม ไดโบไรด์ สารประกอบนี้สังเคราะห์จากเกลือเซอร์โคเนียม (IV)

^{(นิตยสาร ค้นหา Fลิง, มิถุนายน 2013. ดัดแปลง)}

จำนวนโปรตอนและอิเล็กตรอนใน Zr ion⁴⁺ เท่ากับ ตามลำดับ:

ก) 36; 40

ข) 40; 40

ค) 40; 44

ง) 40; 36

จ) 36; 36

ตอบกลับ

จดหมายD

เนื่องจากเซอร์โคเนียมมี เลขอะตอม เท่ากับ 40 เราสามารถสรุปได้ว่าจำนวน โปรตอน เท่ากับ 40 เนื่องจากเลขอะตอมเท่ากับตัวเลขกับจำนวนโปรตอน

แสดงประจุเท่ากับ +4 เรารู้ว่าเซอร์โคเนียมในรูปแบบนี้มีสี่ อิเล็กตรอน เว้นแต่จะอยู่ในรูปแบบที่เป็นกลาง

เมื่อเป็นกลาง จำนวนโปรตอนจะเท่ากับจำนวนอิเล็กตรอน กล่าวคือ แต่เดิมเซอร์โคเนียมมี 40 โปรตอนและ 40 อิเล็กตรอน เซอร์โคเนียมสูญเสียอิเล็กตรอนไป 4 ตัว เหลือเพียง 36 ตัว

คำถาม2

(Uerj 2013 —ดัดแปลง) เซอร์โคเนียมไดออกไซด์มีลักษณะคล้ายเพชร ซึ่งเป็นคาร์บอนในรูปแบบ allotropic ซึ่งสามารถทดแทนเครื่องประดับราคาถูกได้

ทำเครื่องหมายทางเลือกที่มีสูตรทางเคมีของเซอร์โคเนียมไดออกไซด์รวมทั้งชนิดของพันธะระหว่างอะตอมของสารนี้

A) ZrO₄, โควาเลนต์

B) ZrO₂, อิออน

C) ZrO₂, โควาเลนต์

D) ZrO₄, อิออน

E) ZrO₂,เมทัลลิค

ตอบกลับ

จดหมายข

เซอร์โคเนียมไดออกไซด์ตามชื่อของมันต้องมีอะตอมเพียงสองอะตอมของ ออกซิเจน. ดังนั้นสูตรที่คาดหวังคือ ZrO₂. นอกจากนี้เซอร์โคเนียมมักจะได้รับสถานะออกซิเดชันเท่ากับ +4

ประเภทของพันธะระหว่างอะตอมคือ ไอออนิกด้วยเหตุผลสองประการ:

• เซอร์โคเนียมเป็นโลหะและออกซิเจนเป็นอโลหะ

• ความแตกต่างของ อิเล็กโตรเนกาติวีตี้ ระหว่างทั้งสองมีค่ามากกว่า 1.7 (3.5 – 1.3 = 2.2)

โดย Stefano Araújo Novais
ครูสอนเคมี