Відкрити головне меню

Цирконій

хімічний елемент із атомним номером 40
(Перенаправлено з Zr)

Цирко́ній (Zr) — хімічний елемент із атомним номером 40, перехідний метал. Особливістю цирконію є стійкість до корозії. Використовується в сплавах. Назва цирконій походить від мінералу циркон, що, в свою чергу, ймовірно, походить від персидського «заргун» — «золотистий».

Цирконій (Zr)
Атомний номер 40
Зовнішній вигляд простої речовини світло-сірий, блискучий
метал, стійкий до корозії
Два зразки кристалічних брусків найчистішого цирконію 99,97% з різними текстурами поверхні, отримані методом ван-Аркеля-де-Бура (йодидним методом), а також куб об'ємом 1 см³ з цирконію високої чистоти 99,95% для порівняння. Для фотографування шматки металу були розміщені на білій скляній пластині
Властивості атома
Атомна маса (молярна маса) 91,224 а.о.м. (г/моль)
Радіус атома 160 пм
Енергія іонізації (перший електрон) 659,7(6,84) кДж/моль (еВ)
Електронна конфігурація [Kr] 4d2 5s2
Хімічні властивості
Ковалентний радіус 145 пм
Радіус іона (+4e)79 пм
Електронегативність (за Полінгом) 1,33
Електродний потенціал 0
Ступені окиснення +4, +3, +2
Термодинамічні властивості
Густина 6,506 г/см³
Молярна теплоємність 0,281 Дж/(К·моль)
Теплопровідність 22,7 Вт/(м·К)
Температура плавлення 2125 К
Теплота плавлення 19,2 кДж/моль
Температура кипіння 4650 К
Теплота випаровування 567 кДж/моль
Молярний об'єм 14,1 см³/моль
Кристалічна ґратка
Структура ґратки гексагональна
Період ґратки 3,230 Å
Відношення с/а 1,593
Температура Дебая 310[1] К
H He
Li Be B C N O F Ne
Na Mg Al Si P S Cl Ar
K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr
Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe
Cs Ba * Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn
Fr Ra ** Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Rg Cn Nh Fl Mc Lv Ts Og
* La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu
** Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr
Цирконій у Вікісховищі?

Зміст

ІсторіяРедагувати

Найважливішим цирконовмісним мінералом є циркон (Zr[SiO4]), відомий з античних часів. Циркон вважали різновидом діаманту, проте у 1789 році німецьким хіміком М. Клапротом було доведено, що це не так. Нагріваючи привезений зі Шрі-Ланки зразок циркону з гідроксидом натрію[2], він встановив, що на 25 % той складається з кремнію, а на 70 % — з оксиду невідомого раніше елементу. Цей оксид отримав назву «цирконієва земля», проте Клапроту не вдалося виділити метал з оксиду. У 1808 році Гемфрі Деві намагався отримати металічний цирконій за допомогою електролізу, проте невдало[3].

Металевий цирконій (чистотою 93 %) уперше отримав шведський хімік Йонс Якоб Берцеліус у 1824 році відновленням його з K2ZrF6 металевим калієм. Атомна маса цирконію була точно встановлена лише у 1925 році, після того як голландські вчені Антон Едуард ван Аркель[en] і Ян Хендрік де Бур[en] розробили названий на їх честь метод отримання чистого цирконію (утворення леткого йодиду цирконію ZrI4 і подальший його термічний розклад). Після цього стало зрозуміло, що отриманий раніше цирконій містив домішки гафнію, внаслідок чого його атомна маса була завищеною.

У 1946 році люксембурзький металург, що емігрував в США, Вільям Кролл[en] винайшов більш дешевий спосіб промислового отримання цирконію, шляхом його металотермічного відновлення з хлориду (процес Кролла[en]), що використовується і понині[4].

ВластивостіРедагувати

Ат. м. 91,22. У природі існує 5 стабільних ізотопів 90Zr (51,46 %), 91Zr (11,23 %), 92Zr (17,11 %), 94Zr (17,40 %) і 96Zr (2,80 %). Кристалічна ґратка при температурі нижче 863 °C гексагональна, щільноупакована, вище цієї температури — кубічна.

Проста речовина — цирконій. Сріблясто-білий блискучий метал. Чистий цирконій пластичний, хімічно малоактивний. Стійкий до дії води, лугів і більшості кислот (винятком є флуоридна кислота HF, з якою він досить активно реагує навіть за малих концентрацій[3]). Реагує з киснем, галогенами, поглинає водень і азот. При нагріванні взаємодіє концентрованою H2SO4 та царською горілкою. У сполуках ступінь окиснення +4, рідше +2 і +3[5].

Густина 6,5; tплав 1855 °C, tкип бл. 4371 °C. Неподрібнений цирконій в присутності кисню починає горіти лише при нагріванні вище 4460 °C, що є рекордом серед металів[3].

Цирконій переходить у надпровідний стан при температурі 0,61 К. Парамагнітний. Питомий опір — 41,5×10−8 Ом·м. Переріз реакції поглинання теплових нейтронів дуже низький — 0,61 барн[5].

ПоширенняРедагувати

Середній вміст цирконію в земній корі (1,7-2,0)•10−2% (мас). У морській воді цирконій має концентрацію 0,026 мкг/л. Усього відомо більше 30 мінералів цирконію, але практичне значення мають тільки циркон Zr[SiO4] і бадделеїт ZrO2.

Основним типом промислових родовищ є прибережно-морські й елювіально-делювіальні розсипи, а також лужні і гранітні пегматити.

У 2018 році розвідані резерви цирконію становлять 74 мільйони тонн (у перерахунку на ZrO2). Загальний добуток у тому ж році становив 1,6 мільйона тонн[6].

ОтриманняРедагувати

 
Кристалічний цирконій, отриманий за допомогою газотранспортної реакції

Цирконій отримують шляхом спікання рудного концентрату циркону з K2[SiF6], наступного вилуговування і відновлення ZrF4 магнієм або натрієм до Zr-губки або хлоруванням концентрату при температурі 900—1000 °C у присутності коксу і потім металотермічним відновленням ZrCl4 до Zr. Компактний ковкий цирконій отримують плавленням у вакуумних дугових печах Zr-губки.

Спочатку цирконовмісну сировину переводять в оксид цирконію у розплаві гідроксиду натрію. Потім оксид сплавляють з коксом у дуговій печі та переводять хлором у тетрахлорид:

 

Далі тетрахлорид відновлюють магнієм у гелієвій атмосфері:

 

Для отримання чистого цирконію використовують газотранспортну реакцію з йодом (при 200 °С) із розщепленням йодиду цирконію на розжареному дроті (при 1300 °C) із утворенням кристалів елементарного цирконію:

 

ЗастосуванняРедагувати

Висока температура плавлення, хімічна інертність по відношенню до кислот і розплавлених середовищ, малий перетин захоплення нейтронів (0,18 барн) і ряд інших властивостей визначають основні області застосування цирконію. Він є ідеальним матеріалом для обладнання ядерних реакторів. Застосовується для легування сплавів кольорових металів, що використовуються в літако- і автомобілебудуванні, у ракетобудуванні, хімічному машинобудуванні тощо. Зростає використання циркону у виробництві керамічної плитки та санітарного фаянсу — найбільшому секторі його споживання, де витрачається більше половини (54 %) всього використовуваного в світі циркону. Власні потреби промисловості України у 1998 році становили 90 т цирконію при виробництві 180 т. У 2010 р. планувалося збільшення виробництва до 360 т.

Див. такожРедагувати

ПриміткиРедагувати

ЛітератураРедагувати