Цирконий

Този раздел е празен или е мъниче. Можете да помогнете на Уикипедия, като го разширите.

Разпространението на цирконий в земната кора се оценява на 1,9×10^-2%, което го нарежда на 18-о място сред елементите. Свободен цирконий не се среща, а той е силно разсеян в природата. Важни негови минерали са циркон ZrSiO₄, баделеит ZrO₂, евдиалит (Na,Ca)₆ZrOH(Si₃O₉)₂(OH,Cl)₂. Известни са около 30 циркониеви минерала, много от които съдържат уран, хафний или торий.

Минералът циркон е известен на човечеството и използван като скъпоценен камък от древността. Той е бляскав и разноцветен и често е оприличаван на диамант, топаз или рубин. Парче циркон от Шри Ланка попада при немския химик Мартин Хайнрих Клапрот през 1789 г., който идентифицирал оксида на циркония.^[4] Металът е изолиран за първи път през 1824 г. от шведския химик Берцелиус от калиев хексафлуороцирконат:^[4]

${\displaystyle {\ce {K2[ZrF6] + 4Na -> Zr + 2KF + 4NaF}}}$

Полученият цирконий бил трошлив заради примесите в него, като това свойство се запазва до 99% чистота. Това премахнало възможното практическо приложение на метала. През 1925 г. нидерландските химици Антон Е. ван Аркел и Дж. Х. Боер подлагат на разграждане по т.нар. „йодиден метод“ ZrI₄, като се получил много чист цирконий. Така полученият метал бил ковък и мек, но използването му било ограничено от бавния и скъп метод за получаването му. През 1940 г. Уилиам Крол развива по-евтин метод чрез редукция на ZrCl₄ с Mg, което впоследствие е наречено „метод на Крол“.^[4]

Цирконият е сравнително мек сребрист метал с плътност 6,52 g/cm³. Топи се при 1855 °C и кипи при 4409 °C. Има хексагонална стеноцентрична решетка до 826 °C, над която температура преминава в кубична обемноцентрична сингония.

Изотопи

На земята и в космоса цирконият съществува под формата на петте си стабилни изотопа – ⁹⁰Zr, ⁹¹Zr, ⁹²Zr, ⁹⁴Zr и ⁹⁵Zr, синтезирани от звездите чрез s- и r-порцес.^[4] Смята се, че ⁹⁴Zr може да претърпи двоен бета-разпад (β^-β^-) с период на полуразпад около 5,2×10¹⁹ г. и продукт на разпад ⁹⁴Мо.^[2] Известни са 28 радиоактивни изотопа и 5 изомера на циркония с A от 78 до 110, с периоди на полуразпад от 1,53×10⁶ за ⁹³Zr до дни, часове, минути, секунди и части от секундата.

Продукти на деленето на ²³⁵U и ²³⁹Pu са ⁹³Zr, ⁹⁵Zr и ⁹⁶Zr с добив до 6,2%.^[4]

Цирконият е преходен метал от 4-та (IV B) група. Електронната му структура е KLM4s²4p⁶4d²5s² – прибавя се електрон в 4d-подслоя спрямо итрия. В съединенията си проявява 4-та валентност. Известни са малко стабилни съединения в по-нисша валентност. По химични свойства е подобен на хафния и титана. Има отрицателен електроден потенциал, но не реагира с водата и минералните киселини, с изключение на HF.^[5] Устойчив е в разтвори на алкални основи и при загряване поради основния характер на ZrO₂. Реагира със стопени основи и алкални карбонати до соли:

${\displaystyle {\ce {Zr + 4NaOH -> Na4ZrO4 + 2H2}}}$

На въздух цирконият се покрива с тънък плътен оксиден слой, който го предпазва от следващо окисление, но в прахообразно състояние се самозапалва.^[4]

Цирконият редуцира оксидите на магнезия, берилия и тория.

Над 250 °C в присъствието на водород, цирконият образува хидриди и твърди разтвори, които проявяват метални свойства. При около 800 °C цирконият реагира с кислорода до ZrO₂. Циркониевият диоксид е твърд, бял до жълто-кафяв и труднотопим (2700 °C). Използва се в абразивни, в огнеупорни материали и в стъкла, издръжливи на киселини и основи.

Над 400 °C с азота образува нитриди и твърди разтвори, а над 1500 °C с бора образува металните бориди ZrB и ZrB₂.

Циркониевият тетрахлорид се получава от циркониев карбид или оксид. Използва се за получаването на органоциркониеви съединения.

Цирконият образува селениди, телуриди, фосфиди, арсениди и германиди.

Оксиди и хидроксиди

Познат е само диоксидът, ZrO₂. Той се получава при изгаряне на метала или при нагряване на утайки от хидратните оксиди – ZrO₂•nH₂O. На вид прилича на TiO₂ и се топи при 2580 °C. Оксидът е химически инертен и не реагира дори със стопени основи и метали, а с повишаване на температурата променя незначително обема си. Търпи фазов преход над 1100 °C^[5] и при многократна употреба може да настъпи напукване. Монокристалите му се използват като лещи и плочки при много високи температури в космическите кораби.^[5]

Заради инертността на диоксида, хидроксидът се получава индиректно:

${\displaystyle {\ce {ZrCl4 + 4NaOH -> Zr(OH)4 + 4NaCl}}}$ ,

но реакцията не се осъществява в този вид във воден разтвор, защото не са открити прости Zr⁴⁺, а комплексни катиони. При алкализиране на този разтвор се получават цирконати със сложен състав, и накрая хидратни оксиди. При стапяне на ZrO₂ с оксиди или карбонати на други метали се получават цирконати с определен състав.^[5]

Халогениди

Познати са всички тетрахалогениди, които са твърди вещества ZrF₄ се получава при флуориране на тетрахлорида с безводна HF. Тетрахлоридът и тетрабромидът се получават от редукция на оксидите с въглерод и реакция със съответния халоген. Тетрайодидът се получава по реакцията:

${\displaystyle {\ce {3ZrO2 + 4AlI3 -> 3ZrI4 + 2Al2O3}}}$

Този раздел е празен или е мъниче. Можете да помогнете на Уикипедия, като го разширите.

Производството на цирконий не е възможно чрез редукция на минералите му с въглерод, защото при тези условия се получават карбиди. Използва се редукция на ZrCl₄ с Ca или Mg. Предварително се отделя хафният чрез йонообменен метод или екстракция. В много чисто състояние се получава по метода на транспортните реакции.

Първоначално цирконият е използван в черната, а по-късно в цветната металургия. Той реагира с газовете и сярата в стоманата, което повишава издръжливостта ѝ на натоварване. Малка добавка на цирконий в алуминиевите сплави ги прави по-високотопими, магнезиевите сплави стават устойчиви на корозия, а прибавянето му към титан повишава киселината му устойчивост.

Най-широкото приложение на циркония е в ядрените реактори, където се използва за облицоване на горивните елементи и за изработване на активната зона. Цирконият има много ниско сечение за топлинни неутрони и е високотопим, но дори минимални количества хафний, които винаги съпътстват метала, нарушават тези негови качества. Затова в ядрените реактори се използва цирконий с реакторен клас чистота.

Цирконият е корозионноустойчив и пластичен, и се използва като конструкционен материал при високотемпературната техника и турбореактивните двигатели.^[5]

Цирконият поглъща кислорода, азота и водорода, поради което се използва като гетер за отстраняване на остатъчни газове във вакуумирани обеми.

ZrB₂ се използва като компонент на инструментални стомани, композитни и огнеупорни материали, абразиви. Използва се и в регулиращите пръти на ядрените реактори, където борът служи за регулиране на количеството топлинни неутрони.^[4]

Този раздел е празен или е мъниче. Можете да помогнете на Уикипедия, като го разширите.

Цирконият е високо съвместим с биологичната тъкан и е корозионно устойчив. От него се приготвят хирургически инструменти, протези и се използва в неврохирургията. В зъботехниката се използва за изработване на зъбопротезни конструкции.^[4]

Използвана литература

Тази страница частично или изцяло представлява превод на страницата Zirconium в Уикипедия на английски. Оригиналният текст, както и този превод, са защитени от Лиценза „Криейтив Комънс – Признание – Споделяне на споделеното“, а за съдържание, създадено преди юни 2009 година – от Лиценза за свободна документация на ГНУ. Прегледайте историята на редакциите на оригиналната страница, както и на преводната страница, за да видите списъка на съавторите. ​ ВАЖНО: Този шаблон се отнася единствено до авторските права върху съдържанието на статията. Добавянето му не отменя изискването да се посочват конкретни източници на твърденията, които да бъдат благонадеждни.​