Cirkonija ķīmiskais elements

Cirkonijs (Zr), periodiskās tabulas 4. (IVb) grupas ķīmiskais elements, metāls, ko izmanto kā kodolreaktoru konstrukcijas materiālu.

Elementa īpašības

atomu skaitlis	40
atomsvars	91,22
kušanas punkts	1,852 ° C (3,366 ° F)
vārīšanās punkts	3578 ° C (6 472 ° F)
īpaša gravitāte	6,49 pie 20 ° C (68 ° F)
oksidācijas stāvoklis	+4
elektronu konfigurācija	[Kr] 4d ² 5s ²

Īpašības, rašanās un lietojumi

Cirkonijs, kas bija neskaidrs pirms 1940. gadu beigām, kļuva par nozīmīgu inženiertehnisko materiālu kodolenerģijas lietojumiem, jo tas ir ļoti caurspīdīgs neitroniem. Elements tika identificēts (1789) cirkonā, ZrSiO ₄ (cirkonija ortosilikātā) no tā oksīda, ko izveidoja vācu ķīmiķis Martins Heinrihs Klaprots, un metālu tīrā veidā izolēja (1824) zviedru ķīmiķis Jöns Jacob Berzelius. Netīrais metāls, pat ja tīrs ir 99 procenti, ir ciets un trausls. Augstākas tīrības pakāpes balto, mīksto, kaļamo un kaļamo metālu vispirms daudzumā (1925. gadā) ražoja holandiešu ķīmiķi Antons E. van Arkels un JH de Boers, termiski sadaloties cirkonija tetraiodīdam, ZrI _4.. 1940. gadu sākumā Viljams Džastins Krols no Luksemburgas izstrādāja savu lētāko metālu izgatavošanas procesu, kura pamatā ir cirkonija tetrahlorīda ZrCl ₄ reducēšana ar magniju. 21. gadsimta sākumā cirkonija vadošie ražotāji bija Austrālija, Dienvidāfrika, Ķīna un Indonēzija; Mozambika, Indija un Šrilanka bija papildu ražotāji.

Cirkonijs ir samērā bagātīgs Zemes garozā, bet ne koncentrētos nogulumos, un tas raksturīgi novērojams S veida zvaigznēs. Minerālais cirkonis, kas parasti ir atrodams aluviālajos nogulumos strautu gultnēs, okeāna pludmalēs vai vecās ezeru gultnēs, ir vienīgais komerciālais cirkonija avots. Baddeleitīts, kas būtībā ir tīrs cirkonija dioksīds, ZrO ₂, ir vienīgais svarīgais cirkonija minerāls, bet komerciālo produktu lētāk iegūst no cirkona. Cirkoniju ražo tajā pašā procesā, ko izmanto titānam. Šiem cirkonija minerāliem hafnija saturs parasti ir no dažām desmitdaļām no 1 procenta līdz vairākiem procentiem. Dažiem nolūkiem divu elementu atdalīšana nav svarīga: cirkonijs, kas satur apmēram 1 procentu hafnija, ir tikpat pieņemams kā tīrs cirkonijs.

Vissvarīgākais cirkonija pielietojums ir kodolreaktoros degvielas stieņu apšuvumam, leģēšanai ar urānu un reaktora kodola konstrukcijām tās unikālās īpašību kombinācijas dēļ. Cirkonijam ir laba izturība paaugstinātā temperatūrā, tas iztur koroziju no ātri cirkulējošiem dzesēšanas šķidrumiem, neveido ļoti radioaktīvus izotopus un iztur mehāniskus bojājumus, ko rada neitronu bombardēšana. Hafnijs, kas atrodas visās cirkonija rūdās, ir rūpīgi jāizņem no metāla, kas paredzēts reaktoru izmantošanai, jo hafnijs spēcīgi absorbē termiskos neitronus.

Hafnija un cirkonija atdalīšanu parasti veic ar šķidruma-šķidruma pretstrāvas-ekstrakcijas procedūru. Procedūrā neapstrādātu cirkonija tetrahlorīdu izšķīdina amonija tiocianāta ūdens šķīdumā, un metilizobutilketonu pretstraumē ievada ūdens maisījumā, kā rezultātā vislabāk tiek ekstrahēts hafnija tetrahlorīds.

Cirkonija un hafnija atomu rādiuss ir attiecīgi 1,45 un 1,44 Å, savukārt jonu rādiuss ir Zr ⁴⁺, 0,74 Å un Hf ⁴⁺, 0,75 Å. Atomu un jonu izmēru virtuālā identitāte, kas rodas lantanoīda kontrakcijas rezultātā, padara šo divu elementu ķīmisko izturēšanos līdzīgāku nekā visiem pārējiem zināmajiem elementiem. Lai arī hafnija ķīmija ir pētīta mazāk nekā cirkonija ķīmija, abas tās ir tik līdzīgas, ka gadījumos, kas faktiski nav izpētīti, būtu sagaidāmas tikai ļoti nelielas kvantitatīvas atšķirības - piemēram, savienojumu šķīdībā un gaistošajā stāvoklī.

Cirkonijs pārsteidzošā daudzumā absorbē skābekli, slāpekli un ūdeņradi. Pie aptuveni 800 ° C (1500 ° F) tā apvieno ķīmiski ar skābekli, iegūstot oksīds, ZrO ₂. Cirkonijs samazina tādus ugunsizturīgus tīģeļu materiālus kā magnija, berilija un torija oksīdi. Šī spēcīgā afinitāte pret skābekli un citām gāzēm izriet no tā, ka to izmanto kā getteru atlikušo gāzu noņemšanai elektronu caurulēs. Normālā gaisa temperatūrā cirkonijs ir pasīvs, jo veidojas oksīda vai nitrīda aizsargplēve. Pat bez šīs plēves metāls ir izturīgs pret vāju skābju un skābu sāļu darbību. Vislabāk to izšķīdina fluorūdeņražskābē, šajā procedūrā šķīduma stabilizēšanā svarīga ir anjonu fluora kompleksu veidošanās. Normālā temperatūrā tas nav īpaši reaģējošs, bet paaugstinātā temperatūrā tas kļūst diezgan reaktīvs ar dažādiem nemetāliem. Sakarā ar augsto korozijas izturību cirkonijs ir plaši izmantots sūkņu, vārstu un siltummaiņu ražošanā. Cirkonijs tiek izmantots arī kā leģējošs līdzeklis dažu magnija sakausējumu ražošanā un kā piedeva noteiktu tēraudu ražošanā.

Dabīgais cirkonijs ir piecu stabilu izotopu maisījums: cirkonijs-90 (51,46 procenti), cirkonijs-91 (11,23 procenti), cirkonijs-92 (17,11 procenti), cirkonijs-94 (17,40 procenti), cirkonijs-96 (2,80 procenti). Pastāv divi allotropi: zem 862 ° C (1584 ° F) sešstūra formas cieši iesaiņotas struktūras, virs šīs temperatūras uz ķermeni vērsts kubs.