Цирконий – Уикипедия
Тази статия е за химичния елемент. За изкуствения диамант вижте фианит.
Цирконият е химичен елемент със символ Zr и атомен номер 40. Той е блестящ сиво-бял преходен метал, подобен на титана. Използва се в производството на специални сплави поради високата си устойчивост на корозия. Не се среща в природата като метал, а се добива от минерала циркон, който може да се пречисти с хлор. За първи път е получен през 1824 г. от Йонс Берцелиус.
Наличие в природата
[редактиране | редактиране на кода]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.
История
[редактиране | редактиране на кода]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]
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]
Физични свойства
[редактиране | редактиране на кода]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
[редактиране | редактиране на кода]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]
Химични свойства
[редактиране | редактиране на кода]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:
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.
Съединения
[редактиране | редактиране на кода]Оксиди и хидроксиди
[редактиране | редактиране на кода]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:
,
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
[редактиране | редактиране на кода]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:
Производство
[редактиране | редактиране на кода]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.
Приложение
[редактиране | редактиране на кода]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]
Биологични ефекти
[редактиране | редактиране на кода]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]
Бележки
[редактиране | редактиране на кода]Източници
[редактиране | редактиране на кода]- ↑ Lide 2005.
- ↑ а б Dokania June 2018.
- ↑ Pritychenko .
- ↑ а б в г д е ж з Лефтеров, Димитър. Химичните елементи и техните изотопи. София, Издателство на БАН „Проф. Марин Дринов“, 2015. ISBN 978-954-322-831-7. с. 192 – 195.
- ↑ а б в г д Киркова, Елена. Химия на елементите и техните съединения. София, Университетско издателство „Св. Климент Охридски“, 2013. ISBN 978-954-07-3504-7. с. 483 – 492.
- Използвана литература
- Lide, D. R. Magnetic susceptibility of the elements and inorganic compounds // CRC Handbook of Chemistry and Physics. 86th. Boca Raton (FL), CRC Press, 2005. ISBN 0-8493-0486-5. (на английски)
- Pritychenko, Boris. Adopted Double Beta Decay Data // National Nuclear Data Center. (на английски)
- Dokania, N. et al. An improved half-life limit of the double beta decay of 94Zr into the excited state of 94Mo // Journal of Physics G: Nuclear and Particle Physics 45 (7). IOP Publishing Ltd, June 2018. DOI:10.1088/1361-6471/aac7ed. (на английски)
![]() ![]() | 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. |
Периодична система на елементите | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
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 | La | Ce | Pr | Nd | Pm | Sm | Eu | Gd | Tb | Dy | Ho | Er | Tm | Yb | Lu | Hf | Ta | W | Re | Os | Ir | Pt | Au | Hg | Tl | Pb | Bi | Po | At | Rn | ||||||||||
Fr | Ra | Ac | Th | Pa | U | Np | Pu | Am | Cm | Bk | Cf | Es | Fm | Md | No | Lr | Rf | Db | Sg | Bh | Hs | Mt | Ds | Rg | Cn | Nh | Fl | Mc | Lv | Ts | Og | ||||||||||
|