Ζιρκόνιο (Zr), χημικό στοιχείο, μέταλλο της ομάδας 4 (IVb) του περιοδικού πίνακα, που χρησιμοποιείται ως δομικό υλικό για πυρηνικούς αντιδραστήρες.
Ιδιότητες στοιχείου
| ατομικός αριθμός | 40 |
|---|---|
| ατομικό βάρος | 91.22 |
| σημείο τήξης | 1.852 ° C (3.366 ° F) |
| σημείο βρασμού | 3,578 ° C (6,472 ° F) |
| ειδικό βάρος | 6,49 στους 20 ° C (68 ° F) |
| κατάσταση οξείδωσης | +4 |
| διαμόρφωση ηλεκτρονίων | [Kr] 4d 2 5s 2 |
Ιδιότητες, εμφάνιση και χρήσεις
Το ζιρκόνιο, ασαφές πριν από τα τέλη της δεκαετίας του 1940, έγινε ένα σημαντικό μηχανολογικό υλικό για εφαρμογές πυρηνικής ενέργειας επειδή είναι εξαιρετικά διαφανές στα νετρόνια. Το στοιχείο ταυτοποιήθηκε (1789) σε ζιργκόν, ZrSiO 4 (ορθοπυριτικό ζιρκόνιο), από το οξείδιο του από τον Γερμανό χημικό Martin Heinrich Klaproth και το μέταλλο απομονώθηκε (1824) σε ακάθαρτη μορφή από τον Σουηδό χημικό Jöns Jacob Berzelius. Το ακάθαρτο μέταλλο, ακόμη και όταν το 99 τοις εκατό είναι καθαρό, είναι σκληρό και εύθραυστο. Το λευκό, μαλακό, εύπλαστο και όλκιμο μέταλλο υψηλότερης καθαρότητας δημιουργήθηκε για πρώτη φορά σε ποσότητα (1925) από τους Ολλανδούς χημικούς Anton E. van Arkel και JH de Boer με τη θερμική αποσύνθεση του τετραϊωδιδίου ζιρκονίου, ZrI 4. Στις αρχές της δεκαετίας του 1940, ο William Justin Kroll του Λουξεμβούργου ανέπτυξε φθηνότερα διαδικασία του να καταστεί η μεταλλική βάση για τη μείωση των τετραχλωριούχου ζιρκονίου, ZrCl 4, από μαγνήσιο. Στις αρχές του 21ου αιώνα, οι κορυφαίοι παραγωγοί ζιρκονίου περιελάμβαναν την Αυστραλία, τη Νότια Αφρική, την Κίνα και την Ινδονησία. Η Μοζαμβίκη, η Ινδία και η Σρι Λάνκα ήταν επιπλέον παραγωγοί.
Το ζιρκόνιο είναι σχετικά άφθονο στον φλοιό της Γης, αλλά όχι σε συγκεντρωμένα κοιτάσματα και παρατηρείται χαρακτηριστικά σε αστέρια τύπου S. Το ορυκτό ζιργκόν, το οποίο βρίσκεται γενικά σε αλλουβιακές αποθέσεις σε ρέματα, παραλίες στον ωκεανό ή σε παλιές κοίτες της λίμνης, είναι η μόνη εμπορική πηγή ζιρκονίου. Baddeleyite, το οποίο είναι ουσιαστικά καθαρό διοξείδιο του ζιρκονίου, ZrO 2, είναι η μόνη άλλη ορυκτό σημαντικό ζιρκόνιο, αλλά το εμπορικό προϊόν είναι πιο φθηνά ανακτηθεί από διαμάντι. Το ζιρκόνιο παράγεται με την ίδια διαδικασία με εκείνη που χρησιμοποιείται για το τιτάνιο. Αυτά τα μέταλλα ζιρκονίου έχουν γενικά περιεκτικότητα σε άφνιο που κυμαίνεται από μερικά δέκατα του 1 τοις εκατό έως αρκετά τοις εκατό. Για ορισμένους σκοπούς, ο διαχωρισμός των δύο στοιχείων δεν είναι σημαντικός: το ζιρκόνιο που περιέχει περίπου 1 τοις εκατό άφνιο είναι τόσο αποδεκτό όσο το καθαρό ζιρκόνιο.
Η πιο σημαντική χρήση του ζιρκονίου είναι σε πυρηνικούς αντιδραστήρες για επένδυση ράβδων καυσίμου, για κράμα με ουράνιο και για δομές πυρήνα αντιδραστήρα λόγω του μοναδικού συνδυασμού ιδιοτήτων του. Το ζιρκόνιο έχει καλή αντοχή σε υψηλές θερμοκρασίες, αντέχει στη διάβρωση από τα ταχέως κυκλοφορούμενα ψυκτικά, δεν σχηματίζει ιδιαίτερα ραδιενεργά ισότοπα και αντέχει μηχανικές βλάβες από βομβαρδισμό νετρονίων. Το άφνιο, που υπάρχει σε όλα τα μεταλλεύματα ζιρκονίου, πρέπει να αφαιρείται σχολαστικά από το μέταλλο που προορίζεται για χρήση στον αντιδραστήρα, επειδή το άφνιο απορροφά έντονα θερμικά νετρόνια.
Ο διαχωρισμός του άφνιου και του ζιρκονίου επιτυγχάνεται γενικά με μια διαδικασία εκχύλισης υγρού-υγρού. Στη διαδικασία, το ακατέργαστο τετραχλωριούχο ζιρκόνιο διαλύεται σε ένα υδατικό διάλυμα θειοκυανικού αμμωνίου, και η μεθυλ ισοβουτυλοκετόνη διοχετεύεται αντίθετα στο υδατικό μίγμα, με αποτέλεσμα το τετραχλωριούχο άφνιο να εκχυλίζεται κατά προτίμηση.
Οι ατομικές ακτίνες ζιρκονίου και άφνιου είναι 1,45 και 1,44 Å, αντίστοιχα, ενώ οι ακτίνες των ιόντων είναι Zr 4+, 0,74 Å και Hf 4+, 0,75 Å. Η εικονική ταυτότητα των ατομικών και ιοντικών μεγεθών, που προκύπτει από τη συστολή του λανθανοειδούς, έχει ως αποτέλεσμα να κάνει τη χημική συμπεριφορά αυτών των δύο στοιχείων πιο παρόμοια από ό, τι για οποιοδήποτε άλλο ζευγάρι στοιχείων γνωστό. Αν και η χημεία του αφνίου έχει μελετηθεί λιγότερο από εκείνη του ζιρκονίου, τα δύο είναι τόσο παρόμοια που μόνο πολύ μικρές ποσοτικές διαφορές - για παράδειγμα, στις διαλυτότητες και στις μεταβλητές ενώσεις - θα ήταν αναμενόμενες σε περιπτώσεις που δεν έχουν πραγματικά διερευνηθεί.
Το ζιρκόνιο απορροφά οξυγόνο, άζωτο και υδρογόνο σε εκπληκτικές ποσότητες. Σε περίπου 800 ° C (1.500 ° F) συνδυάζει χημικά με το οξυγόνο για να δώσει την οξειδίου, ΖγΟ 2. Το ζιρκόνιο μειώνει τα πυρίμαχα χωνευτά υλικά όπως τα οξείδια του μαγνησίου, του βηρυλλίου και του θορίου. Αυτή η ισχυρή συγγένεια για το οξυγόνο και άλλα αέρια εξηγεί τη χρήση του ως συλλέκτη για την απομάκρυνση των υπολειμμάτων αερίων σε σωλήνες ηλεκτρονίων. Σε κανονικές θερμοκρασίες στον αέρα, το ζιρκόνιο είναι παθητικό λόγω του σχηματισμού προστατευτικής μεμβράνης οξειδίου ή νιτριδίου. Ακόμα και χωρίς αυτήν την μεμβράνη, το μέταλλο είναι ανθεκτικό στη δράση ασθενών οξέων και όξινων αλάτων. Διαλύεται καλύτερα σε υδροφθορικό οξύ, στην οποία διαδικασία ο σχηματισμός ανιονικών φθορο συμπλοκών είναι σημαντικός για τη σταθεροποίηση του διαλύματος. Σε κανονικές θερμοκρασίες δεν είναι ιδιαίτερα αντιδραστικό αλλά γίνεται αρκετά αντιδραστικό με μια ποικιλία μη μετάλλων σε υψηλές θερμοκρασίες. Λόγω της υψηλής αντοχής στη διάβρωση, το ζιρκόνιο έχει ευρεία χρήση στην κατασκευή αντλιών, βαλβίδων και εναλλακτών θερμότητας. Το ζιρκόνιο χρησιμοποιείται επίσης ως παράγοντας κράματος στην παραγωγή ορισμένων κραμάτων μαγνησίου και ως πρόσθετο στην κατασκευή ορισμένων χάλυβα.
Το φυσικό ζιρκόνιο είναι ένα μείγμα από πέντε σταθερά ισότοπα: ζιρκόνιο-90 (51,46 τοις εκατό), ζιρκόνιο-91 (11,23 τοις εκατό), ζιρκόνιο-92 (17,11 τοις εκατό), ζιρκόνιο-94 (17,40 τοις εκατό), ζιρκόνιο-96 (2,80 τοις εκατό). Υπάρχουν δύο αλλότροπες: κάτω από τους 862 ° C (1.584 ° F) μια εξαγωνική δομή κλειστής συσκευασίας, πάνω από αυτήν τη θερμοκρασία ένα κυβικό με κεντρικό σώμα.
