Zirconium, Zr, Numéro atomique 40

Général

Zirconium, souvent Zirconium, est un élément chimique avec le symbole d'élément de Zr et de numéro atomique 40. Son nom dérive du zircon, le minéral le plus commun de zirconium, à partir de. Dans le tableau périodique, il est en der5. Période; c'est le second élément de l' 4. Groupe (désuet 4. Sous-groupe) groupe ou titane. Le zirconium est un métal résistant à la corrosion très lourd. Fonctions biologiques ne sont pas connus; il se produit en petites quantités (4 mg / kg) dans l'organisme humain et est non toxique.

Le minéral zircon zirconium importante (Zr[SiO4]) a été connu depuis l'Antiquité comme un bijou. Comme un élément de zirconium est 1789 découvert par Martin Heinrich Klaproth dans un échantillon provenant de Ceylan des Minéraux zircon et nommé d'après cette. A d'abord été montré, le métal 1824 par Jöns Jakob Berzelius par réduction de K2ZrF6 avec du potassium. A cet effet, il a chauffé "Un mélange de la rivière Kali de zirconium acide avec de potassium dans un tube de fer". Après le traitement avec de l'eau, Le séchage et un chauffage prolongé avec de l'acide chlorhydrique dilué a donné un Berzelius "Klumpiges Pulver, qui est noir comme du charbon " et était seulement "En pressant avec l'acier poli d'une couleur gris foncé et brillant" reçu. Corriger atomique contraste de masse était seulement 1924 être déterminé, depuis - en plus des erreurs dans l'exécution des expériences - n'a pas été appelé, qui contient toujours de petites quantités de zirconium d'hafnium. Sans cette information, les mesures montrent toujours un peu trop élevée masse atomique. La première application pratique de zirconium a été utilisé comme la poudre sans fumée flash.

Apparition

Le zirconium est dans la croûte de la terre à un niveau de CA. 0,016 % avant. Dans la liste ordonnée par la fréquence des éléments est au zirconium 18. Point et est plus commun que le chlore et le cuivre des éléments plus familiers. Bien qu'il soit largement, mais en général seulement trouvé en très petites quantités et en très petits cristaux (typiquement 0,1 mm). Par conséquent, le zirconium a été considéré dans l'Antiquité comme un rare. Zirconium se trouve principalement dans les roches intrusives siliceux tels que le granit. Il n'est pas digne, mais seulement en certains minéraux, d'autant plus que le zircon (ZrSiO4) et baddeleyite (ZrO2) et le rouge plus rare Eudialyt(Dans4(CaCeFeMn)2ZrSi6La17(OHCl)2) lié avant. Il est presque toujours associé à du hafnium. Le zircon est - en raison de son point de fusion élevé 2550 ° C, sa dureté élevée et une faible réactivité - la plus ancienne consultable sur terre minérale et peuvent en raison d'un uranium intégré- et les isotopes de thorium pour les déterminations d'âge radiométriques sont utilisés.

Les matières premières sont généralement des dépôts secondaires, dite placers. Ils sont créés, lorsque les intempéries rocheuses environnantes et seuls les restes de zirconium particulièrement résistants aux intempéries-. Plus ces dépôts peuvent être causées par les courants d'eau, Rincer les cristaux de zircon et laver dans d'autres endroits. Les gisements primaires, cependant, ont généralement un pour l'extraction rentable de faible teneur en zirconium.

Évolution temporelle de la Zirkonförderung

Les dépôts de zirconium les plus importants sont en Australie, les États-Unis et au Brésil. Dans les réserves exploitables de 38 Millions de tonnes a été la production annuelle mondiale de Zirconiummineralen 2006 à 920.000 Tonnes (calculé comme le zirconium). Parmi ceux-ci, seulement environ 5 % en outre transformé en métal et alliage. Les principaux pays producteurs sont 2006 de loin l'Australie et l'Afrique du Sud.

Extraction et représentation

Zircon comme matière première la plus courante de zirconium doit d'abord être converti en oxyde de zirconium avant tout autre traitement. A cet effet, le zircon est cuit dans une masse fondue d'hydroxyde de sodium (digestion alcaline). Das Zirconiumdioxid wird danach mit Koks im Lichtbogen zu Zirconiumkarbonitrid (De carbone et contenant de l'azote de zirconium) und anschließend mit Chlor zuZirconiumtetrachlorid umgesetzt.

\mathrm{ ZrO_2\ + 2\ C + 2\ Cl_2 \ \xrightarrow{900^{\circ}C} \ ZrCl_4 +\ 2\ CO }

Eine direkte Reduktion von Zirconiumdioxid mit Kohlenstoff (wie im Hochofenprozess) n'est pas possible, da die hierbei entstehenden Carbide sehr schwer vom Metall zu trennen sind. Stattdessen wird Zirconiumtetrachlorid im so genannten Kroll-Prozess mit Magnesium in einer Helium-Atmosphäre zu Zirconiummetall reduziert.

\mathrm{ ZrCl_4\ + 2\ Mg \ \longrightarrow \ Zr +\ 2\ MgCl_2}

Pour obtenir plus pur possible de zirconium, wird das Van-Arkel-de-Boer-Verfahren angewendet. Dabei reagiert während des Erhitzens unter Vakuum zunächst das Zirconium mit Iod zuZirconium(IV)-iodure. Ceci est un fil chaud à nouveau décomposé en iode et le zirconium:

\mathrm{Zr + 2\ I_2 \ \rightleftharpoons \ ZrI_4}

Zirconiumtetraiodid bildet sich bei 200 °C aus Zirconium und Iod; es zerfällt wieder bei 1300 ° C.

Zirconium et l'hafnium ne peut pas être séparé dans une nature chimique simple. C'est pourquoi cette haute pureté de zirconium, le hafnium, encore. Da es für viele Anwendungen in der Reaktor-Technik wichtig ist, que le zirconium ne contenant pas plus de hafnium, Séparation de ces deux jouent un rôle important dans les métaux. Eine Möglichkeit sind Extraktionsverfahren, où la solubilité différentielle de zirconium- et des composés d'hafnium est utilisé dans des solvants spéciaux. Fréquemment, les thiocyanates et leur solubilité différente sont exploités dans la méthylisobutylcétone. D'autres options fournissent des échangeurs d'ions ou par distillation fractionnée de composés appropriés.

Propriétés

Propriétés physiques

La structure cristalline de α-zirconium

Le zirconium est un métal lourd argenté brillant (Densité 6,501 g / cm3 à 25 ° C), elle ressemble à l'acier à l'extérieur. Le métal cristallisé dans deux modifications différentes, dans lequel il peut être converti par changement de température. Au-dessous 870 ° C α-zirconium cristallisé dans le système cristallin hexagonal (hexagonale d'emballage à proximité, Magnésium-Typ) dans le groupe d'espace 6/mmm avec paramètres de maille a = 323 h et c = 514 h et deux unités de formule par maille. À 870 ° C modifie la structure cristalline cubique de la β-structure de corps centré (Tungstène type) avec le groupe spatial Im\bar{3}m et les paramètres de maille a = 361 h.

Le zirconium est relativement souple et pliable. Il peut être bon en roulant, Forgeage du processus et le martelage. En raison des petites impuretés d'hydrogène, Carbone ou d'azote dans le métal, mais il est fragile et difficile à travailler. La conductivité électrique ne sont pas aussi bons que ceux d'autres métaux. Il est seulement d'environ 4 % de celle du cuivre. En revanche, le zirconium mais un bon conducteur de la chaleur. Par rapport à la homologues titane léger sont fusion- et le point d'ébullition légèrement plus élevé (Point de fusion: Titan: 1667 ° C, Zirconium: 1857 ° C). En outre, la conductivité électrique et thermique sont mieux. Au-dessous 0,55 K est le zirconium superconductingly.

Les propriétés de zirconium et hafnium des homologues plus lourds sont similaires en raison de la très lanthanides. Cela nécessite rayons atomiques similaire (Zr: 159 h, Hf: 156 h) propriétés et donc Zrhnliche. Les deux métaux, cependant, diffèrent considérablement dans leur densité (Zr: 6,5 g / cm3, Hf: 13,3 g / cm3).

Une propriété importante, a acquis une grande importance en raison de la zircone dans le réacteur, est sa faible section transversale de capture pour les neutrons. Cette propriété est aussi très différente de la teneur en zirconium du hafnium. Cela rend les procédés de séparation coûteuses nécessaires pour ces applications.

Propriétés chimiques

Le zirconium est un métal de base, qui réagit particulièrement à haute température avec de nombreux non-métaux. Surtout sous forme de poudre, il brûle avec une flamme blanche à la zircone, en présence d'azote et également zuZirconiumnitrid Zirconiumoxinitrid. Métallique compact réagit seulement à la chaleur blanche avec oxygène et d'azote. A réagit pression élevée de zirconium avec de l'oxygène à température ambiante, depuis l'oxyde de zirconium formé est soluble dans le métal fondu.

Zirconium est dans l'air par une mince, très oxyde de zirconium dense passive et donc non réactif. Il est donc insoluble dans presque tous les acides, que l'eau régale et fluorhydrique attaque acide de zirconium déjà à la température ambiante. Bases aqueuses ne réagissent pas avec le zirconium.

Isotope

De nombreux isotopes de zirconium entre 78Zr et 110Zr connue. Il est naturel zirconium un élément de mélange, qui se compose de cinq isotopes. Ceux-ci sont 90Zr, das mit einem Anteil von 51,45 % trouvé le zirconium naturel le plus souvent, et les isotopes plus lourds 91Zr (11,32 %), 92Zr (17,19 %), 94Zr (17,28 %) et 96Zr 2,76 % Partager. 96Zr est le seul isotope radioactif faiblement naturelle, il se désintègre avec une demi-vie de 24 · 1018 Années sous double désintégration bêta à 96Mo. Das isotopes 91Zr peuvent être détectés par spectroscopie RMN.

Utiliser

Une utilisation importante de zirconium sont réalisés en Zircaloy du combustible de l'uranium dans les cas des centrales nucléaires. Cet alliage est constitué de ca. 90 % Zirconium et de petites quantités d'étain, Exiger, Chrome ou de nickel, mais ne doivent pas contenir d'hafnium. La raison du choix de cet élément est déjà décrite ci-dessus à faible neutrons croix thermique avec une résistance élevée à la corrosion simultanément, qui est également disponible en tant que matériau de construction pour les usines chimiques, en particulier pour les équipements spéciaux tels que les vannes, Tuyau, Fabrique des tubes et des échangeurs de chaleur appropriée. Comme une addition d'alliage de l'acier, elle augmente également la résistance à la corrosion. De ses alliages sont produites parmi les autres instruments chirurgicaux.

Depuis réagit de zirconium avec de petites quantités de l'oxygène et l'azote, il peut être utilisé comme un getter dans les lampes à incandescence et les systèmes de vide pour maintenir le vide. Cette propriété est également exploité dans derMetallurgie, à l'oxygène, Pour supprimer azote et de soufre à partir d'acier.

En raison de sa propriété, lorsqu'il est brûlé émettent une lumière très brillante, il a été utilisé dans plus de magnésium en poudre éclair. Contrairement à de magnésium, de zirconium a l'avantage, d'être sans fumée. Cette propriété est utilisée comme des feux d'artifice et feux de signalisation.

Départs de zirconium à l'impact d'un splash de radio sur les surfaces métalliques et combustibles. Celui-ci utilise l'armée dans certains types de munitions tels que fusil munitions Breath spéciale de Dragon et les États-Unis tout usage AGM-154 JSOW glisse de bombe. Dans le Moving cet effet pour les effets non-pyrotechniques d'impact, par exemple balles utilisées sur des surfaces métalliques.

Alliages de zirconium-niobium sont supraconducteurs et reste le, lorsque de forts champs magnétiques sont appliquées. Ils sont donc utilisés pour des aimants supraconducteurs.

Les sels de zirconium sont – prochaines aluns alumineux - à la "mégisserie" des peaux utilisées.

Sécurité

Il n'y a pas d'effets toxiques de zirconium et de ses composés sont connus. En raison de la couche d'oxyde dense est pas le zirconium compacte inflammable. Sous forme de poudre, elle peut cependant commencer à brûler lorsqu'il est chauffé dans l'air. Zirconiumbrände sont très dangereux, pour la suppression, car pas d'eau (réaction violente à former de l'hydrogène), encore du dioxyde de carbone ou peuvent être utilisés Halon. Zirconiumbrände avoir avec extincteurs Métal (Classe D) ou du sable sec pour être effacé.

Preuve

Avec des formes Alizarine Rouge S-zirconium dans des conditions acides un composé rouge-violet caractéristique (Peinture couleur), qui lors de l'addition d'ions fluorure pour former les Fluorokomplexes zirconium disparaît. Cette réaction peut servir de détection qualitative de fois de zirconium et du fluorure. Parce que même de petites quantités de fluorure (et d'autres anions) perturber, Cette vérification ne convient pas pour l'analyse minérale. De plus, certains autres composés organiques, tel que le tanin, Cupferron,Phenylarsonsäure, Oxin oder Xylenolorange, approprié en tant que réactif de détection. Une autre caractéristique de l'oxychlorure de zirconium ZrOCl connexion2 · 8 H2La, dans les aiguilles typiques cristallisées. Dans les analyses modernes peuvent zirconium überAtomabsorptionsspektrometrie (AAS) ou spectrométrie de masse (également sur la base du profil d'isotopes) s'est avéré être.
Une façon de l'analyse quantitative est la précipitation de peu soluble hydroxyde de zirconium avec de l'ammoniac, puis de graver jusqu'à zircone.

\mathrm{ Zr^{4+} + 4\ NH_3 + 4\ H_2O \ \longrightarrow \ Zr(OH)_4 \downarrow +\ 4\ NH_4^+}

Précipitation de l'hydroxyde

\mathrm{ Zr(OH)_4 \longrightarrow \ ZrO_2 +\ 2\ H_2O}

Wägeform à mettre en œuvre

Liens

Formes de zirconium que le métal de base, une pluralité de composés. La plupart des composés du zirconium sont des sels. Souvent, ils sont très stables et ont un point de fusion élevé. L'état d'oxydation IV est préféré et le plus stable. Il ya aussi des composés dans les états d'oxydation III et I, dans les complexes, même dans les stades 0, -I et-II connus.

Zirconiumdioxid

Le composé de zirconium le plus important est le dioxyde de zirconium ZrO2, un oxyde réfractaire et très stable. La zircone est utilisée pour la production de revêtements réfractaires dans les fours et les creusets. Pour l'utiliser à cette fin, mais il a besoin pour stabiliser la phase à haute température cubique avec calcium, L'oxyde d'yttrium ou la magnésie stabilisée. En outre, il est utilisé comme abrasif, et en raison de la couleur blanche comme pigment blanc de porcelaine.

Cristaux de zircone sont incolores et ont un indice de réfraction élevé. Voilà pourquoi ils sont utilisés sous le nom de zircone comme un substitut artificiel pour les diamants et pierres précieuses.

Si l'oxyde de zirconium mélangée à l'oxyde d'yttrium, Il ya d'autres applications. A trois pour cent d'oxyde d'yttrium contenu est le ZrO2 stabilisé dans une structure fluorite déformé. Ainsi, il fonctionne à des températures allant d'environ 300 ° C comme un conducteur pour les ions oxygène. Une application importante de la présente est le capteur d'oxygène dans les voitures, qui est utilisé pour mesurer la teneur en oxygène dans les gaz d'échappement au catalyseur. À 15 % Zircone Yttria envoie au 1000 ° C un très brillant, lumière blanche à partir de. Cela se passe dans l'application dite de la lampe de Nernst. Depuis la céramique Yttrium-Zirconium possèdent une ténacité extrêmement élevé de fracture, que ce soit par exemple en technologie dentaire en tant que couronnes très stables- la structure de pont et, utilisé dans les prothèses de hanche et des implants dentaires ou comme un élément de liaison pour les télescopes. Ils remplacent de plus en or et d'autres métaux dans la fonction de.

Zircone est également souvent utilisé pour les roulements à billes. Surtout pour les courses des roulements a ZrO2 le grand avantage, que le coefficient de dilatation thermique proche de celui de l'acier. D'autres techniques telles que la céramique en nitrure de silicium ont généralement un coefficient de dilatation nettement inférieurs thermique.

Halogénures

Avec le fluor des halogènes, Le chlore, Formes de brome et l'iode zirconium plusieurs séries de composés. Il ya tous les composés halogènes de forme ZRX4, ZRX3 et ZRx2 connu. Ajoutez à cela les chlorures, Bromures et iodures de forme ZRx. Voici la forme la plus stable de la ZRX tétrahalogénures4. Aucun des halogénures de zirconium sont des domaines d'application importants connus, dans lequel Zirconiumchloride survenir comme intermédiaires dans la préparation de zirconium pur.

Autre zirconium

Zirconiumsilicat, ZrSiO4, mieux connu sous le nom de zircon Mineral, est la plus fréquente dans le composé de zirconium nature. Il est la principale source de zirconium et de ses composés pour. En outre, le zirconium est utilisé comme une pierre précieuse.

Composés organiques du zirconium sont habituellement instables. D'importance, sont en particulier organiques complexes de zirconium, succion. Zirconocène, par des radicaux tels que cyclopentadiényl. Ils sont techniquement important en tant que catalyseur dans la polymérisation d'alcènes, en particulier pour la production de polypropylène. Une autre application d'un composé de zirconium organique est dans la Hydrozirconation. Voici les alcènes à l'aide du réactif de Schwartz Cp-2ZrHCl (Cp = cyclopentadiényle) convertis en les alcools ou les hydrocarbures halogènes,. Dans la réaction d'alcynes terminaux avec le réactif de Schwartz formé au cours de la hydrozirconation doubles liaisons trisubstituées, réaction avec un réactif électrophile résultats en trans-fonctionnalisés alcènes dans la pureté stéréochimique élevée.

Les complexes d'aluminium-zirconium peuvent être utilisés comme anti-transpirant.

Kaliumhexafluoridozirconat(IV) K2ZrF6 (CAS: 16923-95-8) peut être utilisé pour séparer de zirconium à partir d'hafnium.

Carbonate de zirconium est utilisé en tant que complexe de base avant. Il est utilisé notamment dans l'industrie du papier.

Général
Nom, Symbole,Numéro atomique Zirconium, Zr, 40
Série Les métaux de transition
Groupe, Période, Bloquer 4, 5, d
Apparence blanc argenté
CAS-Nummer 7440-67-7
Fraction massique de derErdhülle 0,021 %
Atomique
De masse atomique 91,224 vous
Atomradius (calculé) 155 (206) h
Rayon Kovalenter 148 h
Configuration électronique [Kr] 4d2 5s2
1. Ionisation 640,1 kJ / mol
2. Ionisation 1270 kJ / mol
3. Ionisation 2218 kJ / mol
4. Ionisation 3313 kJ / mol
Physiquement
État physique fixé
Modifications deux (α-/β-Zr)
Crystal structure hexagonal;cubique > 1140 K (867 ° C)
Densité 6,501 g / cm3 (25 ° C)
Mohs 5
Magnétisme paramagnetisch (\chi_{m} = 1,1 · 10-4)
Point de fusion 2130 K (1857 ° C)
Point d'ébullition 4682 K (4409 ° C)
Volume molaire 14,02 · 10-6 m3/mol
Chaleur de vaporisation 590,5 kJ / mol
Schmelzwärme 16,9 kJ / mol
Pression de vapeur 0,00168 Pa à 2125 K
Vitesse du son 4650 (longue.), 2250 (trans.) m / s à 293,15 K
Capacité thermique spécifique 270,0 J /(kg · K)
La conductivité électrique 2,36 · 106 Un /(Dans · m)
La conductivité thermique 22,7 W /(m · K)
Chimique
États d'oxydation 4, 2
Normalpotential En 1553, (ZrO2 + 4 H+ + 4 et-
→ Zr + 2 H2La)
Électronégativité 1,33 (Pauling-rock)
Isotope
Isotope NH t1/2 POUR ZE (MeV) ZP
89Zr {un fils.} 78,41 h e 2,832 89Et
90Zr 51,45 % Stable
91Zr 11,22 % Stable
92Zr 17,15 % Stable
93Zr {un fils.} 1,53 · 106 un b- 0,091 93Nb
94Zr 17,38 % Stable
95Zr {un fils.} 64,02 d b- 1,125 95Nb
96Zr 2,8 % 24 · 1018 un b-b- 3,350 96Mo
Propriétés RMN
Tourner γ in
roue·T-1·s-1
Ilr(1H) fL à
B = 4,7 T
in MHz
91Zr -5 / 2 2,496 · 107 0,00948 18,7
Sécurité
SGH étiquetage des substances dangereuses de la réglementation de l'UE (EG) 1272/2008 (CLP)

02 – Leicht-/Hochentzündlich

Risque

H- et P-ensembles H: 250-260
EUH: EUH pas fixe
P: 222-223- 231 232- 370 378- 422
Informations dangereux du règlement de l'UE (EG) 1272/2008 (CLP)Poudre

Leichtentzündlich
Légèrement-
inflammable
(F)
R- et les phrases S R: 15-17 (pas stabilisée)
R: 15 (désensibilisés)
S: (2)-7/8-43
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