Цирконий, Zr, Атомный номер 40

В общих чертах

Цирконий, часто Цирконий, является химический элемент с символом элемента Zr и атомный номер 40. Его название происходит от циркона, Наиболее распространенный минерал циркония, от. В периодической таблице он находится в der5. Период; это второй элемент 4. Кластер (устаревший 4. Подгруппа) или титановой группы. Цирконий высокой стойкостью к коррозии тяжелых металлов. Биологические функции не известны; это происходит в небольших количествах (4 мг / кг) в организме человека и является нетоксичным.

Цирконийсодержащих минерального циркона важно (Zr[SiO4]) был известен с древних времен как драгоценный камень. Цирконий в качестве элемента был 1789 обнаружил Мартин Генрих Клапрот в образце, взятом из Цейлона циркона и минеральных назван в честь этого. Впервые показано, металл 1824 по Jöns Якоб Берцелиус путем уменьшения K2ZrF6 калием. Чтобы он нагревается "Смесь реки Кали-кислый калий циркония в железной трубе". После обработки воды, Сушка и длительном нагревании разбавленной соляной кислотой дала Берцелиусом "Klumpiges Pulver, который является черным, как уголь " и только "По сжатие с полированной стали темно-серый цвет и блеск" получено. Правильный атомную массу, однако, может только 1924 определяется, с - в дополнение к ошибкам в выполнении экспериментов - не было известно, что всегда содержит небольшое количество циркония, гафния. Без этой информации, измерения всегда были немного слишком большим атомным весом. Первое практическое применение цирконий был использован в качестве бездымного пороха вспышки.

Вхождение

Цирконий встречается в земной коре с содержанием около. 0,016 % перед. В упорядоченный список элементов, частота цирконий 18. Место и встречается чаще, чем более привычные элементы хлора и меди. Хотя это широко, но обычно только в очень малых количествах и в очень маленьких кристаллов (типично 0,1 мм). Таким образом, цирконий считалось в древности как редкий. Цирконий встречается главным образом в кремнистых интрузивных пород, таких как гранит. Это не достойно, но только в некоторых минералов, тем более, что циркон (ZrSiO4) и бадделеиту (ZrO2) и эвдиалита реже красные(В4(CaCeFeMn)2ZrSi6O17(OHCl)2) связано, прежде чем. Это почти всегда связаны с гафния. Циркон - из-за его высокой температуры плавления 2550 ° C, его высокой твердостью и низкой реакционной способностью - самый старый обнаружения минерал на Земле, и может быть основан на встроенном урана- и изотопов тория для радиометрического определения возраста используются.

Сырья, как правило, вторичные месторождения, так называемые россыпных месторождений. Они создаются, когда окружающие выветривания скалы, и только самые устойчивые выветривания циркония останки. Больше таких месторождений может быть вызвано токами воды, Промойте кристаллы циркона и мыть посуду в других местах. Коренные месторождения, однако, как правило, один для прибыльной добычи низким содержанием циркония.

Временное развитие Zirkonförderung

Наиболее важным циркониевых месторождений расположены в Австралии, США и Бразилии. В извлекаемые запасы 38 Млн. тонн годовой добычи в мире Zirconiummineralen 2006 подле 920.000 Тонны (рассчитывается как цирконий). Из них только около 5 % дальнейшей обработки в металл и сплавы. Основные страны-производители были 2006 безусловно Австралии и Южной Африке.

Добыча и представление

Циркон цирконий в качестве наиболее распространенных сырье сначала должен быть преобразован в оксид циркония перед дальнейшей обработкой. Для этого циркона варят в расплаве гидроксида натрия (щелочной пищеварения). Циркония затем с коксом в электрической дуге в Zirconiumkarbonitrid (Углерод и азот-содержащие цирконий) а затем подвергают взаимодействию с хлором zuZirconiumtetrachlorid.

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

Прямого восстановления диоксида циркония с углеродом (как и в доменном процессе) не представляется возможным, в зависимости от обстоятельств в результате карбидов очень трудно отделить от металлической. Вместо тетрахлорида циркония уменьшается в так называемый процесс Кролла с магнием в атмосфере гелия до металлического циркония.

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

Для получения более чистого циркония может, Arkel ван де Бур-процесс используется. Он реагирует при нагревании в вакууме во-первых циркония с йодом zuZirconium(IV)-йодид. Это один горячий провод снова распадается на йод и циркония:

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

Zirconiumtetraiodid находится в 200 ° C циркония и йода; он ломается снова 1300 ° C.

Цирконий и гафний не могут быть разделены на простой химической природы. Вот почему эта высокочистого циркония, гафния, все еще. Так как это важно для многих приложений в реакторе технику, , что цирконий, не содержащий более гафния, Разделение этих двух играют важную роль в металлах. Одним из вариантов является метод экстракции, в котором разница в растворимости циркония- и гафний используется в специальных растворителей. Часто тиоцианаты и их различной растворимости быть использован в метил. Другие возможности ионообменников или фракционной перегонкой подходящих соединений.

Свойства

Физические свойства

Кристаллическая структура α-циркония

Цирконий блестящая серебристо-тяжелый металл (Густота 6,501 г / см3 подле 25 ° C), внешне она напоминает сталь. Металл кристаллизуется в двух различных модификаций, , в котором он может быть преобразован к изменению температуры. Ниже 870 ° C кристаллизуется α-циркония в гексагональной сингонии (гексагональной плотной упаковкой, Магний типа) в пространственной группе 6/МММ с параметрами решетки а = 323 вечера и с = 514 вечера и две формульные единицы в элементарной ячейке. Подле 870 ° C изменения кристаллической структуры для объемно-центрированной кубической структурой β (Вольфрам типа) с пространственной группой Im\bar{3}m и параметры решетки а = 361 часов.

Цирконий является относительно мягким и податливым. Это может быть хорошим путем прокатки, Процесс ковки и молотком. По малые примеси водорода, Углерода или азота в металле, но это хрупкими и трудно обрабатывать. Электропроводность не так хорошо, как у других металлов. Это всего лишь около 4 % медной. В отличие, циркония, но является хорошим проводником тепла. По сравнению с более легких гомологов тают титана- и немного выше температуры кипения (Температура плавления: Титан: 1667 ° C, Цирконий: 1857 ° C). Кроме того, электро-и теплопроводности лучше. Ниже 0,55 К циркония superconductingly.

Свойства циркония и гафния тяжелые гомологи подобны из-за лантанидов очень. Это требует близкие атомные радиусы (Zr: 159 часов, Высокочастотный: 156 часов) и что аналогичные свойства. Двух металлов, однако, значительно различаются по своей плотности (Zr: 6,5 г / см3, Высокочастотный: 13,3 г / см3).

Важным свойством, приобрела большое значение, поскольку из циркония в реакторе, является его низкая нейтронов сечение захвата. Это свойство также сильно отличается от гафния циркония. Это делает дорогостоящих процессов сепарации, необходимых для этих приложений.

Химические свойства

Цирконий недрагоценных металлов, который реагирует особенно при высокой температуре со многими неметаллами. Особенно в виде порошка, он горит белым пламенем циркония, в присутствии азота, а также zuZirconiumnitrid Zirconiumoxinitrid. Компактный металл реагирует только на белый тепло с кислородом и азотом. При повышенном давлении циркония реагирует с кислородом при комнатной температуре, так как образовавшийся оксид циркония растворяется в расплавленном металле.

Цирконий в воздухе тонкой, очень плотный оксид циркония пассивированы и поэтому инертное. Таким образом нерастворимый в почти всех кислот, только царской водке и фтористоводородной кислоты на атаку циркония уже при комнатной температуре. Водный базы не реагируют с цирконием.

Изотоп

Многие из изотопов циркония между 78Zr и 110Zr известны. В этом случае смесительный элемент естественно цирконий, которая состоит из пяти изотопов. Это 90Zr, доля 51,45 % наиболее часто встречающихся природных циркония, и более тяжелые изотопы 91Zr (11,32 %), 92Zr (17,19 %), 94Zr (17,28 %) и 96Zr 2,76 % Доля. 96Zr немного радиоактивного как единственный естественный изотоп, Он распадается с периодом полураспада 24 · 1018 Годы двойного бета-распада в 96Мо. Изотоп 91Zr могут быть обнаружены путем ЯМР-спектроскопии.

Употребление

Важным для использования циркония оболочек из циркалой уранового топлива на атомных электростанциях. Этот сплав содержит около. 90 % Малые доли циркония и олова, Требовать, Хрома или никеля, но не должны содержать гафний. Причина выбора этого элемента является одним описанные выше, имеют низкую тепловую крест нейтрона с одновременно высокой коррозионной стойкостью, который также доступен в качестве строительного материала для химических производств, особенно для специальных компонентов оборудования, таких как клапаны, Насосы, Делает трубопроводы и теплообменники подходящих. В качестве легирующей добавки к стали, это также увеличивает устойчивость к коррозии. С его сплавов производится среди других хирургических инструментов.

С цирконий реагирует с небольшим количеством кислорода и азота, он может быть использован в качестве геттера в вакууме луковицы и растения для поддержания вакуума. Это свойство используется в derMetallurgie, с кислородом, Для удаления азота и серы из стали.

Благодаря своей собственности, При горении выделяют очень яркий свет, он был использован в дополнение к порошок магния флэш. В отличие от магния, циркония имеет то преимущество,, быть курение. Это свойство используется на фейерверки и сигнальные огни.

Цирконий посылами на эффект от радио всплеск на металлических поверхностях и горючих. Это делает использование военных в некоторых видов боеприпасов, таких как дыхание дробовик специальные боеприпасы Дракона и США универсальный AGM-154 JSOW скольжения бомбу. В фильме искусства, этот эффект для не-пиротехнические эффекты воздействия, например пуль на металлических поверхностях используется.

Цирконий-ниобиевых сплавов являются сверхпроводящими и остается, При сильных магнитных полей применяются. Поэтому они используются для сверхпроводящих магнитов.

Цирконий соли – Кроме того, содержащие алюминий квасцов - в "tawing" меха использовали.

Безопасность

Есть никаких токсических эффектов циркония и его соединений, как известно. Из-за плотного слоя оксида не является компактным горючих цирконий. В виде порошка, однако она может начать гореть при нагревании на воздухе. Zirconiumbrände очень опасны, для удаления, потому что без воды (бурной реакции с образованием водорода), ни двуокись углерода или Halon может быть использован. Zirconiumbrände иметь с огнетушителей металлические противопожарные (Класс D) или сухим песком, чтобы быть очищены.

Доказательство

Цирконий с формами ализарином Красный S в кислоте характерный красно-фиолетового соединения (Цвет краски), который при добавлении ионов фтора для формирования циркония Fluorokomplexes исчезает. Эта реакция может служить качественного определения и циркония и фтора. Потому что даже небольшое количество фтора (и других анионов) вызывать помехи, Доказательством этого является непригодным для анализа минерального. Кроме того, некоторые другие органические соединения, такие как танин, Купферона,Phenylarsonsäure, Oxine или ксиленолового оранжевого, подходит в качестве реагента обнаружения. Другой характерной циркония связи оксихлорид ZrOCl2 · 8 H2O, в типичных иглы кристаллизуется. В современном лаборатория может циркония überAtomabsorptionsspektrometrie (AAS) или масс-спектрометрии (Также на основе изотопа узором) оказалось.
Одна из возможностей для количественного анализа осадков малорастворимых гидроксида циркония с аммиаком, а затем записать до циркония.

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

Осаждение гидроксида

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

Wägeform для реализации

Знакомства

Цирконий формы в виде множества основных соединений металла. Большинство из циркониевых солей. Часто они очень стабильны и имеют высокую температуру плавления. Степень окисления IV является предпочтительным, и наиболее стабильной. Есть также соединений в степени окисления III и я, в комплексах даже в стадии 0, -I и-II известны.

Zirconiumdioxid

Соединение циркония является диоксид циркония ZrO важно2, Очень стабильная и тугоплавких оксидов. Циркония используется для изготовления футеровки в печах и тиглей. Чтобы использовать его для этой цели, но это должно стабилизировать высокотемпературной фазы с кубической кальция, Иттрия или магния стабилизированный. Кроме того, она используется в качестве абразива и из-за белого цвета, как белый пигмент для керамики.

Цирконий Кристаллы бесцветные и имеют высокий показатель преломления. Таким образом, они служат под названием Цирконий как искусственный заменитель алмазов и драгоценных камней.

Смешивается с оксид циркония, оксид иттрия, Есть и другие приложения. В три процентного содержания иттрия является ZrO2 стабилизировался в искаженной структуре флюорита. Таким образом, он работает при температуре около 300 ° C, чем для ионов кислорода проводника. Важным применением это Лямбда-зонд автомобилей, служит для измерения содержания кислорода в выхлопных газах катализатора. Подле 15 % Посылает оксидом иттрия диоксида циркония в 1000 ° C, очень яркий, белый свет. Это происходит в так называемом Применение лампы Нернста. Так как иттрий-циркониевой керамики имеют чрезвычайно высокие вязкость разрушения, они являются, например, в стоматологических технологий в качестве высокостабильного венец- и мостовых конструкций, используется в искусственных тазобедренных суставов и стоматологических имплантатов или в виде гибридного элемента в телескопах. Они все больше вытесняют золото и другие металлы в функции от.

Цирконий также часто используется для шарикоподшипников. Специально для рас подшипников имеет ZrO2 Большим преимуществом, что коэффициент теплового расширения, близкий к стальной. Другой технической керамики, такие как нитрид кремния обычно имеют значительно более низкий коэффициент теплового расширения.

Галогениды

С фтором галогенов, Хлор, Брома и йода является более рядов соединений циркония. Есть все соединения галогенов образуют ZRX4, ZRX3 и ZrX2 знакомый. Добавьте к этому хлориды, Бромидов и иодидов в виде ZrX. Вот наиболее устойчивой формой тетрагалогениды ZRX4. Ни один из циркония галогенидов важных областей применения известных, где Zirconiumchloride формируется как промежуточные продукты при получении чистого циркония.

Другие циркония

Zirconiumsilicat, ZrSiO4, более известный под названием минерального циркона, является наиболее распространенным в природе соединения циркония. Она является основным источником циркония и его соединений на. Кроме того, циркон использоваться как драгоценный камень.

Органические соединения циркония обычно нестабильны. Важное значение особенно органических комплексов циркония, подсос. Цирконоцен, с остатков, таких как циклопентадиенильные. Они технически важным в качестве катализаторов при полимеризации олефинов, в частности, для производства полипропилена. Другим применением органического соединения циркония является Hydrozirconation. Это алкенов использованием реагента Шварца Ср2ZrHCl (Ср = циклопентадиенил) преобразуется в спиртах или галогенированные углеводороды,. Реакция терминал алкинов с реагентом Schwartz в результате hydrozirconation тризамещенный двойных связей, дальнейшей реакции с электрофильного реагента результатов в транс-функционализированных алкенов в высокой стереохимической чистотой.

Алюминия-циркония комплексы могут быть использованы в качестве антиперспирант.

Kaliumhexafluoridozirconat(IV) К2ZrF6 (ДЕЛО: 16923-95-8) может быть использовано для разделения циркония от гафния.

Столь основной комплекс циркония карбонат перед. Он используется в частности, в целлюлозно-бумажной промышленности.

В общих чертах
Имя, Символ,Атомный номер Цирконий, Zr, 40
Серия Переходные металлы
Кластер, Период, Блокировать 4, 5, г
Наружность серебристо-белый
CAS-Nummer 7440-67-7
Массовая доля derErdhülle 0,021 %
Атомный
Атомная масса 91,224 Вы
Atomradius (вычисленный) 155 (206) часов
Радиус Kovalenter 148 часов
Электронная конфигурация [Kr] 4г22
1. Энергия ионизации 640,1 кДж / моль
2. Энергия ионизации 1270 кДж / моль
3. Энергия ионизации 2218 кДж / моль
4. Энергия ионизации 3313 кДж / моль
Физический
Физическое состояние твердо
Модификации два (α-/β-Zr)
Кристаллическая структура гексагональный;кубический > 1140 К (867 ° C)
Густота 6,501 г / см3 (25 ° C)
Мооса 5
Магнетизм paramagnetisch (\chi_{m} = 1,1 · 10-4)
Температура плавления 2130 К (1857 ° C)
Точка кипения 4682 К (4409 ° C)
Молярный объем 14,02 · 10-6 метр3/моль
Теплота парообразования 590,5 кДж / моль
Schmelzwärme 16,9 кДж / моль
Упругость паров 0,00168 Па-бай 2125 К
Скорость звука 4650 (долго.), 2250 (пер.) м / с 293,15 К
Удельная теплоемкость 270,0 J /(кг · К)
Электрическая проводимость 2,36 · 106 /(В · метр)
Теплопроводность 22,7 W /(метр · К)
Химический
Окисление государств 4, 2
Normalpotential -1,553 V (ZrO2 + 4 H+ + 4 и-
→ Zr + 2 H2O)
Электроотрицательность 1,33 (Полинг-Scale)
Изотоп
Изотоп NH т1/2 А ZE (МэВ) ZP
89Zr {сына.} 78,41 час E 2,832 89И
90Zr 51,45 % Стабильный
91Zr 11,22 % Стабильный
92Zr 17,15 % Стабильный
93Zr {сына.} 1,53 · 106 a б- 0,091 93Nb
94Zr 17,38 % Стабильный
95Zr {сына.} 64,02 г б- 1,125 95Nb
96Zr 2,8 % 24 · 1018 a б-б- 3,350 96Мо
ЯМР свойства
Прясть γ в
колесо·Т-1·с-1
ЭтоГ(1H) еL подле
B = 4,7 Т
В МГц
91Zr -5/2 2,496 · 107 0,00948 18,7
Безопасность
СГС опасных веществ из правил ЕС (Е.Г.) 1272/2008 (CLP)

02 – Leicht-/Hochentzündlich

Опасность

H- и Р-наборы H: 250-260
EUH: EUH не устанавливает
P: 222-223-231 232- 378- 370 422
Идентификация опасностей Постановления ЕС (Е.Г.) 1272/2008 (CLP)Порох

Leichtentzündlich
Легко-
воспалительный
(F)
R- и S-фразы R: 15-17 (не стабилизируется)
R: 15 (десенсибилизированных)
S: (2)-7/8-43
Эта запись была опубликована в Стратегическое металлов и отмеченных , , , , , , , , , , . Закладка Постоянная ссылка.

Оставить комментарий