الزركونيوم على الطاولة. أساور الزركونيوم - قوة الشفاء من المعدن

احتل هذا العنصر الكيميائي ، الذي بلغت كتلته الذرية 91.224 جم / مول ، المرتبة 40 في جدول D.I. Mendeleev ، حصل عليها الكيميائي السويدي Jens Jakob Berzelius في بداية القرن التاسع عشر. تم أخذ أكسيد ZrO2 كأساس ، والذي تم العثور عليه في جوهرة جلبها عالم آخر - مارتن هاينريش كلابروث - من سيلان. تبين أن التأثير على فلوروزركونات البوتاسيوم للصوديوم المعدني كان ناجحًا:

K2 + 4Na → Zr + 2KF + 2NaF

كانت نتيجة التجارب إنتاج الزركونيوم النقي - معدن لامع ، فضي أبيض ، بلاستيك بشكل لا يصدق ، لكنه في نفس الوقت كثيف للغاية. بعد ذلك ، اتضح أن Zr يفسح المجال تمامًا للمعالجة - ساخنًا وباردًا (تزوير ، درفلة ، ختم) ، لكنه يفقد تمامًا تقريبًا أفضل صفاته ، حيث يتلقى شوائب غير معدنية.

الخصائص الفيزيائية للزركونيوم

يُعرف تعديلان بلوريان للزركونيوم:

• α-zirconium - شعرية سداسية الشكل مغلقة (أ = 3.228Å ؛ ج = 5.120Å)
• β- الزركونيوم - شعرية مكعبة محورها الجسم (أ = 3.61Å)

يمكن الحصول على شكل β من الشكل α عن طريق تسخين المعدن إلى 862 درجة مئوية.

يحتوي الزركونيوم على الخصائص الفيزيائية التالية:

• كثافة الزركونيوم - 6.45 جم / سم 3 (في ظل الظروف العادية ، أي عند 20 درجة مئوية)
• نقطة الانصهار - 1825 درجة مئوية
• نقطة الغليان 3580-3700 درجة مئوية
• السعة الحرارية النوعية (25-100 درجة مئوية) - 0.291 كيلو جول / (كجم كلفن)
• معامل التوصيل الحراري (50 درجة مئوية) - 20.96 واط / (م · ك)
• معامل درجة حرارة التمدد الخطي (20-400 درجة مئوية) - 6.9 10-6
• المقاومة الكهربائية (20 درجة مئوية) - 44.1 μk سم

يزداد هشاشة المعدن الذي يحتوي على الهيدروجين أو الكربون أو النيتروجين أو الأكسجين على شكل شوائب بشكل ملحوظ. يتمتع الزركونيوم النقي بما يلي:

• معامل المرونة (20 درجة مئوية) - 97 Gn / m2 (9700 kgf / mm 2)
• قوة الشد - 253 MN / m 2 (25.3 kgf / mm 2)
• صلابة برينل - 640-670 مليون نيوتن / م 2 (64-67 كجم ق / مم 2)

مقاومة التآكل للزركونيوم

الحماية من التآكل هي الجودة التي غالبًا ما توضع في المقدمة في حالة الزركونيوم. هذا العنصر غير قابل للذوبان في القلويات ولا في أحماض النيتريك أو الهيدروكلوريك. هذا عنصر ممتاز في صناعة السبائك يجعل أي سبائك مغنيسيوم متعددة المكونات أكثر مقاومة للتآكل.

بالإضافة إلى الحماية من التآكل ، يمكن للزركونيوم تحسين الصفات الأخرى للسبيكة بشكل كبير: الحفاظ على متانتها ، وزيادة مقاومة الصدمات ، وفي سبائك النحاس ، والحفاظ على الموصلية الكهربائية على خلفية تصلب كبير. فقط بضعة أعشار في المائة من Zr في سبيكة مغنيسيوم تضاعف قوتها. يمكن قول الشيء نفسه تقريبًا عن سبائك الألومنيوم ، والتي ، في وجود الزركونيوم ، تزيد من أدائها بترتيب من حيث الحجم.

الزركونيوم في علم المعادن

الزركونيوم معدن يستخدم على نطاق واسع في علم المعادن. بادئ ذي بدء ، يتم استخدامه كمزيل مؤكسد عالي الفعالية (من حيث هذه الخصائص ، تبين أن Zr أفضل من التيتانيوم والمنغنيز). كما يساهم الزركونيوم في الحفاظ على صلابة الفولاذ ، مع منحه مقاومة لأحمال الصدمات العالية. أخيرًا ، يزيل عنصر Zr الغازات والكبريت من السبيكة ، مما يعني أنه يساهم في الحفاظ على ليونة المعدن.

على سبيل المثال: سبيكة معدنية بدون زركونيوم تتحمل حمولة تصادم تبلغ 900 كجم. فقط إضافة 0.1٪ من Zr ترفعها إلى 1600 كجم.

في علم المعادن غير الحديدية ، يعمل الزركونيوم كعنصر في صناعة السبائك ، ويستخدم أيضًا لزيادة المقاومة الحرارية لسبائك الألومنيوم.

كوكبنا غني بالمعادن ، بما في ذلك المعادن. يعتبر الزركونيوم أحد أكثرها شيوعًا. يمكن العثور عليها في أي ركن من أركان الأرض. ما هو هذا المعدن وما خصائصه وأين يستخدم؟

الخواص الكيميائية

مادة الزركونيوم البسيطة هي عنصر من مجموعة فرعية جانبية من المجموعة الرابعة من الفترة الخامسة من النظام الدوري لـ D. I. Mendeleev. تم تعيين العدد الذري له 40 وكتلته الذرية 91.224. إنه معدن فولاذي رمادي مع صبغة صفراء ولمعان مميز. يتم الحصول عليها عن طريق إعادة صهر نفايات الزركونيومومن تركيز الركاز ، لأنه لا يوجد في شكله النقي في قشرة الأرض.

معدني بشكل طبيعي الزركونيومموزعة على شكل مركبات طبيعية كيميائية - أكثر من 40 أملاح أو أكاسيد. في نهاية القرن الثامن عشر ، عزل العالم الألماني كلابروث أكسيد الزركونيوم من حجر الصفير. إنه ينتمي إلى التنوع الثمين لهذا الحجر. حتى القرن العشرين ، لم يكن من الممكن الحصول على المعدن في شكله النقي ، ولكن في العشرينات من القرن الماضي ، حقق العلماء نجاحًا على الرغم من ذلك.

في شكله المنقى له العديد من الخصائص التي تميز الذهب:

• بلاستيك؛
• طيع؛
• ضد التآكل.
• مقاوم للحرارة؛
• شبه مغناطيسي.

معدن لا تخاف من التعرض للكلور ومياه البحر. لا تفقد صفاتها العالية في درجات الحرارة المنخفضة والعالية. مقاومة للأمونيا والأحماض والقلويات. يستخدم بشكل أساسي للإضافة إلى سبائك من معادن أخرى ، مما يزيد من قدرته على التصنيع ويجعل خصائصه فريدة تقريبًا. حصلت على اسمها من الكلمة الفارسية "تسارجون" (الحجر الذهبي).

في كثير من الأحيان الزركونيوم الخلط مع الزركون، وهي سيليكات الزركونيوم. يمكن أن يغير المعدن لونه ويمكن أن يكون اللون:

• أخضر؛
• بني؛
• أسود؛
• أصفر؛
• احيانا حمراء.

يعتمد لونه على الشوائب التي تتكون منها التركيبة. غالبًا ما تشتمل الشوائب التي تلون الحجر على الكالسيوم والنحاس والحديد والزنك واليورانيوم والسترونشيوم والتيتانيوم. كما أنه يحتوي على عناصر أرضية نادرة.

التواجد في الطبيعة

يتم توزيع رواسب خام الزركونيوم على نطاق واسع في أحشاء الأرض. يمكن رؤية الودائع بعدة أشكال في الشكل:

• أكاسيد غير متبلورة
• أملاح.
• بلورات مفردة.

في الرواسب الأفريقية ، تم العثور على بلورات يصل وزنها إلى 1 كجم. يتركز معظم الزركونيوم (معدن) في أستراليا والهند وجنوب إفريقيا والبرازيل وأمريكا الشمالية. هذه الدول لديها أكبر احتياطيات من هذا المعدن. تمتلك روسيا ما يقرب من 10٪ من احتياطيات العالم من الزركونيوم في سيبيريا وجزر الأورال. غالبًا ما يحدث في الركاز مع الهافنيوم ، لأنه قريب منه في خصائصه. كل واحد منهم له خصائصه الجذابة ، لكن لا يمكن استخدامها معًا. يجعل التنقية متعددة المراحل من الممكن فصل هذين العنصرين ، لكن عملية التصنيع هذه تجعل الزركونيوم أغلى بكثير.

وجدت في الطبيعة زركونيا كبيرة خضراء وغير شفافة، لكنها يمكن أن تسبب زيادة الإشعاع. لا يمكن قطع هذه العينات وتخزينها في المنازل ونقلها بكميات كبيرة. يحتل الزركونيوم المرتبة 12 في التوزيع بين المعادن في جميع أنحاء العالم. على الرغم من هذه الحقيقة ، فقد كان عنصرًا غير مرغوب فيه لفترة طويلة ، حتى بالمقارنة مع العناصر المشعة النادرة. يفسر ذلك حقيقة أن هناك العديد من احتياطياتها المنتشرة على الأرض ، ولكن لا يوجد الكثير من الاحتياطيات الكبيرة جدًا.

تطبيق معدن الزركونيوم

نظرًا لخصائصه وصفاته الفريدة ، يمكن استخدام هذا العنصر في العديد من الصناعات. له تستخدم على شكل سبائك في مختلف مجالات الصناعة الحديثة:

• بناء الطائرات
• الطاقة النووية؛
• علم الصواريخ
• الأجهزة.
• مسبك؛
• صناعة عسكرية؛
• معدات طبية.

نظرًا لاستقراره العالي ، والذي يتجاوز حتى تلك الموجودة في التيتانيوم ، فقد أصبح يتمتع بشعبية كبيرة في الصناعة الطبية. يتم استخدامه للأطراف الصناعية وإنتاج الأدوات الجراحية.

لطالما استخدم الزركونيوم المعدني في صناعة المجوهرات. إنه قادر على تحمل العديد من الظلال لأنه معدن مؤكسد. يتيح ذلك للصائغين تجسيد مجموعة متنوعة من الأفكار الفنية في صناعة المجوهرات. تبدو المنتجات أنيقة وجميلة ، لذلك يتم تقديرها في سوق المجوهرات العالمي.

مع درجة عالية من الحماية من التآكل ، يساعد عنصر السبائك هذا في جعل سبائك المغنيسيوم متعددة المكونات أكثر مقاومة للتآكل. كما أنه يحسن صلابة السبائك ويزيد من مقاومة تأثيرها. في السبائك التي تحتوي على النحاس ، بالإضافة إلى القوة ، فإنها تحافظ على الموصلية الكهربائية. في السبائك المصنوعة من الألمنيوم ، يعمل هذا العنصر الفريد على تحسين أدائها بشكل كبير.

عنصر يستخدم على نطاق واسع في صناعة المعادن و يعمل كمزيل مؤكسد فعال للغاية. هذه الجودة أعلى بعدة مرات من جودة المنجنيز والتيتانيوم. يحسن الزركونيوم صلابة درجات الفولاذ ، مما يساعدها على أن تكون أكثر مقاومة لأحمال الصدمات. يعزز الليونة عن طريق إزالة الكبريت والغاز من السبائك. كما أنه يستخدم كعنصر صناعة السبائك في المعادن غير الحديدية ولزيادة السعة الحرارية لسبائك الألومنيوم.

الخصائص الطبية

نظرًا لخصائصه الفيزيائية والكيميائية الخاصة ، فقد استخدم الزركونيوم بنشاط في الطب. نظرًا لحيادها لتأثيرات البيئات القلوية والحمضية والمائية ، وكذلك الأمونيا ، فإنها تضاف إلى التركيبات المستخدمة في صناعة الأدوات الطبية. هو يحفز الشفاء السريع للجروح ويظهر تأثيرًا مضادًا للميكروبات. بسبب هذه الخصائص ، لا يتشكل القيح في الجروح ولا تتغلغل الالتهابات فيها.

العنصر ليس مسببًا للحساسية ، لذلك فهو يسهل ردود الفعل التحسسية. لا ينقل الإشعاع ويعتبر مطهراً ممتازاً. في الطب ، بدأ استخدامه لتصنيع خيوط الخياطة. نظرًا لأن المعدن شديد المرونة ، فإنه يجعل من الممكن الحفاظ على بنية العظام أثناء الكسور. نتيجة لهذا ، تنمو العظام معًا بشكل أسرع.

كما أنها تستخدم بنشاط في طب الأسنان والأطراف الاصطناعية لتقويم العظام. لا يهيج أنسجة الجسم وهو محايد بالنسبة لأي بيئة. تتسبب العديد من أنواع المعادن في حدوث رد فعل تحسسي في تجويف الفم لا يمكن أن يقال عن الزركونيوم. نظرًا لخصائصه وخصائصه النادرة ، فقد أصبح لا غنى عنه في صناعة الأدوات الطبية والغرسات.

توجد في بعض الأطعمة ولكن بكميات قليلة. على سبيل المثال ، يوجد الزركونيوم في لحم الضأن ودقيق الشوفان والأرز والفستق والبقوليات والأطعمة الأخرى ، ولكن هناك القليل جدًا منه للتسبب في آثار صحية سلبية.

ويعتقد أن المجوهرات مع الزركونيوم لها تأثير إيجابي على الجسم. إذا قمت ، بعد ثقب الأذنين ، بوضع أقراط من الزركونيوم على الفور ، فسوف تلتئم الجروح بشكل أسرع. للمعادن تأثير جيد على حالة الجلد ، لذلك ينصح بارتداء الأساور وغيرها من المنتجات على الجسم. له تأثير علاجي على الأمراض الجلدية والتهاب المفاصل والتهاب المفاصل وارتفاع ضغط الدم. على الرغم من هذه المظاهر ، لم يقدم الطب الرسمي مثل هذه الأدلة حتى الآن.

الزركونيوم (Zr) عنصر برقم ذري 40 ووزن ذري 91.22. إنه عنصر من مجموعة فرعية ثانوية من المجموعة الرابعة ، الفترة الخامسة من الجدول الدوري للعناصر الكيميائية لديمتري إيفانوفيتش مندليف. الزركونيوم في الحالة الحرة في ظل الظروف العادية هو معدن فضي-أبيض لامع بكثافة 6.45 جم / سم 3. الزركونيوم النقي الخالي من الشوائب مطيل للغاية ويمكن أن يكون باردًا وساخنًا بسهولة. مثل العديد من المعادن الأخرى ، بما في ذلك جارتها في المجموعة - التيتانيوم والزركونيوم ، التي تحتوي على شوائب من غير المعادن (خاصة الأكسجين) ، مما يؤدي إلى تفاقم خصائصها الميكانيكية بشكل حاد. على سبيل المثال ، من أجل التشغيل الموثوق به لمفاعل نووي ، من الضروري احتواء مثل هذه الشوائب "الخطرة" مثل البورون والكادميوم وغيرها في المواد الانشطارية بكميات لا تتجاوز المليون في المائة. الزركونيوم النقي - أحد أفضل المواد الإنشائية للمفاعلات النووية - يصبح غير مناسب تمامًا لهذا الغرض إذا كان يحتوي حتى على مزيج طفيف من الهافنيوم ، الذي لا يحتوي على المعادن الخاصة به وعادة ما يصاحب الزركونيوم في الطبيعة.

يعرف العلم خمسة نظائر طبيعية للزركونيوم: 90Zr (51.46٪) ، 91Zr (11.23٪) ، 92Zr (17.11٪) ، 94Zr (17.4٪) ، 96Zr (2.8٪). من بين النظائر المشعة التي تم الحصول عليها صناعياً من الزركونيوم ، أهمها هو 95Zr ، الذي يبلغ نصف عمره 65 يومًا. لقد وجد التطبيق باعتباره متتبعًا للنظائر.

في عام 1789 ، قام الكيميائي الألماني مارتن هاينريش كلابروث بعزل ثاني أكسيد الزركونيوم من تحليل معدن الزركون. في شكل مسحوق ، تم الحصول على الزركونيوم لأول مرة في وقت لاحق - في عام 1824 من قبل Jens Jakob Berzelius ، ولم يتم الحصول على الزركونيوم البلاستيكي إلا في عام 1925 من قبل العالمين الهولنديين A. van Arkel و I. de Boer بسبب التفكك الحراري ليوديد الزركونيوم.

من أهم خصائص الزركونيوم المعدني مقاومته العالية للتآكل في البيئات المختلفة. على سبيل المثال ، لا يذوب في أحماض النيتريك والهيدروكلوريك والقلويات. تعتمد صناعة سبائك الفولاذ مع الزركونيوم على خاصية المعدن رقم 40 هذه. وبالتالي ، فإن سبائك المغنيسيوم متعددة المكونات مع إضافة الزركونيوم تصبح أكثر مقاومة للتآكل. يزيد الزركونيوم من مقاومة التيتانيوم لعمل الأحماض. بالإضافة إلى ذلك ، لا يفقد الفولاذ الممزوج بالزركونيوم الصلابة المطلوبة في نطاق درجات حرارة واسع ، فهو يقاوم أحمال الصدمات بشكل جيد. يزيد من قوة سبائك الفولاذ. تؤدي إضافة الزركونيوم إلى النحاس إلى زيادة قوتها بشكل كبير ، تقريبًا دون تقليل التوصيل الكهربائي. سبيكة تعتمد على المغنيسيوم مع إضافة نسبة قليلة من الزنك وأعشار قليلة من الزركونيوم تكون ضعف قوة المغنيسيوم النقي ولا تفقد قوتها عند 200 درجة مئوية. يضاف إليهم.

نادرًا ما يلتقط الزركونيوم النيوترونات البطيئة (الحرارية). بناءً على هذه الخاصية إلى جانب المقاومة العالية للتآكل والبيئات العدوانية ، والقوة الميكانيكية عند درجات الحرارة المرتفعة ، يتم استخدامها بنشاط في تصميم مفاعلات الطاقة النووية والسبائك التي تعتمد عليها.

في إنتاج الفولاذ ، تعمل إضافات الزركونيوم على إزالة الأكسجين والنيتروجين والكبريت منه. أيضا ، يستخدم الزركونيوم كعنصر صناعة السبائك لبعض الفولاذ المقاوم للصدأ والمقاوم للحرارة والدروع.

في مثل هذه الخاصية المعروفة للزركونيوم مثل الامتصاص النشط للغازات في حالة التسخين ، يعتمد استخدامه على تلبيد مساحيق المعادن ، وكذلك في تقنية الفراغ الكهربائي. لذلك عند درجة حرارة 300 درجة مئوية ، يمتص الزركونيوم الهيدروجين ، وعند 400 درجة مئوية وما فوق يتفاعل مع الأكسجين والنيتروجين.

الخصائص البيولوجية

لا يلعب الزركونيوم دورًا بيولوجيًا مهمًا بشكل مباشر في حياة جسم الإنسان. إنه ليس عنصرًا حيويًا ، ولا يتم تضمينه في المادة الهيكلية للخلايا - إنه ليس عنصرًا دقيقًا حيويًا. من المحتمل تمامًا أن هذا يرجع إلى ضعف المعرفة بجميع خصائص هذا المعدن ، لأن الزركونيوم يكشف تدريجياً ، عاماً بعد عام ، المزيد والمزيد من الصفات الجديدة المرتبطة بتأثير هذا العنصر على الجسم وصحة الإنسان.

حاليًا ، في عيادات الرضوض وجراحة الوجه والفكين ، لعلاج كسور العظام المتعددة ، يتم استخدام طريقة المثبتات (الغرسات) ، والتي تعمل على إصلاح شظايا العظام تمامًا بدقة وحزم ، باستثناء أصغر النوبات ، مما يساهم في سرعة الاندماج من أنسجة العظام والتئام الجرح السريع بعد الجراحة.

في الممارسة العالمية ، يستخدم مصنعو الغرسات الفولاذ المقاوم للصدأ وسبائك التيتانيوم لتصنيع الألواح والبراغي. في بلدنا ، تم تطوير وإتقان غرسات مصنوعة من سبائك الزركونيوم من الدرجات E125 و E110 ، وهي ليست أدنى من أفضل العينات الأجنبية. على العكس من ذلك ، فإن استخدام الغرسات المصنوعة من سبائك الزركونيوم يوفر عددًا من المزايا: مقاومة عالية للتآكل للمواد ؛ توافق بيولوجي ممتاز (لا توجد ردود فعل تحسسية ورفض) ، بسبب عدم وجود حاجة للتدخل الجراحي المتكرر لإزالة الغرسات ؛ خصائص عالية القوة لسبائك الزركونيوم. تجعل الكثافة المنخفضة نسبيًا للسبائك من الممكن تسهيل تصميم الغرسة ؛ تضمن ليونة ممتازة ملاءمة أكثر دقة لثني الزرع مع محيط العظم.

قائمة الأدوات والغرسات الخاصة بجراحة الوجه والفكين وجراحة الأعصاب واسعة جدًا: أكثر من عشرين نوعًا من الألواح والدبابيس ، والمسامير القشرية للتثبيت ، والمشابك المرقئة ، والمثاقب وحتى الخيوط للخياطة أثناء عمليات الدماغ!

العنصر رقم 40 ، مثل سبائكه ، لا يسبب تهيجًا للأنسجة الرخوة والعظام المحيطة ، وهو متوافق تمامًا مع الأنسجة البيولوجية ، وله أيضًا تأثير خاص عليها. اكتشف الأطباء أن ارتداء أقراط من الزركونيوم يشفي جرحًا في شحمة الأذن بعد ثقبه قبل 2-3 أيام من ارتداء الأقراط الذهبية. بالإضافة إلى ذلك ، لاحظ الأشخاص الذين يرتدون باستمرار مجوهرات مصنوعة من الزركونيوم أو الزركون تحسنًا كبيرًا في حالتهم العامة ككل. أعطت التجارب نتائج إيجابية في علاج الأمراض الجلدية بأساور وأحزمة وألواح الزركونيوم: التهاب الجلد ، والتهاب الجلد العصبي ، وأكزيما الأطفال ، وأمراض الجهاز العضلي الهيكلي ، والعمود الفقري ، والتهاب المفاصل والتهاب المفاصل من أصل أيضي ، وكسور الأطراف العلوية والسفلية وغيرها. الأمراض. لوحظ تأثير إيجابي في أكثر من 90٪ من المرضى.

لم يشعر النصف الصحي من المشاركين بأي آثار سلبية من ارتداء الأساور ، لكنهم لاحظوا تحسنًا في صحتهم العامة.

وبالتالي ، يمكن القول أن أساور الزركونيوم وغيرها من المجوهرات المصنوعة من هذا المعدن وسبائكه ومعادنه ليست الدواء الشافي لجميع الأمراض ، ولكن لها تأثير علاجي معين على جسم الإنسان. على أي حال ، لا ضرر من ذلك.

غالبًا ما استخدم صائغو المجوهرات في العصور الوسطى ما يسمى بـ "الألماس الناقص" لصنع مجوهرات فريدة من نوعها. يختلف هذا "الماس" قليلاً عن الأحجار الكريمة الحقيقية - أكثر نعومة إلى حد ما وأكثر سطوعًا قليلاً ، مما لم يسمح للحجر المقطوع بالتألق واللمع مثل الماس. كان لهذه الأحجار أيضًا أسماء أكثر تحديدًا: ماس ماتارا - وفقًا لمكان استخراجها - منطقة ماتاري (ماتوراي) في جزيرة سريلانكا. المصطلحات اللغوية المتخصصة أو المصطلحات السيلانية - زركون أصفر ، قش أصفر ودخاني. كما يطلق عليهم الماس السيامي. Starlite أو Starlight - زركون بلون أزرق سماوي طبيعي أو تم الحصول عليه بعد المعالجة الحرارية الكيميائية. صفير - شفاف عسلي أصفر ، أحمر بني ، أحمر بني ، أحمر ، زركون وردي. يشبه لون هذا الحجر الصفير - زهرة نمت ، وفقًا للأسطورة اليونانية القديمة ، من قبل أبولو من جسد (أو دم) الشاب الجميل صفير ، المفضل لدى أبولو ، الذي قتل على يد إله الريح زفير.

بالطبع ، لم يعرف الحرفيون في العصور الوسطى أنهم كانوا يعملون مع معدن الزركونيوم - بلورات الزركون المفردة.

يحتوي الزركونيوم على مقطع عرضي صغير جدًا لالتقاط النيوترونات الحرارية. لذلك يستخدم الزركونيوم المعدني الذي لا يحتوي على الهافنيوم وسبائكه في صناعة الطاقة النووية لتصنيع عناصر الوقود وتجميعات الوقود وغيرها من تصاميم المفاعلات النووية. وهكذا ، تم تركيب مفاعل مصنوع بالكامل من الزركونيوم في أول غواصة نووية أمريكية ، نوتيلوس. في وقت لاحق اتضح أنه من الأكثر ربحية صنع أغطية عنصر الوقود (TVEL) من الزركونيوم ، وليس الأجزاء الثابتة من قلب المفاعل.

تزيد مضافات الزركونيوم أثناء صناعة سبائك الفولاذ من خصائص قوة السبيكة. لذلك ، يتم تدمير النماذج الأولية من الفولاذ غير المخلوط بالزركونيوم تحت حمولة أقل من طن ، يمكن للفولاذ من نفس التركيب ، ولكن مع إضافة 0.1 ٪ فقط من الزركونيوم ، أن يتحمل حمولة تزيد عن طن ونصف!

تسمح مواصفات الزركونيوم لما يسمى "نقاء المفاعل" بوجود ما لا يزيد عن 0.02٪ هافنيوم فيه. ولكن حتى مثل هذه الجرعات المثلية للرفيق الأبدي للزركونيوم بشكل كبير - ست مرات ونصف - تقلل شفافية النيوترون للزركونيوم!

يتميز ثاني أكسيد الزركونيوم بخاصية مثيرة للاهتمام: فهو شديد التسخين ، وينبعث منه الضوء بشكل مكثف بحيث يمكن استخدامه في تكنولوجيا الإضاءة. كان الفيزيائي الألماني الشهير والتر هيرمان نرنست أول من تعلم عن هذه الخاصية لثاني أكسيد الزركونيوم. على أساس هذه الظاهرة غير العادية ، صمم الفيزيائي مصباحًا ، أطلق عليه لاحقًا اسم "مصباح Nernst" ، حيث صنعت قضبان متوهجة من ثاني أكسيد الزركونيوم.

تم العثور على تطبيق مثير للاهتمام للغاية بواسطة رابع كلوريد الزركونيوم. تختلف الموصلية الكهربائية للوحة من هذه المادة حسب الضغط الذي يعمل عليها. يعتمد تشغيل مقياس ضغط عالمي على هذا المبدأ - جهاز يقيس الضغط. مع أصغر تغيير في الضغط ، تتغير أيضًا القوة الحالية في دائرة الجهاز ، ويتم معايرة مقياسها بوحدات الضغط. هذه المقاييس حساسة للغاية لتغيرات الضغط ، لذا يمكن استخدامها لتحديد الضغط من مئات الألف من الغلاف الجوي إلى آلاف الغلاف الجوي!

تدين معاطف المطر بخصائصها المقاومة للماء لأملاح الزركونيوم ، والتي تعد جزءًا من مستحلب خاص لتشريب الأقمشة. تستخدم أملاح الزركونيوم أيضًا في صناعة أحبار الطباعة الملونة والورنيش الخاص والبلاستيك. كمحفز ، تُستخدم مركبات الزركونيوم في إنتاج وقود المحرك عالي الأوكتان. تشتهر مركبات الكبريتات لهذا العنصر بخصائصها الممتازة في الدباغة.

قصة

في الواقع ، تاريخ شعبية الزركونيوم للبشرية قديم جدًا - حتى في عهد روما في يهودا ، كان كبار الكهنة يرتدون الزيركون في مجوهراتهم - بلورات الزركون - المعدن الرئيسي للزركونيوم. غالبًا ما كان تجار المجوهرات في العصور الوسطى من مختلف البلدان يزينون منتجاتهم بهذه البلورات. اكتسبت المجوهرات المصنوعة من الزركون شعبية خاصة في الهند في القرنين الخامس عشر والسادس عشر وفي الثلاثينيات من القرن التاسع عشر.

تم استخراج هذا المعدن المحتوي على الزركونيوم في جزيرة سيلان ، ومن ثم قام التجار بتصديره بوفرة إلى العديد من البلدان. اكتسبت هذه البلورات شعبية كبيرة بسبب ألوانها المتنوعة والجميلة للغاية: من شفاف عديم اللون وبني أصفر شاحب ، وتحول إلى الرمادي والأخضر إلى الأحمر الدموي. كان الزركون الأحمر هو الذي أطلق عليه صائغوا المجوهرات صفير (الاسم القديم هو البرادول) ، معتبرين أنه أحد أصناف التوباز أو الياقوت ، يشبهه في التركيب الكيميائي. في نهاية القرن الثامن عشر فقط حصلت صفير على اسمها الحديث - الزركون Zr ؛ أطلق عليها عالم المعادن فيرنر هذا الاسم.

كان أحد هذه الزركون من سيلان الذي وقع في يد M.G. كلابروث ، عضو أكاديمية برلين للعلوم. في عام 1789 ، أجرى بحثًا عن الأحجار الكريمة باستخدام طريقته الخاصة ونشر نتائج التحليل في نفس العام. حصل كلابروث على مادة أطلق عليها "تراب الزركون". صهر مسحوق الزركون مع القلويات الكاوية في بوتقة فضية خاصة ، ثم أذاب السبيكة في حامض الكبريتيك. علاوة على ذلك ، قام الكيميائي بعزل حمض السيليك والحديد من المحلول ، وبعد ذلك حصل على بلورات الملح ، ومنهم أكسيد (نفس الأرض) ، والذي أسماه "الزركونيوم" (زيركونيردي).

بهذا الاسم ، من المرجح أن Klaproth قد صد المفاهيم الفارسية التالية: "zar" ("الملك") - الذهب و "البندقية" ("البندقية") - اللون ، أي حرفياً - "ذهبي اللون". من الاعتبارات التالية ، يمكن للمرء أن يخمن أن المعدن ، الذي كان في يد كيميائي ، كان له لون بني ذهبي. يعتمد افتراض آخر حول أصل الاسم على الكلمة العربية "zarkun" - cinnabar ، المعدنية. كما ترى ، الكلمات متشابهة جدًا ، مما يعني أنه من معانيها يأتي اسم المعدن.

في المصادر الروسية ، الأسماء متشابهة ، على الرغم من وجود اختلافات طفيفة. لذا فإن شيرير (1808) المسمى المعدن "الزركون" ، زاخاروف (1810) يلتزم بالصيغة نفسها ، دفيجوبسكي (1824) أكثر أصالة - "قاعدة أرض الزركون" أو "الزركونيوم" ، يسمي ستراخوف (1825) المعدن "الزركون".

تم عزل أكسيد الزركونيوم (II) أيضًا بواسطة Giton de Morovo فقط من الصفير الموجود في فرنسا.

تم الحصول على الزركون المعدني (الذي يحتوي على نسبة عالية جدًا من الشوائب) لأول مرة بواسطة J.J.

K2 + 4Na → Zr + 2KF + 2NaF

وكانت النتيجة معدنًا فضيًا رماديًا كان هشًا جدًا لدرجة أنه لا يمكن تشغيله. والسبب في ذلك هو ارتفاع نسبة الشوائب. نتيجة لذلك ، لم يتم استخدام هذا العنصر. لفترة طويلة ، حاول العلماء من مختلف البلدان حل مشكلة نقاء المعادن. فقط في عام 1914 كان من الممكن الحصول على الزركونيوم النقي نسبيًا ، والمعدن ، الذي يمكن معالجته (مزورة ، درفلة ، درفلة) بنفس طريقة النحاس ، كان قادرًا فقط في عام 1925 على عزل الكيميائيين الهولنديين فان أركيل ودي بوير . لقد ابتعدوا عن الطريقة التقليدية والمستخدمة على نطاق واسع للتحليل الكهربائي ، باستخدام طريقة "التراكم" الجديدة الخاصة بهم ، والتي تتمثل في حقيقة أن المركب المتطاير (في حالتهم كان الزركونيوم رباعي يوديد ZrI4) قد تعرض للتحلل الحراري في فراغ ، وتم ترسيب معدن نقي على خيوط تنجستن ساخنة.

التواجد في الطبيعة

الزركونيوم عنصر شائع إلى حد ما: محتواه في القشرة الأرضية هو 0.025٪ بالوزن. من بين المعادن من حيث الانتشار ، فإنها تحتل المرتبة الثانية عشرة. ومع ذلك ، فإن الزركونيوم مشتت للغاية ونادرًا ما تكون أي تراكمات كبيرة منه. لذلك في الصخور الرئيسية ، لا يتجاوز محتواها 1.3.10-2٪ ؛ في الجرانيت والتربة الرملية والطينية ، يكون هذا العنصر أكثر شيوعًا - 2 10-2٪ ، لكن الزركونيوم أكثر شيوعًا في الصخور القلوية - 5 10-2٪ ، وهو أعلى من متوسط ​​المحتوى في قشرة الأرض بشكل عام . في أغلب الأحيان ، يمكن العثور عليها في شكل مركبات كيميائية مختلفة ، والتي بدورها تحدث في الغلاف الصخري ، لأن الزركونيوم هو عنصر ليثوفيلي. في الطبيعة ، تُعرف مركباتها حصريًا بالأكسجين على شكل أكاسيد وسيليكات. على الرغم من حقيقة أن الزركونيوم عنصر ضئيل ، إلا أن هناك حوالي 40 معدنًا يوجد فيها الزركونيوم على شكل أكاسيد أو أملاح. بسبب هذا التشتت في الصخور وعدم وجود رواسب كبيرة ، يستخدم الزركونيوم أقل بكثير من المعادن النادرة حقًا. هذا المعدن مهاجر ضعيف للمياه - محتوى الزركونيوم في مياه البحر لا يتجاوز 0.00005 ملغم / لتر. في البيئة البيولوجية ، كما أنه ليس شائعًا.

يتم توزيع الزركون ZrSiO4 بشكل أساسي في الطبيعة ، حيث 67.1٪ ZrO2 و baddeleyite ZrO2 ومعادن معقدة مختلفة: eudialyte (Na ، Ca) 6ZrOH (Si3O9) 2 (OH ، Cl) 2 ، إلخ.

الزركون هو معدن الزركونيوم الأكثر شيوعًا ، والمعروف منذ العصور القديمة ، عندما كان يطلق عليه صفير ، أزوريت ، أورباخيت ، إنجلاردايت وأسماء أخرى. الزركون عبارة عن سيليكات معزولة توجد في جميع أنواع الصخور ، ولكنها أكثر ما يميز الجرانيت والسيانيت. المعدن عبارة عن بلورات جيدة التكوين ، يختلف مظهرها حسب ظروف التكوين ، لذلك توجد بلورات ذات طبيعة منشورية طويلة في الجرانيت والجرانيت البغماتيت ، وفي الصخور القلوية والميتاسوماتيكية - نوع ثنائي الهرمي. يمكنك أيضًا العثور على "التوائم" و "التوائم المرفقة" والنمو المشع الشعاعي والحزم.

غالبًا ما تكون البلورات صغيرة نسبيًا (بضعة مليمترات فقط) ، ولكن هناك استثناءات تزن عشرات أو حتى مئات القيراط. تم العثور على بلورات الزركون التي يبلغ طولها عدة سنتيمترات في مقاطعة هيندرسون بولاية نورث كارولينا. في مدغشقر ، تعتبر الاكتشافات التي تزن عدة كيلوغرامات أمرًا شائعًا. في الولايات المتحدة الأمريكية ، تمتلك مؤسسة سميثسونيان العديد من الزركون جلبت من جزيرة سري لانكا. تختلف في اللون والوزن: أكبر زركون - بني يزن 118.1 قيراطًا ؛ أصفر بني 97.6 ؛ أصفر 23.5 ، عديم اللون 23.9. هناك يمكنك أيضًا رؤية بلورات كبيرة من بورما وتايلاند. يمكن لمتحف لندن الجيولوجي والمتحف الأمريكي للتاريخ الطبيعي في نيويورك والمتحف الكندي في تورنتو التباهي بمجموعات غنية من الزركون الكبيرة. تم استخراج العديد من الزركون الكبيرة والجميلة في جبال الأورال.

غالبًا ما يحتوي الزركون على العديد من الشوائب: الحديد والألمنيوم والمعادن الأرضية النادرة والهافنيوم والبريليوم واليورانيوم وغيرها. في هذا الصدد ، يميز العلماء عدة أنواع من الزركون: malakon ، citrolite ، alvit ، arshinovite وغيرها الكثير.

تم اكتشاف معدن baddeleyite ، على عكس الزركون ، مؤخرًا نسبيًا - في عام 1892 في البرازيل. يقع الرواسب الرئيسية لهذا المعدن ، Posos de Caldas ، هناك أيضًا. بعض الاكتشافات في هذا الرواسب مدهشة ببساطة - إحدى كتل البادليايت ، المستخرجة من الصخر ، تزن 30 طناً! على طول ضفاف الأنهار والجداول ، يوجد البادلايت على شكل حصى غرينية يصل قطرها إلى 7.5 ملم ، والتي تحتوي على أكثر من 90٪ من ثاني أكسيد الزركونيوم. بسبب مظهرها ، أطلق عمال المناجم المحليون على هذه الحصاة اسم "فافاس" ، وهو ما يعني "الفول" (فافا) باللغة البرتغالية.

طلب

تتنوع مجالات تطبيق الزركونيوم والمعادن المحتوية عليه بشكل كبير ، فهي مرتبطة بصناعات عالية التقنية وفي نفس الوقت بإنتاج السلع الاستهلاكية الأكثر شيوعًا.

كان أول مستهلك للزركونيوم هو علم المعادن - أولاً أسود ، ثم غير حديدية. هذا يرجع إلى عدد من خصائص العنصر الأربعين. نظرًا لتقاربها العالي مع الأكسجين والنيتروجين والكبريت والفوسفور ، يتم استخدام سبيكة من الزركونيوم بالحديد والسيليكون أو مع الألومنيوم والسيليكون كمزيل أكسدة صلب ومنظف.

يستخدم الزركونيوم على نطاق واسع كعنصر في صناعة السبائك ، لأن إضافته إلى معادن أخرى يمنحها خصائص خاصة - مقاومة الحرارة ، ومقاومة الأحماض ، وغيرها الكثير. بالإضافة إلى الخصائص المكتسبة حديثًا ، تزيد السبائك المحتوية على الزركونيوم من قوتها الميكانيكية ، مما يساعد على زيادة عمرها العملي وتوسيع إمكانيات استخدامها في مختلف المجالات. يجدر إعطاء بعض الأمثلة على هذه السبائك ومجالات تطبيقها.

يستخدم فيروزركونيوم (سبيكة من الزركونيوم مع الحديد) ، يحتوي على ما يصل إلى 20٪ Zr ، في علم المعادن كمزيل للأكسدة ومزيل للغازات للصلب. وجد الكيميائيون وعلماء المعادن أن إضافة الزركونيوم إلى سبائك الحديد لها نفس تأثير إدخال السيليكون فيها: تتحسن جودة الفولاذ المقاوم للصدأ والمقاوم للحرارة ، وتزداد القوة الميكانيكية وقابلية اللحام للفولاذ.

سبيكة أخرى من الزركونيوم تستخدم على نطاق واسع في علم المعادن الحديدية ، إلى جانب الفيروزركونيوم ، هي سبيكة من السيليكون. تُستخدم هذه السبيكة في تفريغ الفولاذ ، لأن الزركونيوم هو مادة فعالة لإزالة الأكسدة ومُضاف للتكرير ، فإن إدخالها يقلل بسرعة أكاسيد المعادن ويزيل النيتروجين.

تُستخدم سبائك النحاس والزركونيوم لتصنيع الأجزاء الموصلة للمعدات الكهربائية التي يتم تسخينها أثناء التشغيل. لا يؤثر إدخال الزركونيوم عمليًا على الموصلية الكهربائية العالية للنحاس ، ولكنه يزيد بشكل كبير من قوة ومقاومة السبيكة للحرارة.

تتمتع سبائك المغنيسيوم مع الزركونيوم بخصائص ميكانيكية وفيزيائية جيدة وتعتبر الأنسب للأغراض الهيكلية.

سبائك الألومنيوم مع الزركونيوم (حتى 3٪ Zr) مقاومة للتآكل ، وتستخدم في شبكات الأنابيب المفرغة الكاثود.

اكتسب الزركونيوم ، المنقى من الهافنيوم ، الأهمية الكبرى كمواد هيكلية في المفاعلات النووية. جعلت مقاومة التآكل العالية ، جنبًا إلى جنب مع القوة الميكانيكية ، ونقطة الانصهار العالية ، والمقطع العرضي لامتصاص النيوترون الحراري المنخفض الفعالية ، مؤخرًا من الممكن استخدام الزركونيوم على نطاق واسع لعناصر وقود الطلاء (TVELs).

أدى معامل التمدد الحراري المنخفض والموحد ، والمقاومة العالية للتآكل ، فضلاً عن القوة الميكانيكية العالية والمقاومة الكيميائية إلى استخدام الزركونيوم لتصنيع معدات كيميائية عالية الجودة ، ومعدات طبية ، وغرسات وخيوط لجراحة الأعصاب.

تعمل العوازل في المعدات عالية التردد المصنوعة من مواد تحتوي على الزركونيوم على تقليل فقد الطاقة بشكل كبير.

يستخدم مسحوق الزركونيوم في المقام الأول في صناعة القنابل المضيئة والصواعق والصمامات المقذوفة والقنابل البعيدة.

ولكن مع ذلك ، فإن معظم المواد الخام للزركونيوم المستخرج (حوالي 90٪) تستخدم في شكل معدني على شكل زركون ، والذي يحتوي على ما يصل إلى 66٪ من ثاني أكسيد الزركونيوم (ZrO2). نظرًا لخصائصه - نقطة انصهار عالية (أكثر من 2700 درجة مئوية) ، ومعامل منخفض للتمدد الحراري ومقاومة للهجوم الكيميائي - أصبح ZrO2 مستخدمًا على نطاق واسع في مجموعة متنوعة من المجالات. يستخدم على نطاق واسع في إنتاج الطلاءات الواقية من الحرارة ، المنتجات عالية المقاومة للحرارة ، الشوارد الصلبة ، المينا المقاومة للحرارة ، الزجاج المقاوم للحرارة ، أنواع مختلفة من السيراميك ، أصباغ السيراميك ، المحفزات ، أدوات القطع والمواد الكاشطة ، الأحجار الكريمة الاصطناعية. في العقد الماضي ، مع التطور السريع للإلكترونيات وتكنولوجيا الكمبيوتر ، بالإضافة إلى وسائل الاتصال المختلفة ، بدأ استخدام ثاني أكسيد الزركونيوم على نطاق واسع في الألياف البصرية وإنتاج السيراميك المستخدم في الإلكترونيات.

نظرًا لصلابته العالية ، يتم استخدام كربيد الزركونيوم ZrC كمواد طحن ، وكذلك لاستبدال الماس عند قطع الزجاج.

إنتاج

مصدر المواد الخام الرئيسي للإنتاج الصناعي للزركونيوم المعدني هو الزركون المعدني ZrSiO4.

يمكن تقسيم الطرق الرئيسية للحصول على الزركونيوم المعدني إلى ثلاث مجموعات: 1) طرق الاسترداد. 2) طرق التفكك الحراري 3) طرق التحليل الكهربائي.

بادئ ذي بدء ، تمر خامات الزركونيوم بمرحلة التخصيب ، حيث يتم استخدام طريقة الجاذبية مع تنقية التركيز عن طريق الفصل الكهروستاتيكي والمغناطيسي. يتم إنتاج الزركونيوم المعدني من مركباته ، والتي يتم الحصول عليها عن طريق تحلل المركز. في هذه الحالة ، الخيارات التالية ممكنة:

أ) التلبيد بالكلس أو كربونات الكالسيوم مع إضافة CaCl2 عند درجات حرارة أعلى من 1100 درجة مئوية:

ZrSiO4 + ZCaO = CaZrO3 + Ca2SiO4

ب) التلبيد بالصودا عند درجة حرارة تزيد عن 1000 درجة مئوية أو الاندماج بالصودا الكاوية (يجب أن تكون درجة الحرارة أعلى من 500 درجة مئوية):

ZrSiO4 + 2Na2CO3 = Na2ZrO3 + Na2SiO3 + 2CO2

من السبائك أو اللبيدة الناتجة عن الفتحة القلوية ، أولاً وقبل كل شيء ، تتم إزالة مركبات السيليكون عن طريق الترشيح بالماء أو حمض الهيدروكلوريك المخفف ، وبعد ذلك تتحلل البقايا مع أحماض الهيدروكلوريك أو الكبريتيك. والنتيجة هي أوكسي كلوريد وكبريتات على التوالي.

ج) التلبيد بفلوروسيليكات البوتاسيوم عند درجات حرارة قريبة من 1000 درجة مئوية:

ZrSiO4 + K2SiF6 = K2ZrF6 + 2SiO2

يتم تسخين كعكة الفلوروزركونات الناتجة وغسلها بالماء المحمض ، ويمر فلوروزركونات البوتاسيوم في الماء ، وعندما يتم تبريد المحلول ، يتم تحرير معظمه (75-90٪).

د) الكلورة بالفحم عند درجة حرارة حوالي 1000 درجة مئوية ، في حين أن عملية الكربيد الأولية عند درجة حرارة من 1700 إلى 1800 درجة مئوية ممكنة ، مصممة لإزالة معظم السيليكون في شكل أكسيد شديد التقلب (SiO). والنتيجة هي كلوريد الزركونيوم ZrCl4 ، والذي يتم تسامته وتقويته.

يتم عزل مركبات الزركونيوم عن المحاليل الحمضية الناتجة بالطرق التالية:

أ) الترسيب المائي لكبريتات الزركونيوم الأساسية xZrO2.ySO3 zH2O من حمض الكبريتيك أو محاليل حمض الهيدروكلوريك ؛

ب) تبلور أوكسي كلوريد الزركونيوم ZrOCl2 8H2O أثناء تبخر محاليل حمض الهيدروكلوريك ؛

ج) تبلور كبريتات الزركونيوم Zr (SO4) 2 بإضافة حامض الكبريتيك المركز أو عن طريق تبخير محاليل حامض الكبريتيك. نتيجة لتكلس الكبريتات والكلوريدات ، يتم الحصول على ZrO2.

تحتوي جميع مركبات الزركونيوم التي يتم الحصول عليها من المركزات دائمًا على الهافنيوم. تنقية الزركونيوم منه عملية شاقة ومكلفة إلى حد ما. يُفصل الزركونيوم عن رفيقه الثابت عن طريق التبلور الجزئي لـ K2ZrF6 ، والاستخلاص من المحاليل الحمضية بالمذيبات العضوية (على سبيل المثال ، ثلاثي بوتيل الفوسفات) ، وطرق التبادل الأيوني ، والاختزال الانتقائي لرباعي الكلوريد (ZrCl4 و HfCl4).

هناك طريقة "بناء" طورها العالمان الهولنديان فان آركيل ودي بوير. وهو يتألف من حقيقة أن المركب المتطاير (الزركونيوم رباعي يوديد ZrI4) يخضع للتحلل الحراري في فراغ ويتم ترسيب معدن نقي على خيوط تنجستن ساخنة. في العشرينات من القرن الماضي ، كانت هذه الطريقة مستخدمة على نطاق واسع ، لكن التكلفة العالية للزركونيوم التي تم الحصول عليها بهذه الطريقة حدت بشدة من نطاقها. لذلك ، كانت هناك حاجة لتطوير طريقة جديدة أرخص للحصول على الزركونيوم. بهذه الطريقة ، أصبحت طريقة Krol المحسنة. يتضمن مخطط هذا الإنتاج مرحلتين رئيسيتين: يتم معالجة ثاني أكسيد الزركونيوم بالكلور ، ويتم تقليل رابع كلوريد الزركونيوم الناتج بواسطة المغنيسيوم المعدني تحت طبقة من المعدن المنصهر. يتم صهر المنتج النهائي ، إسفنجة الزركونيوم ، في قضبان وإرسالها إلى المستهلك بهذا الشكل.

الخصائص الفيزيائية

كما نعلم ، تم عزل الزركونيوم في شكله المعدني الحر منذ زمن بعيد - في عام 1824 على يد الكيميائي السويدي ينس برزيليوس. لم يكن من الممكن الحصول على عنصر بدرجة عالية من النقاء لعدة عقود ، ولهذا لم يكن من الممكن دراسة الخصائص الفيزيائية لهذا المعدن. فقط في منتصف القرن العشرين ، تمكن العلماء من الحصول على الزركونيوم الخالي من الشوائب. اتضح أنه في الزركونيوم ، وأحيانًا بكميات كبيرة جدًا ، يوجد الهافنيوم - رفيق ثابت لهذا المعدن ، والذي لم يُلاحظ سابقًا بسبب الخصائص الكيميائية المشابهة للزركونيوم.

يتميز الزركونيوم النقي بمظهر معدن نموذجي - لونه فضي رمادي لامع ، يذكرنا بالفولاذ ، ولكنه يختلف عنه بقوة وليونة أكبر. علاوة على ذلك ، فإن الجودة الأخيرة ، كما لاحظ علماء المعادن ، تعتمد بشكل مباشر على كمية الأكسجين الموجودة في الزركونيوم. لذلك ، إذا دخل أكثر من 0.7٪ أكسجين إلى سائل الزركونيوم المصهور ، فسيكون المعدن هشًا بسبب تكوين المحاليل الصلبة للأكسجين في الزركونيوم ، والتي تختلف خصائصها اختلافًا كبيرًا عن خصائص المعدن النقي. نفس التأثير يمارسه شوائب النيتروجين والكربون والهيدروجين. كثافة الزركونيوم النقي عند 20 درجة مئوية 6.45 جم / سم 3 ، صلابة برينل 640-670 مليون / م 2 أو 64-67 كجم / مم 2. تتأثر الصلابة بشكل كبير بوجود الشوائب (خاصة الأكسجين) التي تزيد من صلابة الزركونيوم وتقلل من هشاشته. وبالتالي ، مع محتوى أكسجين يزيد عن 0.2٪ ، فإن الزركونيوم غير قابل للتشغيل البارد بالضغط. قوة شد الزركونيوم هي 253 MN / m2 أو 25.3 kgf / mm2 ، معامل المرونة عند 20 ° C = 97 Gn / m2 أو 9700 kgf / mm2.

الزركونيوم هو معدن ذو درجات حرارة عالية: درجة انصهار الزركونيوم عالي النقاء هي 1845 درجة مئوية ، ودرجة الغليان (الغليان) هي 3580-3700 درجة مئوية.ثاني أكسيد الزركونيوم ZrO2 هو أحد أكثر المواد المقاومة للحرارة في الطبيعة. يذوب عند 2680 درجة مئوية! أدت هذه الخصائص للمعدن وثاني أكسيده إلى استخدامها في علم المعادن: صناعة السبائك المقاومة للحرارة والفولاذ المقاوم للحرارة مع الزركونيوم ، واستخدام ZrO2 في تصنيع الحراريات.

يجب إضافة ما يلي إلى الخصائص الحرارية المذكورة أعلاه للزركونيوم: السعة الحرارية المحددة في نطاق درجة حرارة 25-100 درجة مئوية = 0.291 كيلو جول / (كجم ∙ كلفن) أو 0.0693 كالوري / (جم ∙ درجة مئوية) ؛ معامل التوصيل الحراري عند 50 درجة مئوية = 20.96 واط / (م ∙ كلفن) أو 0.050 كالوري / (سم ث ∙ درجة مئوية) ؛ معامل درجة حرارة التمدد الخطي عند درجات حرارة 20-400 درجة مئوية = 6.9 × 10-6. درجة حرارة الانتقال إلى حالة الموصلية الفائقة هي 0.7 كلفن.

يتميز الزركونيوم المعدني بتعديلين متآصلين: تعديل α ، الذي له هيكل سداسي ومستقر عند درجات حرارة أقل من 863 درجة مئوية ، وتعديل β ، الذي يحتوي على شبكة من مكعب متمركز مكانيًا ومستقرًا عند درجات حرارة أعلى 863 درجة مئوية ، وبالتالي ، فإن الانتقال من تعديل α إلى β - يحدث التعديل عند درجة حرارة الحدود هذه البالغة 863 درجة مئوية علاوة على ذلك ، فإن إضافات الألومنيوم والرصاص والقصدير والكادميوم تزيد من درجة حرارة الانتقال من حالة إلى أخرى ، و تنخفض إضافات الحديد والكروم والنيكل والموليبدينوم والنحاس والتيتانيوم وبعض المعادن الأخرى.

المقاومة الكهربائية للزركونيوم عالي النقاء عند 20 درجة مئوية = 44.1 ميكرو أوم ∙ سم. يعتبر الزركونيوم مغناطيسيًا ، وتزداد حساسيته المغناطيسية المحددة عند تسخين المعدن. لذلك عند درجة حرارة -73 درجة مئوية ، تكون الحساسية المغناطيسية المحددة للزركونيوم 1.28 درجة مئوية ، وعند 327 درجة مئوية - 1.41 درجة مئوية.

إن الخاصية الأكثر قيمة للزركونيوم النقي هي المقطع العرضي الصغير لالتقاط النيوترون الحراري (0.18 حظيرة). إنه أقل بكثير من المعادن الأخرى - الحديد (2.53 حظيرة) أو النيكل (4.60 حظيرة) أو النحاس (3.69 حظائر). على الرغم من أن العديد من المعادن الأرخص لها مقطع عرضي من نفس الترتيب: 0.65 حظيرة للقصدير ، و 0.22 حظيرة للألمنيوم ، وحتى أقل للمغنيسيوم - فقط 0.06 حظيرة. ومع ذلك ، فإن جميع المعادن المدرجة قابلة للانصهار وغير مقاومة للحرارة ، على عكس الزركونيوم. لذلك ، يتم استخدام هذا المعدن كمادة هيكلية في بناء المفاعلات.

الخواص الكيميائية

من أبرز خصائص الزركونيوم مقاومته العالية للتآكل للعديد من الوسائط العدوانية. من حيث قدرته على مقاومة التآكل ، يتفوق الزركونيوم على المعادن المقاومة مثل النيوبيوم والتيتانيوم. في ظل الظروف العادية ، يكون الزركونيوم خاملًا فيما يتعلق بغازات الغلاف الجوي والماء ، ولا يتفاعل مع أحماض الهيدروكلوريك والكبريتيك (حتى تركيز 50٪). خلال التجارب ، وجد أن الفولاذ المقاوم للصدأ يفقد حوالي 2.6 ملم في السنة في خمسة بالمائة من حمض الهيدروكلوريك عند 60 درجة مئوية ، والتيتانيوم - حوالي 1 ملم ، والزركونيوم - 1000 مرة أقل. يتمتع الزركونيوم بأكبر مقاومة للقلويات ، فهو المعدن الوحيد المقاوم للقلويات المحتوية على الأمونيا. فيما يتعلق بمقاومة الوسائط العدوانية ، يعتبر الزركونيوم أدنى حتى من التنتالوم - وهو أحد أقوى المقاتلين ضد التآكل.

يمكن تفسير هذه المقاومة بسهولة من خلال الخصائص الكيميائية للزركونيوم ، أو بالأحرى عن طريق تكوين طبقة أكسيد واقية على سطحه ، والتي تحمي المعدن من المزيد من التدمير. لأكسدة الزركونيوم بالكامل ، سيكون من الضروري تسخينه حتى 700 درجة مئوية ، عندها فقط سيتم تدمير الفيلم جزئيًا ، مذابًا جزئيًا في المعدن. اتضح أن درجة الحرارة البالغة 700 درجة مئوية هي بالضبط الحد الذي تنتهي بعده المقاومة الكيميائية للعنصر رقم 40. ولكن حتى قبل هذا الحد ، يبدأ الزركونيوم ، عند تسخينه إلى 300 درجة مئوية وما فوق ، في التفاعل أكثر بنشاط مع الأكسجين ومكونات الغلاف الجوي الأخرى. نتيجة لذلك ، يتم تكوين ثاني أكسيد وهيدريد مع بخار الماء ، مع ثاني أكسيد الكربون - كربيد وثاني أكسيد ، مع نيتروجين - نيتريد الزركونيوم. حتى نفس درجة الحرارة ، يتم حماية الزركونيوم بشكل موثوق به بواسطة فيلم أكسيد ، والذي يضمن مقاومة كيميائية عالية للزركونيوم.

ومع ذلك ، يتفاعل الزركونيوم مع الأحماض ، وهذا يحدث إذا كان تكوين معقدات أنيونية ممكنًا. لذلك عند درجات حرارة أعلى من 100 درجة مئوية ، يتفاعل مع مزيج من أحماض النيتريك والهيدروفلوريك والماء الريجيا:

3Zr + 4HNO3 + 18HF = 3H2 + 4NO + 8H2O

3Zr + 4HNO3 + 18HCl = 3H2 + 4NO + 8H2O

يذوب في الهيدروفلوريك وأحماض الكبريتيك الساخنة المركزة (فوق 50٪):

Zr + 6HF = H2 + 2H2

يتصرف الزركونيوم على شكل نشارة أو مسحوق بشكل مختلف تمامًا في الهواء. على النقيض من الزركونيوم المعدني المضغوط ، فإن هذه المواد البيرومورفية تشتعل تلقائيًا في الهواء في درجة حرارة الغرفة بالفعل. هذه العملية طاردة للحرارة وتحدث مع إطلاق كبير للحرارة. الزركونيوم الذي يشبه الغبار في خليط مع الهواء قادر على الانفجار.

كما أن تفاعل الزركونيوم مع الماء غير عادي. تتعرض معظم المعادن التي تتلامس مع الماء للتآكل الجلفاني ، والذي يتكون من انتقال الكاتيونات إلى الماء. الزركونيوم ، كما في التفاعل مع الأكسجين ، مغطى بطبقة واقية غير قابلة للذوبان. وبالتالي ، نظرًا لخصائص فيلم الحماية ، فإن الزركونيوم محمي من التآكل المائي.

عند تسخينه ، يبدأ الزركونيوم بالتفاعل مع الغازات. لذلك عند درجات حرارة أعلى من 800 درجة مئوية ، يبدأ الزركونيوم المضغوط بامتصاص الأكسجين بفاعلية:

يبدأ الزركونيوم بالتفاعل مع النيتروجين عند درجات حرارة 700-800 درجة مئوية مع تكوين النيتريد: ZrN.

فوق 300 درجة مئوية ، يبدأ الزركونيوم بامتصاص الهيدروجين ، مكونًا محلولًا صلبًا وهيدرات ZrH و ZrH2. عند 1200-1300 درجة مئوية في الفراغ ، تنفصل الهيدريدات ويمكن إزالة كل الهيدروجين من المعدن.

عند تسخينه ، يبدأ الزركونيوم أيضًا في التفاعل مع غير المعادن. عند درجات حرارة أعلى من 900 درجة مئوية ، يحدث التفاعل مع الكربون مع تكوين كربيد ZrC. يتفاعل الزركونيوم مع الكلور واليود والبروم بالفعل عند 200 درجة مئوية ، مكونًا الهاليدات الأعلى ZrX4 (حيث X عبارة عن هالوجين). يحدث التفاعل مع الفلور عند درجة حرارة عادية.

تم اكتشاف العنصر الأربعين من الجدول الدوري في عام 1783 بواسطة كيميائي من أصل ألماني م. كلابروتوم. تم الحصول على معدن الزركونيوم المنقى من الشوائب فقط في بداية القرن العشرين. وعلى الرغم من مرور ما يقرب من 100 عام منذ تلك اللحظة ، لا يزال المعدن يعاني من عدد من الغموض ، بدءًا من أصل اسمه وانتهاءً بالتأثير على صحة الإنسان. لماذا سعر جرام واحد منه يرتفع منذ عدة عقود.

التواجد في الطبيعة

يوجد الزركونيوم بشكل طبيعي فقط في شكل أكاسيد وسيليكات. من بينها الزركون ، eudialyte ، baddeleyite تتميز بشكل رئيسي. وتجدر الإشارة إلى أن المعدن الموجود في الترسبات يكون مصحوبًا دائمًا بالهافنيوم. يحدث هذا بسبب الشبكة البلورية المتشابهة للمعادن.

تقع الحصة الرئيسية من معادن الزركونيوم في الغلاف الصخري. يمثل طن واحد من قشرة الأرض 210 جرامًا من الزركون في المتوسط. توجد مركبات الزركونيوم أيضًا في مياه البحر. لكن تركيزه هنا أقل بكثير ويبلغ 0.05 مجم لكل 1000 لتر.

الدول الرائدة في عدد رواسب الزركونيوم هي أستراليا (الزركون) وجنوب إفريقيا (البادلييت) ، وهي أقل بقليل من الولايات المتحدة الأمريكية والبرازيل والهند. تمثل روسيا 10٪ من الاحتياطيات العالمية.

إيصال

في البداية ، تم عزل الزركونيوم من الأكاسيد بطريقة "النمو". تم تركيب شريط من الزركونيوم على خيوط التنغستن الساخنة. تحت تأثير درجات الحرارة فوق 2000 درجة مئوية ، تمسك معدن الزركونيوم بسطح السخان ، واحترقت المكونات المتبقية للمركب.

تتطلب هذه الطريقة كمية كبيرة من الكهرباء وسرعان ما تم تطوير طريقة Croll أكثر اقتصادا. يكمن جوهره في الكلورة الأولية لثاني أكسيد الزركونيوم ، متبوعًا بتقليل المغنيسيوم. لكن تطوير طرق الحصول على الزركونيوم لم يتوقف عند هذا الحد. بعد مرور بعض الوقت ، بدأ استخدام تقليل الفلورايد والقلوية الأرخص من الزركونيوم من الأكاسيد في الصناعة.

تكوين الزركونيوم e110

يوديد الزركونيوم

مطيل للغاية وذو خصائص منخفضة القوة. يتم الحصول عليها بطريقة اليوديد بناءً على قدرة المعدن على تكوين مركبات باليود. في الوقت نفسه ، يتم فصل الشوائب الضارة بسهولة والحصول على معدن نقي. قضبان مصنوعة من يوديد الزركونيوم.

سعر

الموردين الرئيسيين للزركونيوم في السوق العالمية هم أستراليا وجنوب إفريقيا. في الآونة الأخيرة ، تميل ميزة تصدير معادن الزركون والزركونيوم بشكل متزايد نحو جمهورية جنوب إفريقيا. المستهلكون الرئيسيون هم الاتحاد الأوروبي (إيطاليا وفرنسا وألمانيا) والصين واليابان. يتم تداول الزركون بشكل رئيسي على شكل سبائك حديدية.

على مدى السنوات العشر الماضية ، زاد الطلب على معدن الزركونيوم بمعدل 5.2٪ سنويًا. تمكنت الطاقة الإنتاجية خلال هذا الوقت من الارتفاع بنسبة تزيد قليلاً عن 2 ٪. ونتيجة لذلك ، تشكل النقص المستمر في الزركونيوم في السوق العالمية ، والذي كان شرطًا أساسيًا لزيادة قيمته.

هناك سببان رئيسيان لنمو الطلب على هذا المعدن:

• التوسع العالمي في الصناعة النووية.
• الاستخدام الفعال للزركونيوم في صناعة السيراميك.

أيضًا ، يعتقد بعض الخبراء أن توقف تعدين البادلييت في أستراليا أثر جزئيًا على نمو عروض أسعار الزركونيوم.

في سوق المعادن الثانوية الروسية ، تتراوح تكلفة الزركونيوم من 450 إلى 7500 روبل للكيلوغرام الواحد. كلما كان المعدن أنقى ، ارتفع السعر.

طلب

توفر الخصائص المذكورة أعلاه استخدام الزركونيوم على نطاق واسع في مختلف الصناعات. فيما يلي المجالات التالية:

• في الهندسة الكهربائية ، تستخدم سبائك الزركونيوم مع النيوبيوم كموصل فائق. يتحمل حتى 100 كيلو أمبير / سم 2. نقطة الانتقال إلى نظام التوصيل الفائق هي 4.2 كلفن أيضًا ، في المعدات اللاسلكية ، يتم طلاء الألواح الإلكترونية بالزركونيوم من أجل امتصاص الغازات المنبعثة. تتميز مرشحات إشعاع الزركونيا لأنابيب الأشعة السينية بقيمة عالية أحادية اللون.
• في صناعة الطاقة النووية ، يتم استخدامه كمواد لقذائف قضبان الوقود (المناطق التي يتم فيها الانشطار النووي وإنتاج الحرارة بشكل مباشر) والمكونات الأخرى لمفاعل نووي حراري.
• تستخدم علم المعادن الزركونيوم كعنصر في صناعة السبائك. هذا المعدن هو مزيل أكسدة قوي ، متجاوزًا كلاً من المنجنيز والسيليكون في هذا المؤشر. إن إضافة 0.5 ٪ فقط من الزركونيوم إلى المعادن الإنشائية (الفولاذ 45 ، 30 كيلو جرام لكل ساعة) يزيد من قوتها بمقدار 1.5-1.8 مرة. هذا بالإضافة إلى تحسين تدفق عملية القطع. الزركون هو المكون الرئيسي لسيراميك اكسيد الالمونيوم. بالمقارنة مع fireclay ، فإن مدة خدمتها أعلى بـ 3-4 مرات. تستخدم هذه المادة المقاومة للحرارة في تصنيع البوتقات وأحواض الأفران الفولاذية.
• في الهندسة الميكانيكية ، يتم استخدام المعدن كمادة لمنتجات مثل المضخات ووصلات الأنابيب التي تعمل في بيئات عدوانية.
• في الألعاب النارية ، تُستخدم معادن الزركونيوم في التحية والألعاب النارية. يحدث هذا بسبب عدم وجود دخان أثناء الاحتراق ، وكذلك إطلاق كمية كبيرة من الطاقة الضوئية.
• في الصناعة الكيميائية ، يتم استخدام الزركون كمادة خام للسيرمت - طلاء معدني من السيراميك مع مقاومة تآكل متزايدة ومقاومة للأحماض.
• في البصريات ، يتم استخدام الفيانيت بنشاط - الزركون المعالج مع إضافات سكانديوم والمعادن الأرضية النادرة الأخرى. تتميز Fianites بزاوية انكسار كبيرة ، مما يسمح باستخدامها كمواد لإنتاج العدسات. في المجوهرات ، يُعرف مكعب الزركونيا بأنه بديل اصطناعي للماس.
• في الصناعة العسكرية ، يعمل الزركونيوم كمواد مالئة للرصاص والمشاعل.

الخصائص الفيزيائية والكيميائية

الزركونيوم معدن يشبه الفضة. كثافته 6506 كجم / م 3. نقطة الانصهار - 1855.3 درجة مئوية. تختلف السعة الحرارية النوعية في حدود 0.3 KJ / kg C. لا يحتوي هذا المعدن على موصلية حرارية عالية. تبلغ قيمته مستوى 21 واط / م C ، وهو أقل 1.9 مرة من مستوى التيتانيوم. المقاومة الكهربائية للزركونيوم هي 41-60 ميكرومتر سم وتعتمد بشكل مباشر على كمية الأكسجين والنيتروجين في المعدن.

يحتوي الزركونيوم على واحد من أدنى معدلات التقاط النيوترونات الحرارية المستعرضة (0.181 حظيرة). وفقًا لهذه المعلمة ، من المعادن المعروفة حاليًا ، يتم تجاوزها فقط بواسطة المغنيسيوم (0.060 حظيرة).

الزركونيوم ، مثل الحديد ، هو شبه مغناطيسي. تزداد قابليتها للتأثر بالمجال المغناطيسي مع زيادة درجة الحرارة.

الزركونيوم النقي ليس له خصائص ميكانيكية عالية. تبلغ صلابته حوالي 70 وحدة على مقياس فيكرز. تبلغ مقاومة الشد 175 ميجا باسكال ، وهي أقل بمقدار 2.5 مرة من الفولاذ الكربوني العادي. قوة الغلة 55 ميجا باسكال. الزركونيوم هو أحد المعادن البلاستيكية ذات معامل المرونة 96 ميجا باسكال.

جميع الخصائص الميكانيكية المذكورة أعلاه مشروطة ، لأن. تتغير قيمتها بشدة مع زيادة الشوائب في تكوين الزركونيوم.

وبالتالي ، فإن الزيادة في محتوى الأكسجين (حتى 0.4٪) تقلل من مرونة الزركونيوم إلى هذه الحالة التي يصبح من المستحيل تمامًا تزويرها وختمها. تؤدي زيادة تركيبة الهيدروجين إلى 0.001٪ إلى زيادة هشاشة الزركونيوم مرتين تقريبًا.

الزركونيوم مقاوم للماء ومعظم القلويات والأحماض. ولكن ، مثل الخصائص الميكانيكية ، تعتمد مقاومة التآكل بشكل مباشر على تلوث المعادن بعناصر مثل الكربون والتيتانيوم والألمنيوم. لا يدخل المعدن في تفاعل كيميائي مع 50٪ من محاليل الكبريتيك وحمض الهيدروكلوريك. يتفاعل مع حمض النيتريك فقط عند درجات حرارة أعلى من 95 درجة مئوية. إنه المعدن الوحيد المقاوم للقلويات الذي يحتوي على الأمونيا في تركيبته. عندما تصل العلامة إلى 780 درجة مئوية ، يبدأ الامتصاص النشط للأكسجين بواسطة الزركونيوم. مع النيتروجين ، تكون هذه العمليات أبطأ ، ولكن درجة الحرارة أيضًا أقل. فقط 600 درجة مئوية.

الغاز الأكثر نشاطا في هذا الصدد هو الهيدروجين. يبدأ تغلغلها في عمق المعدن بالفعل عند 145 درجة مئوية ويصاحبها إطلاق حرارة غزير يؤدي إلى زيادة حجم الزركونيوم. غبار الزركونيوم قابل للاشتعال بشكل خاص بسبب إمكانية الاشتعال الذاتي في الهواء. وتجدر الإشارة إلى أن هذه العملية قابلة للعكس. تتم الإزالة الكاملة للهيدروجين على معدات خاصة عند درجة حرارة 800 درجة مئوية.

الخصائص الطبية

كعنصر كيميائي ، ليس له أي تأثير على جسم الإنسان. على العكس من ذلك ، فهي واحدة من أكثر المواد الخاملة من الناحية البيولوجية. وفقًا لهذا المؤشر ، يتقدم الزركونيوم على معادن مثل التيتانيوم والفولاذ المقاوم للصدأ. أساور الزركونيوم المعروفة ، التي تم الإعلان عنها بنشاط في أواخر التسعينيات ، لم تظهر نفسها في الممارسة الحقيقية. لقد أثبت الخبراء الطبيون أن الرفاه من استخدامها هو نتيجة لتأثير الدواء الوهمي.

من ناحية أخرى ، من المعروف أن ارتداء أقراط الزركونيوم يساهم في التئام الجرح بشكل أسرع بعد ثقب الأذن.

في عام 1789 ، نشر مارتن هاينريش كلابروث ، عضو أكاديمية برلين للعلوم ، نتائج تحليل أحجار كريمة تم جلبها من ساحل سيلان. خلال هذا التحليل ، تم عزل مادة أطلق عليها كلابروث الزركون الأرض. يتم شرح أصل هذا الاسم بطرق مختلفة. يجد البعض أصوله في الكلمة العربية "زركون" ، والتي تعني معدنًا ، بينما يعتقد البعض الآخر أن كلمة "زركونيوم" تأتي من كلمتين فارسيتين "ملك" - ذهبي و "بندقية" - اللون (بسبب اللون الذهبي للثمين مجموعة متنوعة من الزركون - صفير).

كيف تم الحصول على الزركونيوم والحصول عليه

لم تكن المادة التي عزلها Klaproth عنصرًا جديدًا ، ولكنها كانت عبارة عن أكسيد لعنصر جديد ، والذي احتلته لاحقًا في الجدول D.I. الخلية الأربعون لمندليف. باستخدام الرموز الحديثة ، تتم كتابة صيغة المادة التي حصل عليها Klaproth على النحو التالي: ZrO 2.

بعد 35 عامًا من تجارب Klaproth ، تمكن الكيميائي السويدي الشهير Jens Jakob Berzelius من الحصول على الزركونيوم المعدني. Berzelius يخفض فلوروزركونات البوتاسيوم بمعدن الصوديوم:

K 2 + 4Na → Zr + 2KF + 2NaF

وحصل على معدن فضي رمادي.

كان الزركونيوم المتكون نتيجة لهذا التفاعل هشًا بسبب المحتوى الكبير من الشوائب. لم يصلح المعدن للمعالجة ولا يمكن أن يجد تطبيقًا عمليًا. ولكن يمكن افتراض أن الزركونيوم المنقى ، مثل العديد من المعادن الأخرى ، سيكون من البلاستيك تمامًا.

في القرن التاسع عشر وأوائل القرن العشرين. حاول العديد من العلماء الحصول على الزركونيوم النقي ، لكن كل المحاولات باءت بالفشل لفترة طويلة. لم تساعد طريقة الألمنيوم الحرارية المختبرة ، التجارب التي سعى مؤلفوها للحصول على الزركونيوم المعدني من محاليل أملاحه ، لم تؤد إلى الهدف. يفسر هذا الأخير في المقام الأول من خلال التقارب الكيميائي العالي للزركونيوم للأكسجين.

من أجل الحصول على أي معدن عن طريق التحليل الكهربائي من محلول ملح ، يجب أن يشكل هذا المعدن أيونات أحادية الذرة. لكن الزركونيوم لا يشكل مثل هذه الأيونات. على سبيل المثال ، توجد كبريتات الزركونيوم Zr (SO 4) 2 فقط في حمض الكبريتيك المركز ، وعندما يتم تخفيفها ، تبدأ تفاعلات التحلل المائي والتكوين المعقد. في النهاية اتضح:

Zr (SO 4) 2 + H 2 O → (ZrO) SO 4 + H 2 SO 4.

في محلول مائي ، يتحلل كلوريد الزركونيوم أيضًا:

ZrCl 4 + H 2 O → ZrOCl 2 + 2HCl.

يعتقد بعض الباحثين أنهم تمكنوا من الحصول على الزركونيوم عن طريق التحليل الكهربائي للمحاليل ، لكن تم تضليلهم بظهور المنتجات المترسبة على الأقطاب الكهربائية. في بعض الحالات ، كانت هذه معادن بالفعل ، ولكن ليس الزركونيوم ، ولكن النيكل أو النحاس ، والتي كانت شوائبها موجودة في مواد خام الزركونيوم ؛ في حالات أخرى ، هيدروكسيد الزركونيوم الذي يشبه المعدن.

فقط في العشرينات من القرن الحالي (بعد 100 عام من تلقي Berzelius للعينات الأولى من الزركونيوم!) كانت الطريقة الصناعية الأولى للحصول على هذا المعدن تم تطويرها.

هذه هي طريقة "التعزيز" التي طورها العالمان الهولنديان فان آركيل ودي بوير. يكمن جوهرها في حقيقة أن المركب المتطاير (في هذه الحالة ، الزركونيوم رباعي يوديد ZrI 4) يخضع للتحلل الحراري في فراغ ويتم ترسيب معدن نقي على خيوط التنغستن الساخنة.

وبهذه الطريقة ، تم الحصول على الزركونيوم المعدني ، والذي يمكن معالجته - مزورة ، ودرفلة ، ودرفلة - بنفس سهولة النحاس.

في وقت لاحق ، اكتشف علماء المعادن أن الخصائص البلاستيكية للزركونيوم تعتمد بشكل أساسي على محتواه من الأكسجين. إذا تغلغل أكثر من 0.7٪ من الأكسجين في الزركونيوم المصهور ، فسيكون المعدن هشًا بسبب تكوين المحاليل الصلبة للأكسجين في الزركونيوم ، والتي تختلف خصائصها اختلافًا كبيرًا عن خصائص المعدن النقي.

اكتسبت طريقة البناء بعض الشعبية لأول مرة ، لكن التكلفة العالية للزركونيوم التي تم الحصول عليها بهذه الطريقة حدت بشدة من نطاقها. واتضح أن خصائص الزركونيوم مثيرة للاهتمام. (المزيد عنها أدناه.) هناك حاجة لتطوير طريقة جديدة أرخص للحصول على الزركونيوم. أصبحت طريقة Croll المحسنة مثل هذه الطريقة.

تتيح طريقة Croll الحصول على الزركونيوم بنصف تكلفة طريقة التمديد. يتضمن مخطط هذا الإنتاج مرحلتين رئيسيتين: يتم معالجة ثاني أكسيد الزركونيوم بالكلور ، ويتم تقليل رابع كلوريد الزركونيوم الناتج بواسطة المغنيسيوم المعدني تحت طبقة من المعدن المنصهر. المنتج النهائي ، الإسفنج الزركونيوم ، يتم صهره إلى قضبان وإرساله إلى المستهلك بهذا الشكل.

ثاني أكسيد الزركونيوم

بينما كان العلماء يبحثون عن طريقة للحصول على الزركونيوم المعدني ، بدأ الممارسون بالفعل في استخدام بعض مركباته ، وخاصة الزركونيا. تعتمد خصائص ثاني أكسيد الزركونيوم إلى حد كبير على كيفية الحصول عليه. يتكون ZrO 2 أثناء تكليس بعض أملاح الزركونيوم غير المستقرة حرارياً ، وهو غير قابل للذوبان في الماء. يذوب ثاني أكسيد الكربون المكلس بشكل ضعيف بشكل جيد في الأحماض ، ولكنه يصبح غير قابل للذوبان في الأحماض المعدنية ، ما عدا الهيدروفلوريك ، عندما يتكلس بشدة.

خاصية أخرى مثيرة للاهتمام: الزركونيا شديدة التسخين تشع الضوء بشكل مكثف بحيث يمكن استخدامه في تكنولوجيا الإضاءة. استفاد العالم الألماني المعروف والتر هيرمان نرنست من هذه الخاصية. تم صنع القضبان المتوهجة في مصباح Nernst من ZrO 2. يعمل ثاني أكسيد الزركونيوم المتوهج أحيانًا كمصدر للضوء في التجارب المعملية.

في الصناعة ، كان إنتاج السيليكات والمعادن أول من استخدم ثاني أكسيد الزركونيوم. منذ بداية قرننا ، تم تصنيع حراريات الزركون ، والتي تدوم ثلاث مرات أطول من المعتاد. تسمح الحراريات التي تحتوي على إضافة ZrO 2 بما يصل إلى 1200 صهر للصلب بدون إصلاح الفرن. إنه كثير.

حلت طوب الزركون محل النار (مادة مقاومة للحرارة مستخدمة على نطاق واسع تعتمد على الطين أو الكاولين) في صهر الألومنيوم المعدني ، وإليك السبب. شاموت مخلوط بالألمنيوم ، وتتشكل تراكمات الخبث على سطحه ، والتي يجب تنظيفها بشكل دوري. وطوب الزركون غير مبلل بالألمنيوم المصهور. يسمح هذا للأفران المبطنة بالزركون بالعمل بشكل مستمر لمدة عشرة أشهر.

تستخدم كميات كبيرة من الزركونيا في إنتاج السيراميك والبورسلين والزجاج.

قائمة الصناعات التي تحتاج إلى الزركونيا يمكن أن تطول وتطول. لكن دعونا نرى ما هو معدن الزركونيوم الذي كان مفيدًا ، والذي لم يكن من الممكن الحصول عليه لفترة طويلة.

الزركونيوم والمعادن

كان أول مستهلك للزركونيوم المعدني هو علم المعادن الحديدية. أثبت الزركونيوم أنه مزيل جيد للأكسدة. في عملية إزالة الأكسدة ، فإنه يتفوق حتى على المنغنيز والتيتانيوم. في الوقت نفسه يقلل الزركونيوم من محتوى الغازات والكبريت في الفولاذ ، مما يجعل وجوده أقل قابلية للدكتات.

لا يفقد الفولاذ الممزوج بالزركونيوم الصلابة المطلوبة في نطاق درجات حرارة واسع ، فهو يقاوم أحمال الصدمات بشكل جيد. لذلك يضاف الزركونيوم إلى الفولاذ المستخدم في صناعة الصفائح المدرعة. ربما يأخذ هذا في الاعتبار حقيقة أن إضافات الزركونيوم لها تأثير إيجابي على قوة الفولاذ. إذا انهارت عينة من الفولاذ غير الممزوج بالزركونيوم تحت حمولة تبلغ حوالي 900 كجم ، فإن فولاذ نفس الوصفة ، ولكن مع إضافة 0.1 ٪ فقط من الزركونيوم ، يمكنه تحمل حمولة 1600 كجم.

تستهلك المعادن غير الحديدية أيضًا كميات كبيرة من الزركونيوم. هنا عملها متنوع للغاية. تزيد الإضافات الطفيفة من الزركونيوم من مقاومة الحرارة لسبائك الألومنيوم ، وتصبح سبائك المغنيسيوم متعددة المكونات مع إضافة الزركونيوم أكثر مقاومة للتآكل. يزيد الزركونيوم من مقاومة التيتانيوم لعمل الأحماض. مقاومة التآكل لسبائك التيتانيوم مع 14٪ Zr في 5٪ حمض الهيدروكلوريك عند 100 درجة مئوية هي 70 مرة (!) أكبر من التيتانيوم النقي تجارياً. خلاف ذلك ، يؤثر الزركونيوم على الموليبدينوم. إضافة 5٪ زركونيوم يضاعف من صلابة هذا المعدن المقاوم للحرارة ولكن بالأحرى لينة.

هناك مجالات أخرى لتطبيق الزركونيوم المعدني. جعلت المقاومة العالية للتآكل وقابلية التسرب النسبية من الممكن استخدامها في العديد من الصناعات. المغازل لإنتاج الألياف الاصطناعية ، والتركيبات الساخنة ، والمعدات المختبرية والطبية ، والمحفزات - هذه ليست قائمة كاملة من المنتجات المصنوعة من الزركونيوم المعدني.

ومع ذلك ، لم تكن صناعة المعادن وبناء الآلات هي المستهلكين الرئيسيين لهذا المعدن. كانت كميات هائلة من الزركونيوم مطلوبة للطاقة النووية.

مشكلة الزركونيوم "الصف المفاعل"

لم يدخل الزركونيوم في التكنولوجيا النووية على الفور. لكي يصبح المعدن مفيدًا في هذه الصناعة ، يجب أن يكون له مجموعة معينة من الخصائص. (خاصة إذا ادعت أنها مادة هيكلية في بناء المفاعلات.) وأهم هذه الخصائص هو مقطع عرضي صغير لالتقاط النيوترون الحراري. من حيث المبدأ ، يمكن تعريف هذه الخاصية على أنها قدرة المادة على حبس وامتصاص النيوترونات وبالتالي منع انتشار تفاعل متسلسل.

يتم قياس المقطع العرضي لالتقاط النيوترونات في الحظائر. كلما زادت هذه القيمة ، زاد عدد النيوترونات التي تمتصها المادة ، وكلما زادت منع حدوث تفاعل متسلسل. وبطبيعة الحال ، يتم اختيار المواد ذات الحد الأدنى من المقطع العرضي للالتقاط لمنطقة تفاعل المفاعلات.

بالنسبة للزركونيوم المعدني النقي ، هذه القيمة هي 0.18 حظيرة. العديد من المعادن الأرخص لها مقاطع عرضية من نفس الترتيب: القصدير ، على سبيل المثال ، يحتوي على 0.65 حظيرة ، والألمنيوم يحتوي على 0.22 حظيرة ، والمغنيسيوم يحتوي على 0.06 حظيرة فقط. لكن كل من القصدير والمغنيسيوم والألمنيوم قابل للانصهار وغير مقاوم للحرارة ؛ يذوب الزركونيوم فقط عند 1860 درجة مئوية.

يبدو أن القيد الوحيد كان السعر المرتفع إلى حد ما للعنصر رقم 40 (على الرغم من عدم ادخار المال لهذه الصناعة) ، ولكن نشأ تعقيد آخر.

في قشرة الأرض ، يكون الزركونيوم دائمًا مصحوبًا بالهافنيوم. في خامات الزركونيوم ، على سبيل المثال ، يتراوح محتواها عادة بين 0.5 و 2.0٪. التماثل الكيميائي للزركونيوم (في الجدول الدوري ، الهافنيوم يقف مباشرة تحت الزركونيوم) يلتقط النيوترونات الحرارية بكثافة 500 مرة أكثر من الزركونيوم. حتى الشوائب الصغيرة من الهافنيوم تؤثر بشدة على مسار التفاعل. على سبيل المثال ، تزيد شوائب الهافنيوم بنسبة 1.5٪ من المقطع العرضي لالتقاط الزركونيوم بمعامل 20.

واجهت التقنية مشكلة الفصل التام بين الزركونيوم والهافنيوم. إذا كانت الخصائص الفردية لكلا المعدنين جذابة للغاية ، فإن وجودهما المشترك يجعل المادة غير مناسبة تمامًا للتكنولوجيا النووية.

تبين أن مشكلة فصل الهافنيوم والزركونيوم صعبة للغاية - فخصائصهما الكيميائية متماثلة تقريبًا بسبب التشابه الشديد في بنية الذرات. لفصلهم ، يتم استخدام تنقية معقدة متعددة المراحل: التبادل الأيوني ، الترسيب المتعدد ، الاستخراج.

كل هذه العمليات تزيد من تكلفة الزركونيوم بشكل كبير ، وهي مكلفة بالفعل: معدن الدكتايل (99.7٪ Zr) أغلى بعدة مرات من التركيز. لا تزال مشكلة الفصل الاقتصادي للزركونيوم والهافنيوم بحاجة إلى حل.

ومع ذلك ، أصبح الزركونيوم معدنًا "ذريًا".

هذا ، على وجه الخصوص ، يتجلى من خلال هذه الحقائق. تم تجهيز أول غواصة نووية أمريكية ، نوتيلوس ، بمفاعل الزركونيوم. اتضح لاحقًا أنه من المربح صناعة أغلفة خلايا الوقود من الزركونيوم ، بدلاً من الأجزاء الثابتة في قلب المفاعل.

ومع ذلك ، فإن إنتاج هذا المعدن يتزايد من سنة إلى أخرى ، ومعدل هذا النمو مرتفع بشكل غير عادي. يكفي أن نقول إنه خلال عقد من عام 1949 إلى عام 1959 ، زاد الإنتاج العالمي من الزركونيوم 100 مرة! وفقًا للبيانات الأمريكية ، في عام 1975 بلغ الإنتاج العالمي من الزركونيوم حوالي 3000 طن.

الزركونيوم والهواء والماء

في الفصول السابقة ، لم يُذكر أي شيء تقريبًا عن الخواص الكيميائية للعنصر # 40. السبب الرئيسي في ذلك هو الإحجام عن تكرار العديد من المقالات والدراسات حول العناصر المعدنية. الزركونيوم هو المعدن الأكثر شيوعًا ، وهو ممثل مميز لمجموعته (ومجموعته الفرعية) وفترة وجوده. يتميز بنشاط كيميائي مرتفع إلى حد ما ، والذي يوجد ، مع ذلك ، في شكل كامن.

يجب مناقشة أسباب هذه السرية وعلاقة الزركونيوم بمكونات الماء والهواء بمزيد من التفصيل.

يشبه الزركونيوم المعدني المضغوط إلى حد بعيد الفولاذ. لا يُظهر نشاطه الكيميائي بأي شكل من الأشكال ويتصرف في ظل الظروف العادية بشكل خامل للغاية فيما يتعلق بغازات الغلاف الجوي. يتم شرح السلبية الكيميائية الواضحة للزركونيوم بشكل تقليدي تمامًا: هناك دائمًا فيلم أكسيد غير مرئي على سطحه يحمي المعدن من المزيد من الأكسدة. لأكسدة الزركونيوم بالكامل ، يجب رفع درجة الحرارة إلى 700 درجة مئوية. عندها فقط سيتم تدمير فيلم الأكسيد جزئيًا وتذويبه جزئيًا في المعدن.

لذلك ، 700 درجة مئوية هو الحد الأقصى لدرجة الحرارة التي تنتهي بعدها المقاومة الكيميائية للزركونيوم. لسوء الحظ ، هذا الرقم متفائل للغاية. بالفعل عند 300 درجة مئوية ، يبدأ الزركونيوم في التفاعل بشكل أكثر فاعلية مع الأكسجين والمكونات الأخرى للغلاف الجوي: بخار الماء (مكونًا ثاني أكسيد وهيدريد) ، وثاني أكسيد الكربون (مكونًا كربيد وثاني أكسيد) ، والنيتروجين (منتج التفاعل هو نيتريد الزركونيوم). ولكن في درجات حرارة أقل من 300 درجة مئوية ، يعتبر فيلم الأكسيد درعًا موثوقًا به يضمن المقاومة الكيميائية العالية للزركونيوم.

على عكس الزركونيوم المعدني المضغوط ، فإن مسحوقه ونشارة الخشب يتصرفان في الهواء. هذه مواد قابلة للاشتعال تشتعل بسهولة تلقائيًا في الهواء حتى في درجة حرارة الغرفة. هذا يطلق الكثير من الحرارة. يمكن أن ينفجر غبار الزركونيوم الممزوج بالهواء.

علاقة الزركونيوم بالماء مثيرة للاهتمام. العلامات الواضحة لتفاعل المعدن مع الماء غير مرئية لفترة طويلة. ولكن على سطح الزركونيوم المبلل بالماء ، تحدث عملية غير معتادة تمامًا بالنسبة للمعادن. كما هو معروف ، تخضع العديد من المعادن تحت تأثير الماء للتآكل الجلفاني ، والذي يتكون من انتقال الكاتيونات إلى الماء. يتأكسد الزركونيوم أيضًا تحت تأثير الماء ويتم تغطيته بغشاء واقي لا يذوب في الماء ويمنع المزيد من أكسدة المعدن.

أسهل طريقة لتحويل أيونات الزركونيوم إلى ماء هي إذابة بعض أملاحه. إن السلوك الكيميائي لأيون الزركونيوم رباعي التكافؤ في المحاليل المائية معقد للغاية. يعتمد على العديد من العوامل والعمليات الكيميائية التي تحدث في المحاليل المائية.

من غير المحتمل وجود أيون Zr +4 "في شكل نقي". لفترة طويلة ، كان يعتقد أن الزركونيوم موجود في المحاليل المائية على شكل أيونات الزركونيل ZrO +2. أظهرت الدراسات اللاحقة أنه في الواقع ، بالإضافة إلى أيونات الزركونيل ، تحتوي المحاليل على عدد كبير من أيونات الزركونيوم المعقدة المختلفة ، سواء كانت رطبة ومتحللة. صيغتها المختصرة العامة (4 ص–م)+ .

يفسر هذا السلوك المعقد للزركونيوم في المحلول من خلال النشاط الكيميائي العالي لهذا العنصر. يدخل الزركونيوم التحضيري (المنقى من ZrO 2) في العديد من التفاعلات ، مكونًا مركبات بسيطة ومعقدة. يكمن "سر" النشاط الكيميائي المتزايد للزركونيوم في بنية غلافه الإلكتروني. تُبنى ذرات الزركونيوم بطريقة تميل إلى الارتباط بها بأكبر عدد ممكن من الأيونات الأخرى ؛ إذا لم يكن هناك ما يكفي من هذه الأيونات في المحلول ، فإن أيونات الزركونيوم تتحد مع بعضها البعض وتحدث البلمرة. في هذه الحالة ، يتم فقد النشاط الكيميائي للزركونيوم ؛ تفاعل أيونات الزركونيوم المبلمرة أقل بكثير من تفاعل أيونات الزركونيوم غير المبلمرة. أثناء البلمرة ، ينخفض ​​أيضًا نشاط المحلول ككل.

هذه ، بشكل عام ، "بطاقة الزيارة" لأحد المعادن المهمة في عصرنا - العنصر رقم 40 ، الزركونيوم.

"الماس الناقص"

في العصور الوسطى ، كانت المجوهرات المصنوعة من الماس المزعوم غير كاملة معروفة جيدًا. كان عيبهم يتألف من صلابة أقل من الماس العادي ولعبة ألوان أسوأ إلى حد ما بعد القطع. كان لديهم أيضًا اسم آخر - ماتارا (وفقًا لمكان الاستخراج - ماتاري ، وهي منطقة في جزيرة سيلان). لم يعرف صائغوا المجوهرات في العصور الوسطى أن المعدن الثمين الذي استخدموه كان عبارة عن بلورات مفردة من الزركون ، وهو المعدن الرئيسي للزركونيوم. يأتي الزركون في مجموعة متنوعة من الألوان ، من عديم اللون إلى الأحمر الدموي. الجواهريون يسمون صفير الزركون الأحمر الثمين. الزنابق معروفة منذ وقت طويل جدا. وفقًا للتقاليد الكتابية ، كان رؤساء الكهنة القدامى يرتدون 12 حجرًا كريمًا على صدورهم ، من بينها صفير.

هل هو نادر؟

يتم توزيع الزركونيوم على نطاق واسع في الطبيعة في شكل مركبات كيميائية مختلفة. محتواه في قشرة الأرض مرتفع جدًا - 0.025٪ ، من حيث الانتشار ، فهو يحتل المرتبة الثانية عشرة بين المعادن. على الرغم من ذلك ، فإن الزركونيوم أقل شيوعًا من العديد من المعادن النادرة حقًا. كان هذا بسبب التشتت الشديد للزركونيوم في قشرة الأرض وعدم وجود رواسب كبيرة من مركباته الطبيعية.

مركبات الزركونيوم الطبيعية

أكثر من أربعين معروفة. الزركونيوم موجود فيها على شكل أكاسيد أو أملاح. يعتبر ثاني أكسيد الزركونيوم ، و baddeleyite ZrO 2 ، وسيليكات الزركونيوم ، والزركون ZrSiO 4 ذات أهمية صناعية كبرى. توجد أقوى رواسب الزركون والبادلييت المكتشفة في الولايات المتحدة الأمريكية وأستراليا والبرازيل. الهند وغرب إفريقيا.

لدى الاتحاد السوفياتي احتياطيات كبيرة من المواد الخام الزركون الموجودة في مناطق مختلفة من أوكرانيا وجزر الأورال وسيبيريا.

PbZrO 3 - كهرضغطية

هناك حاجة إلى البلورات البيزوكربالية للعديد من أجهزة الهندسة الراديوية: مثبتات التردد ، ومولدات الاهتزازات فوق الصوتية ، وغيرها. في بعض الأحيان يتعين عليهم العمل في ظروف درجات حرارة مرتفعة. لا تغير بلورات زركونات الرصاص عمليًا خواصها الكهرضغطية عند درجات حرارة تصل إلى 300 درجة مئوية.

الزركونيوم والدماغ

جعلت مقاومة الزركونيوم العالية للتآكل من الممكن استخدامه في جراحة الأعصاب. تُستخدم سبائك الزركونيوم في صناعة مشابك مرقئ ، وأدوات جراحية ، وأحيانًا خيوط للخياطة أثناء عمليات الدماغ.