Cyrkon na stole. Bransoletki z cyrkonu - uzdrawiająca moc metalu

Ten pierwiastek chemiczny, który następnie o masie atomowej 91,224 g / mol, zajął 40. miejsce w tabeli D.I. Mendelejewa, uzyskał szwedzki chemik Jens Jakob Berzelius na początku XIX wieku. Za podstawę przyjęto tlenek ZrO2, który znaleziono w klejnocie przywiezionym przez innego naukowca - Martina Heinricha Klaprotha - z Cejlonu. Efekt na fluorocyrkonian potasu metalicznego sodu okazał się skuteczny:

K2 + 4Na → Zr + 2KF + 2NaF

Efektem eksperymentów była produkcja czystego cyrkonu – błyszczącego, srebrzystobiałego metalu, niezwykle plastycznego, ale jednocześnie dość gęstego. Później okazało się, że Zr doskonale nadaje się do obróbki - na gorąco i na zimno (kucie, walcowanie, tłoczenie), ale prawie całkowicie traci swoje najlepsze właściwości, otrzymując zanieczyszczenia niemetaliczne.

Właściwości fizyczne cyrkonu

Znane są dwie krystaliczne odmiany cyrkonu:

• α-cyrkon - sześciokątna gęsto upakowana siatka (a = 3,228Å; c = 5,120Å)
• β-cyrkon - sześcienna siatka centrowana na ciele (a = 3,61Å)

Uzyskanie formy β z formy α jest możliwe poprzez podgrzanie metalu do temperatury 862°C.

Cyrkon ma następujące właściwości fizyczne:

• gęstość cyrkonu - 6,45 g/cm3 (w normalnych warunkach tj. w temperaturze 20°C)
• temperatura topnienia - 1825°С
• temperatura wrzenia 3580-3700°С
• ciepło właściwe (25-100°С) – 0,291 kJ/(kg·K)
• współczynnik przewodzenia ciepła (50°С) - 20,96 W/(m·K)
• współczynnik temperaturowy rozszerzalności liniowej (20-400°С) – 6,9 · 10-6
• rezystywność elektryczna (20°C) - 44,1 μkcm

Metal zawierający wodór, węgiel, azot lub tlen jako zanieczyszczenia zauważalnie zwiększa swoją kruchość. Czysty cyrkon jest wyposażony w:

• moduł sprężystości (20 ° С) - 97 Gn / m2 (9700 kgf / mm 2)
• wytrzymałość na rozciąganie - 253 MN / m2 (25,3 kgf / mm2)
• Twardość Brinella - 640-670 MN / m2 (64-67 kgf / mm2)

Odporność na korozję cyrkonu

Zabezpieczenie przed korozją to jakość, która w przypadku cyrkonu często stawiana jest na pierwszym miejscu. Pierwiastek ten nie rozpuszcza się w alkaliach, ani w kwasach azotowym ani chlorowodorowym. Jest to doskonały pierwiastek stopowy, który sprawia, że ​​wszelkie wieloskładnikowe stopy magnezu są o rząd wielkości bardziej odporne na korozję.

Oprócz ochrony przed korozją cyrkon może znacznie poprawić inne właściwości stopu: zachować jego wytrzymałość, zwiększyć odporność na uderzenia, aw stopach miedzi zachować przewodność elektryczną na tle znacznego utwardzenia. Zaledwie kilka dziesiątych procenta Zr w stopie magnezu podwaja jego wytrzymałość. Niemal to samo można powiedzieć o stopach aluminium, które w obecności cyrkonu zwiększają swoje właściwości o rząd wielkości.

Cyrkon w metalurgii

Cyrkon jest metalem szeroko stosowanym w metalurgii. Przede wszystkim jest stosowany jako wysoce skuteczny odtleniacz (pod względem tych właściwości Zr okazał się lepszy od tytanu i manganu). Ponadto cyrkon przyczynia się do zachowania ciągliwości stali, jednocześnie nadając im odporność na duże obciążenia udarowe. Wreszcie pierwiastek Zr usuwa gazy i siarkę ze stopu, co oznacza, że ​​przyczynia się do zachowania plastyczności metalu.

Na przykład: stop metalu bez cyrkonu wytrzymuje obciążenie udarowe 900 kg. Dopiero dodatek 0,1% Zr podnosi ją do 1600 kg.

W metalurgii metali nieżelaznych cyrkon działa jako pierwiastek stopowy, a także służy do zwiększania żaroodporności stopów aluminium.

Nasza planeta jest bogata w minerały, w tym metale. Jednym z najczęstszych jest cyrkon. Można go znaleźć w każdym zakątku Ziemi. Czym jest ten metal, jakie ma właściwości i gdzie jest używany?

Właściwości chemiczne

Prosta substancja cyrkon jest elementem bocznej podgrupy IV grupy piątego okresu układu okresowego D. I. Mendelejewa. Przypisano mu liczbę atomową 40, a jego masa atomowa wynosi 91,224. Jest stalowoszarym metalem z żółtawym odcieniem i charakterystycznym połyskiem. Otrzymuje się go przez przetopienie odpadów cyrkonu oraz z koncentratu rudy, ponieważ w skorupie ziemskiej nie występuje w czystej postaci.

naturalnie metaliczny cyrkon rozprowadzane w postaci chemicznych związków naturalnych - ponad 40 soli lub tlenków. Pod koniec XVIII wieku niemiecki naukowiec Klaproth wyizolował tlenek cyrkonu z kamienia hiacyntu. Należy do szlachetnej odmiany tego kamienia. Aż do XX wieku metalu nie można było uzyskać w czystej postaci, ale w latach 20. naukowcy odnieśli sukces.

W swojej oczyszczonej postaci posiada wiele właściwości, które wyróżniają złoto:

• Plastikowy;
• ciągliwy;
• przeciw powstawaniu rdzy;
• odporna na ciepło;
• paramagnetyczny.

Metal nie boi się kontaktu z wodą chlorowaną i morską. Nie traci swoich wysokich właściwości w niskich i wysokich temperaturach. Odporny na amoniak, kwasy i zasady. Stosowany jest głównie jako dodatek do stopów innych metali, co zwiększa jego możliwości produkcyjne i czyni jego właściwości niemal wyjątkowymi. Swoją nazwę zawdzięcza perskiemu słowu „tsargun” (złoty kamień).

Dość często cyrkon pomylić z cyrkonią, który jest krzemianem cyrkonu. Metal może zmienić swój kolor, a kolor może być:

• zielony;
• brązowy;
• czarny;
• żółty;
• czasami czerwony.

Jego kolor zależy od zanieczyszczeń, które składają się na kompozycję. Zanieczyszczenia, które barwią kamień, często obejmują wapń, miedź, żelazo, cynk, uran, stront i tytan. Zawiera również pierwiastki ziem rzadkich.

Będąc w naturze

Złoża rudy cyrkonu są szeroko rozpowszechnione w trzewiach ziemi. Depozyty można zobaczyć w kilku formach w postaci:

• bezpostaciowe tlenki;
• sole;
• pojedyncze kryształy.

W osadach afrykańskich znajdują się kryształy o wadze do 1 kg. Przede wszystkim cyrkon (metal) koncentruje się w Australii, Indiach, Afryce Południowej, Brazylii i Ameryce Północnej. Państwa te posiadają największe rezerwy tego metalu. Rosja posiada prawie 10% światowych zasobów cyrkonu na Syberii i Uralu. Najczęściej w rudzie występuje razem z hafnem, ponieważ jest do niego zbliżony swoimi właściwościami. Każdy z nich ma swoje własne atrakcyjne cechy, ale nie można ich używać w połączeniu. Wieloetapowe oczyszczanie umożliwia oddzielenie tych dwóch pierwiastków, ale taki proces wytwarzania sprawia, że ​​cyrkon jest znacznie droższy.

Znalezione w naturze duża zielona i nieprzezroczysta cyrkonia, ale mogą powodować zwiększone promieniowanie. Takich okazów nie można ciąć, przechowywać w domach i transportować w dużych ilościach. Cyrkon zajmuje 12. miejsce w dystrybucji wśród metali na całym świecie. Mimo to przez długi czas był pierwiastkiem niepopularnym, nawet w porównaniu z rzadkimi pierwiastkami promieniotwórczymi. Wyjaśnia to fakt, że na ziemi jest wiele jego rezerw, ale nie ma tak wielu bardzo dużych rezerw.

Zastosowanie metalicznego cyrkonu

Ze względu na swoje unikalne właściwości i właściwości, element ten może znaleźć zastosowanie w wielu gałęziach przemysłu. Jego stosowany w postaci stopów w różnych dziedzinach współczesnego przemysłu:

• budowa samolotów;
• energia nuklearna;
• rakietowa nauka;
• oprzyrządowanie;
• Odlewnia;
• przemysł wojskowy;
• wyposażenie medyczne.

Ze względu na wysoką stabilność, przewyższającą nawet tytan, stał się bardzo popularny w branży medycznej. Wykorzystywany jest do protetyki i produkcji narzędzi chirurgicznych.

Cyrkon metaliczny od dawna jest używany do tworzenia biżuterii. Jest w stanie przybrać wiele odcieni, ponieważ jest to anodowany metal. Pozwala to jubilerom na ucieleśnienie różnorodnych pomysłów artystycznych w tworzeniu biżuterii. Produkty prezentują się elegancko i pięknie, dlatego są cenione na światowym rynku jubilerskim.

Dzięki wysokiemu stopniowi ochrony przed korozją ten pierwiastek stopowy sprawia, że ​​wieloskładnikowe stopy magnezu są znacznie bardziej odporne na korozję. Poprawia również udarność stopów, zwiększa ich udarność. W stopach z miedzią oprócz wytrzymałości zachowuje przewodnictwo elektryczne. W stopach z aluminium ten unikalny pierwiastek znacząco poprawia ich działanie.

Szeroko stosowany pierwiastek w przemyśle metalurgicznym i działa jako wysoce skuteczny odtleniacz. Ta jakość jest kilkakrotnie wyższa niż manganu i tytanu. Cyrkon poprawia ciągliwość gatunków stali, pomagając im w ten sposób być bardziej odpornymi na obciążenia udarowe. Zwiększa plastyczność poprzez usuwanie siarki i gazów ze stopów. Jest również stosowany jako pierwiastek stopowy w metalurgii metali nieżelaznych oraz do zwiększania pojemności cieplnej stopów aluminium.

Właściwości lecznicze

Ze względu na swoje szczególne właściwości fizyczne i chemiczne cyrkon jest aktywnie wykorzystywany w medycynie. Ze względu na neutralność na działanie środowiska zasadowego, kwaśnego i wodnego oraz amoniaku jest dodawany do kompozycji do produkcji narzędzi medycznych. On stymuluje szybkie gojenie się ran i wykazuje działanie antybakteryjne. Dzięki tym właściwościom w ranach nie tworzy się ropa i nie wnikają w nie infekcje.

Pierwiastek nie jest alergenem, dlatego ułatwia reakcje alergiczne. Nie przenosi promieniowania i jest uważany za doskonały środek antyseptyczny. W medycynie zaczęto go używać do produkcji nici do szycia. Ponieważ metal jest bardzo plastyczny, umożliwia zachowanie struktury kości podczas złamań. Dzięki temu kości rosną razem szybciej.

Jest również aktywnie wykorzystywany w stomatologii i protetyce ortopedycznej. Nie podrażnia tkanek organizmu i jest neutralny w stosunku do każdego środowiska. Wiele rodzajów metali powoduje reakcję alergiczną w jamie ustnej, czego nie można powiedzieć o cyrkonie. Ze względu na swoje właściwości i rzadkie właściwości stał się niezastąpiony w produkcji instrumentów medycznych i implantów.

Występuje w niektórych produktach spożywczych, ale w minimalnych ilościach. Na przykład cyrkon znajduje się w baraninie, płatkach owsianych, ryżu, pistacjach, roślinach strączkowych i innych produktach spożywczych, ale jest go zbyt mało, aby powodować negatywne skutki zdrowotne.

Uważa się, że biżuteria z cyrkonem pozytywnie wpływa na organizm. Jeśli po przekłuciu uszu od razu założysz kolczyki z cyrkonem, rany zagoją się szybciej. Metal dobrze wpływa na stan skóry, dlatego zaleca się noszenie bransoletek i innych produktów na ciele. Działa leczniczo na choroby skóry, artrozę, artretyzm, nadciśnienie. Pomimo takich przejawów oficjalna medycyna nie przedstawiła jeszcze takich dowodów.

Cyrkon (Zr) jest pierwiastkiem o liczbie atomowej 40 i masie atomowej 91,22. Jest pierwiastkiem drugorzędnej podgrupy czwartej grupy, piątego okresu układu okresowego pierwiastków chemicznych Dmitrija Iwanowicza Mendelejewa. Cyrkon w stanie wolnym w normalnych warunkach jest błyszczącym srebrzystobiałym metalem o gęstości 6,45 g/cm3. Czysty, wolny od zanieczyszczeń cyrkon jest bardzo plastyczny i można go łatwo obrabiać na zimno i na gorąco. Podobnie jak wiele innych metali, w tym jego sąsiad z grupy - tytan, cyrkon, zawierający zanieczyszczenia niemetalami (zwłaszcza tlenem), gwałtownie pogarsza swoje właściwości mechaniczne. Na przykład dla niezawodnej pracy reaktora jądrowego konieczne jest, aby takie „niebezpieczne” zanieczyszczenia, jak bor, kadm i inne, były zawarte w materiałach rozszczepialnych w ilościach nieprzekraczających milionowych części procenta. Czysty cyrkon – jeden z najlepszych materiałów konstrukcyjnych do reaktorów jądrowych – staje się zupełnie nieprzydatny do tego celu, jeśli zawiera choćby niewielką domieszkę hafnu, który nie posiada własnych minerałów i zwykle towarzyszy cyrkonowi w naturze.

Nauka zna pięć naturalnych izotopów cyrkonu: 90Zr (51,46%), 91Zr (11,23%), 92Zr (17,11%), 94Zr (17,4%), 96Zr (2,8%). Spośród sztucznie otrzymanych promieniotwórczych izotopów cyrkonu najważniejszy jest 95Zr, którego okres półtrwania wynosi 65 dni. Znalazł zastosowanie jako znacznik izotopowy.

W 1789 roku niemiecki chemik Martin Heinrich Klaproth wyizolował dwutlenek cyrkonu z analizy minerału cyrkonu. Cyrkon w postaci proszku został po raz pierwszy otrzymany znacznie później – w 1824 r. przez Jensa Jakoba Berzeliusa, a plastyczny cyrkon uzyskali dopiero w 1925 r. holenderscy naukowcy A. van Arkel i I. de Boer w wyniku termicznej dysocjacji jodków cyrkonu.

Jedną z najcenniejszych właściwości metalicznego cyrkonu jest jego wysoka odporność na korozję w różnych środowiskach. Na przykład nie rozpuszcza się w kwasach azotowym i solnym oraz w alkaliach. Stopowanie stali z cyrkonem opiera się na tej właściwości metalu nr 40. Dzięki temu wieloskładnikowe stopy magnezu z dodatkiem cyrkonu stają się bardziej odporne na korozję. Cyrkon zwiększa odporność tytanu na działanie kwasów. Ponadto stale stopowe z cyrkonem nie tracą wymaganej ciągliwości w szerokim zakresie temperatur, dobrze wytrzymują obciążenia udarowe. Zwiększa wytrzymałość stali stopowych. Dodatek cyrkonu do miedzi znacznie zwiększa jej wytrzymałość, prawie bez zmniejszania przewodności elektrycznej. Stop na bazie magnezu z dodatkiem kilku procent cynku i zaledwie kilku dziesiątych procent cyrkonu jest dwa razy mocniejszy od czystego magnezu i nie traci wytrzymałości w temperaturze 200°C. Jakość stopów aluminium znacznie poprawia się również, gdy cyrkon jest do nich dodawany.

Cyrkon z trudem wychwytuje wolne (termiczne) neutrony. Właśnie na tej właściwości w połączeniu z wysoką odpornością na korozję i agresywne środowisko, wytrzymałością mechaniczną w podwyższonych temperaturach, ona i oparte na niej stopy są aktywnie wykorzystywane w projektowaniu reaktorów jądrowych.

W produkcji stali dodatki cyrkonu służą do usuwania z niej tlenu, azotu i siarki. Ponadto cyrkon jest stosowany jako składnik stopowy niektórych stali pancernych, stali nierdzewnych i żaroodpornych.

Na tak dobrze znanej właściwości cyrkonu, jak aktywna absorpcja gazów w stanie nagrzanym, jego zastosowanie opiera się na spiekaniu proszków metali, a także w technologii elektropróżniowej. Tak więc w temperaturze 300 ° C cyrkon pochłania wodór, aw temperaturze 400 ° C i powyżej oddziałuje z tlenem i azotem.

Właściwości biologiczne

Cyrkon nie pełni bezpośrednio ważnych ról biologicznych w życiu organizmu człowieka. Nie jest biopierwiastkiem, nie wchodzi w skład materiału strukturalnego komórek – nie jest niezbędnym mikroelementem. Całkiem możliwe, że wynika to ze słabej znajomości wszystkich właściwości tego metalu, ponieważ stopniowo, z roku na rok, cyrkon ujawnia coraz to nowe właściwości związane z wpływem tego pierwiastka na organizm i zdrowie człowieka.

Obecnie w klinikach traumatologii i chirurgii szczękowo-twarzowej do leczenia złamań mnogich kości stosowana jest metoda stabilizatorów (implantów), które precyzyjnie i trwale mocują odłamy kostne całkowicie, z wyłączeniem nawet najmniejszych przesunięć, co przyczynia się do szybkiego zespolenia tkanki kostnej i szybkie gojenie się rany pooperacyjnej.

W światowej praktyce producenci implantów do produkcji płytek i śrub wykorzystują stal nierdzewną i stopy tytanu. W naszym kraju opracowano i opanowano implanty ze stopów cyrkonu gatunków E125 i E110, które nie ustępują najlepszym próbkom zagranicznym. Wręcz przeciwnie, zastosowanie implantów wykonanych ze stopów cyrkonu daje szereg korzyści: wysoką odporność korozyjną materiału; doskonała zgodność biologiczna (brak reakcji alergicznych i odrzutów), dzięki której nie ma konieczności powtórnej interwencji chirurgicznej w celu usunięcia implantów; wysokie właściwości wytrzymałościowe stopów cyrkonu. Stosunkowo niska gęstość stopu umożliwia ułatwienie projektowania implantu; doskonała ciągliwość zapewnia dokładniejsze dopasowanie zagięcia implantu do konturu kości.

Lista narzędzi i implantów do chirurgii szczękowo-twarzowej i neurochirurgii jest bardzo szeroka: ponad dwa tuziny rodzajów płytek i klamer, śruby korowe do mocowania, zaciski hemostatyczne, wiertła, a nawet nici do szycia podczas operacji mózgu!

Pierwiastek nr 40, podobnie jak jego stopy, nie podrażnia otaczających tkanek miękkich i kości, jest doskonale kompatybilny z tkankami biologicznymi, a także wywiera na nie szczególny wpływ. Lekarze stwierdzili, że noszenie kolczyków z cyrkoniami goi ranę płatka ucha po przekłuciu 2-3 dni wcześniej niż w przypadku noszenia złotych kolczyków. Ponadto osoby stale noszące biżuterię wykonaną z cyrkonu lub cyrkonii odnotowały znaczną poprawę ogólnej kondycji jako całości. Eksperymenty dały pozytywne wyniki w leczeniu chorób skóry za pomocą cyrkonowych bransoletek, pasów i płytek: zapalenie skóry, neurodermit, egzema dziecięca, choroby narządu ruchu, kręgosłupa, artretyzm i artroza pochodzenia metabolicznego, złamania kończyn górnych i dolnych i inne choroby. Pozytywny efekt obserwuje się u ponad 90% pacjentów.

Zdrowa połowa badanych nie odczuła żadnych negatywnych skutków noszenia bransoletek, ale zauważyła poprawę ogólnego stanu zdrowia.

Można więc argumentować, że bransoletki z cyrkonu i inna biżuteria wykonana z tego metalu, jego stopów i minerałów nie są panaceum na wszystkie choroby, ale mają pewien leczniczy wpływ na organizm ludzki. W każdym razie nie szkodzi.

Średniowieczni jubilerzy często używali tak zwanych „niedoskonałych diamentów” do tworzenia niepowtarzalnej biżuterii. Te „diamenty” niewiele różniły się od prawdziwych klejnotów – były nieco bardziej miękkie i nieco bardziej mętne, co nie pozwalało oszlifowanemu kamieniowi błyszczeć i migotać jak diament. Kamienie te miały również bardziej szczegółowe nazwy: diamenty Matara – w zależności od miejsca ich wydobycia – obszar Matare (Matturai) na wyspie Sri Lanka. Żargon lub żargon cejloński - Żółte, słomkowożółte i przydymione cyrkonie. Nazywane są również diamentami syjamskimi. Starlite lub starlight - cyrkon o naturalnym błękitnym kolorze lub uzyskany po obróbce cieplno-chemicznej. Hiacynt - przezroczysta miodowo-żółta, czerwono-brązowa, czerwono-brązowa, czerwona, różowa cyrkonia. Kolorem tego kamienia przypomina hiacynt - kwiat wyhodowany, według starożytnego mitu greckiego, przez Apolla z ciała (lub krwi) pięknego młodzieńca Hiacynta, ulubieńca Apolla, który został zabity przez Zefira, boga wiatru.

Oczywiście średniowieczni rzemieślnicy nie wiedzieli, że pracują z minerałem cyrkonu - monokryształami cyrkonu.

Cyrkon ma bardzo mały przekrój poprzeczny wychwytu neutronów termicznych. Dlatego metaliczny cyrkon, który nie zawiera hafnu, i jego stopy są wykorzystywane w energetyce jądrowej do produkcji elementów paliwowych, zespołów paliwowych i innych konstrukcji reaktorów jądrowych. Tak więc reaktor wykonany w całości z cyrkonu został zainstalowany na pierwszym amerykańskim atomowym okręcie podwodnym Nautilus. Później okazało się, że bardziej opłacalne jest wykonywanie okładzin elementów paliwowych (TVEL) z cyrkonu, a nie nieruchomych części rdzenia reaktora.

Dodatki cyrkonu podczas stapiania stali zwiększają właściwości wytrzymałościowe stopu. Tak więc prototypy stali niestopowych z cyrkonem niszczą się pod obciążeniem mniejszym niż tona, stal o tym samym składzie, ale z dodatkiem zaledwie 0,1% cyrkonu, wytrzymuje obciążenie większe niż półtora tony!

Specyfikacje dla cyrkonu o tak zwanej „czystości reaktora” dopuszczają obecność w nim nie więcej niż 0,02% hafnu. Ale nawet takie homeopatyczne dawki odwiecznego towarzysza cyrkonu dość znacząco – sześcioipółkrotnie – zmniejszają neutronową przezroczystość cyrkonu!

Dwutlenek cyrkonu ma bardzo ciekawą właściwość: silnie nagrzany emituje światło na tyle intensywnie, że może być stosowany w technice oświetleniowej. Słynny niemiecki fizyk Walter Hermann Nernst jako pierwszy dowiedział się o tej właściwości dwutlenku cyrkonu. Na podstawie tego niezwykłego zjawiska fizyk zaprojektował lampę, która później otrzymała nazwę „lampa Nernsta”, w której pręty żarowe wykonano z dwutlenku cyrkonu.

Bardzo ciekawe zastosowanie znalazł tetrachlorek cyrkonu. Przewodność elektryczna płytki tej substancji zmienia się w zależności od działającego na nią ciśnienia. Na tej zasadzie opiera się działanie uniwersalnego manometru - urządzenia mierzącego ciśnienie. Przy najmniejszej zmianie ciśnienia zmienia się również natężenie prądu w obwodzie urządzenia, którego skala jest kalibrowana w jednostkach ciśnienia. Takie manometry są niezwykle czułe na zmiany ciśnienia, dzięki czemu można na nich określić ciśnienie od setnych części atmosfery do tysięcy atmosfer!

Płaszcze przeciwdeszczowe swoją hydrofobowość zawdzięczają solom cyrkonu, które wchodzą w skład specjalnej emulsji do impregnacji tkanin. Sole cyrkonu są również wykorzystywane do produkcji kolorowych farb drukarskich, specjalnych lakierów i tworzyw sztucznych. Jako katalizator związki cyrkonu wykorzystywane są do produkcji wysokooktanowych paliw silnikowych. Siarczanowe związki tego pierwiastka słyną z doskonałych właściwości garbnikowych.

Fabuła

W rzeczywistości historia popularności cyrkonu wśród ludzkości jest dość stara - nawet za panowania Rzymu w Judei arcykapłani nosili w swojej biżuterii hiacynt - kryształy cyrkonu - główny minerał cyrkonu. Średniowieczni jubilerzy z różnych krajów często dekorowali swoje wyroby tymi kryształami. Biżuteria z cyrkoniami zyskała szczególną popularność w Indiach w XV-XVI wieku oraz w latach trzydziestych XIX wieku.

Ten minerał zawierający cyrkon był wydobywany na wyspie Cejlon, skąd następnie kupcy eksportowali go w dużych ilościach do wielu krajów. Kryształy te zyskały tak niezwykłą popularność ze względu na ich różnorodną i bardzo piękną barwę: od przezroczystej bezbarwnej i bladożółtobrązowej, przechodzącej w szarozieloną, aż po krwistoczerwoną. To była czerwona cyrkonia, którą jubilerzy nazywali hiacyntem (stara nazwa to peradol), uważając ją za jedną z odmian topazu lub rubinu, podobną do niej składem chemicznym. Dopiero pod koniec XVIII wieku hiacynt otrzymał swoją współczesną nazwę - cyrkon Zr, którą nadał mu mineralog Werner.

To właśnie jedna z tych cyrkonii z Cejlonu wpadła w ręce M. G. Klaprotha, członka berlińskiej Akademii Nauk. W 1789 r. prowadził badania klejnotu własną metodą iw tym samym roku opublikował wyniki analizy. Klaproth uzyskał substancję, którą nazwał „ziemią cyrkonową”. W specjalnym srebrnym tyglu stopił proszek cyrkonu z żrącymi alkaliami, a następnie rozpuścił stop w kwasie siarkowym. Ponadto chemik wyizolował z roztworu kwas krzemowy i żelazo, po czym otrzymał kryształy soli, a z nich tlenek (ta sama ziemia), który nazwał „cyrkonem” (Zirconerde).

Z takim imieniem Klaproth najprawdopodobniej odrzucił następujące perskie koncepcje: „zar” („król”) - złoto i „pistolet” („pistolet”) - kolor, czyli dosłownie - „złoty”. Z poniższych rozważań można się domyślić, że minerał, który znajdował się w rękach chemika, miał złotobrązową barwę. Kolejne założenie co do pochodzenia nazwy opiera się na arabskim słowie „zarkun” – cynober, minerał. Jak widać, słowa są bardzo podobne, co oznacza, że ​​to od ich znaczeń pochodzi nazwa metalu.

W źródłach rosyjskich nazwy są podobne, choć mają niewielkie różnice. Tak więc Scherer (1808) nazwał metal „cyrkonem”, Zacharow (1810) stosuje się do tego samego sformułowania, Dvigubsky (1824) jest bardziej oryginalny - „podstawa cyrkonowej ziemi” lub „cyrkon”, Strachow (1825) nazywa metal "cyrkon".

Tlenek cyrkonu (II) został również wyizolowany przez Gitona de Morovo tylko z hiacyntu znalezionego we Francji.

Cyrkon metaliczny (o bardzo dużej zawartości zanieczyszczeń) po raz pierwszy mógł otrzymać JJ Berzelius w 1824 r. Poprzez redukcję fluorowo-cyrkonianu potasu metalicznym sodem:

K2 + 4Na → Zr + 2KF + 2NaF

Rezultatem był srebrzystoszary metal, który był tak kruchy, że nie nadawał się do obróbki. Powodem tego była wysoka zawartość zanieczyszczeń. W efekcie element ten nie został wykorzystany. Przez długi czas naukowcy z różnych krajów próbowali rozwiązać problem czystości metalu. Dopiero w 1914 roku udało się otrzymać stosunkowo czysty cyrkon, a metal, który można obrabiać (kuć, walcować, walcować) mniej więcej tak samo jak miedź, udało się wyizolować dopiero w 1925 roku holenderskim chemikom van Arkel i de Boer . Odeszli od tradycyjnej i powszechnie stosowanej metody elektrolizy, stosując nową metodę „build-up”, polegającą na tym, że lotny związek (w ich przypadku był to tetrajodek cyrkonu ZrI4) został poddany rozkładowi termicznemu w próżni, a czysty metal został osadzony na gorącym włóknie wolframowym.

Będąc w naturze

Cyrkon jest dość powszechnym pierwiastkiem: jego zawartość w skorupie ziemskiej wynosi 0,025% wagowych. Wśród metali pod względem rozpowszechnienia zajmuje dwunaste miejsce. Jednak cyrkon jest silnie rozproszony i jego znaczne nagromadzenia są rzadkie. Tak więc w głównych skałach jego zawartość nie przekracza 1,3.10-2%; w granitach, glebach piaszczystych i gliniastych pierwiastek ten występuje znacznie częściej – 2,10-2%, ale cyrkon występuje najczęściej w skałach alkalicznych – 5,10-2%, co jest wartością nawet wyższą niż średnia zawartość w skorupie ziemskiej w ogóle . Najczęściej można go znaleźć w postaci różnych związków chemicznych, które z kolei występują w litosferze, ponieważ cyrkon jest pierwiastkiem litofilnym. W naturze jego związki są znane wyłącznie z tlenem w postaci tlenków i krzemianów. Pomimo tego, że cyrkon jest pierwiastkiem śladowym, istnieje około 40 minerałów, w których cyrkon występuje w postaci tlenków lub soli. Ze względu na takie rozproszenie w skałach i brak dużych złóż cyrkon jest używany znacznie mniej niż metale naprawdę rzadkie. Metal ten słabo migruje z wodą – zawartość cyrkonu w wodzie morskiej nie przekracza 0,00005 mg/l. W środowisku biologicznym również nie jest pospolity.

Cyrkon ZrSiO4 występuje głównie w przyrodzie, w której 67,1% ZrO2, baddeleyit ZrO2 i różne złożone minerały: eudialit (Na,Ca)6ZrOH(Si3O9)2(OH,Cl)2 itp.

Cyrkon jest najczęstszym minerałem cyrkonowym, znanym od czasów starożytnych, kiedy nazywano go hiacyntem, azorytem, ​​auerbachitem, engelhardytem i innymi nazwami. Cyrkon to wyspiarski krzemian występujący we wszystkich typach skał, ale najbardziej charakterystyczny dla granitów i sjenitów. Minerał to dobrze uformowane kryształy, których wygląd zmienia się w zależności od warunków powstawania, tak więc w granitach i pegmatytach granitowych występują kryształy o charakterze długopryzmatycznym, aw skałach alkalicznych i metasomatycznych - typu dipyramidalnego. Można również znaleźć „bliźniaki”, „zakrzywione bliźniaki”, narośl promieniście promieniste i przypominające snopy.

Często kryształy są stosunkowo małe (zaledwie kilka milimetrów), ale zdarzają się wyjątki, które ważą dziesiątki, a nawet setki karatów. Kryształy cyrkonu o długości kilku centymetrów znaleziono w hrabstwie Hinderson w Karolinie Północnej. Na Madagaskarze znaleziska ważące kilka kilogramów nie są rzadkością. W Stanach Zjednoczonych Smithsonian Institution przechowuje kilka cyrkonii przywiezionych z wyspy Sri Lanka. Różnią się kolorem i wagą: największa cyrkonia - brązowa waży 118,1 karatów; żółtobrązowy 97,6; żółty 23,5, bezbarwny 23,9. Można tam również zobaczyć duże kryształy z Birmy i Tajlandii. Londyńskie Muzeum Geologiczne, Amerykańskie Muzeum Historii Naturalnej w Nowym Jorku czy Muzeum Kanadyjskie w Toronto mogą pochwalić się bogatymi kolekcjami dużych cyrkonii. Na Uralu wydobywano wiele dużych i bardzo pięknych cyrkonii.

Cyrkonie często zawierają wiele zanieczyszczeń: żelazo, aluminium, metale ziem rzadkich, hafn, beryl, uran i inne. Pod tym względem naukowcy wyróżniają kilka odmian cyrkonu: malakon, citrolit, alvit, arshinovite i wiele innych.

Minerał baddeleyit, w przeciwieństwie do cyrkonu, został odkryty stosunkowo niedawno - w 1892 roku w Brazylii. Znajduje się tam również główne złoże tego minerału, Posos de Caldas. Niektóre znaleziska tego złoża są po prostu niesamowite - jeden z bloków baddeleyitu, wydobyty ze skały, ważył 30 ton! Wzdłuż brzegów rzek i strumieni baddeleyit występuje w postaci otoczaków aluwialnych o średnicy do 7,5 mm, które zawierają ponad 90% dwutlenku cyrkonu. Ze względu na swój wygląd kamyk ten został nazwany przez miejscowych górników „favas”, co po portugalsku oznacza „fasola” (fava).

Aplikacja

Obszary zastosowań cyrkonu i zawierających go minerałów są niezwykle różnorodne, kojarzone są z branżami high-tech i jednocześnie z produkcją najbardziej powszechnych dóbr konsumpcyjnych.

Pierwszym konsumentem cyrkonu była metalurgia - najpierw czarna, potem nieżelazna. Wynika to z szeregu właściwości czterdziestego elementu. Ze względu na duże powinowactwo do tlenu, azotu, siarki i fosforu stop cyrkonu z żelazem i krzemem lub z aluminium i krzemem jest stosowany jako odtleniacz i środek czyszczący do stali.

Cyrkon jest szeroko stosowany jako pierwiastek stopowy, ponieważ dodanie go do innych metali nadaje im szczególne właściwości - żaroodporność, kwasoodporność i wiele innych. Oprócz nowo nabytych właściwości, stopy cyrkonu zwiększają swoją wytrzymałość mechaniczną, co pozwala wydłużyć ich żywotność i poszerzyć możliwości wykorzystania ich w różnych dziedzinach. Warto podać kilka przykładów takich stopów i obszarów ich zastosowania.

Żelazocyrkon (stop cyrkonu z żelazem), zawierający do 20% Zr, jest stosowany w hutnictwie jako odtleniacz i odgazowywacz stali. Chemicy i metalurdzy stwierdzili, że dodatek cyrkonu do stopów żelaza ma taki sam efekt, jak wprowadzenie do nich krzemu: poprawia się jakość stali nierdzewnych i żaroodpornych, zwiększa się wytrzymałość mechaniczna i spawalność stali.

Innym stopem cyrkonu szeroko stosowanym w metalurgii żelaza, obok żelazocyrkonu, jest stop z krzemem. Stop ten służy do odgazowywania stali, ponieważ cyrkon jest energetycznym dodatkiem odtleniającym i uszlachetniającym, jego wprowadzenie szybko redukuje tlenki metali i usuwa azot.

Stopy miedzi i cyrkonu są wykorzystywane do produkcji przewodzących części urządzeń elektrycznych, które nagrzewają się podczas pracy. Wprowadzenie cyrkonu praktycznie nie ma wpływu na wysoką przewodność elektryczną miedzi, ale znacznie zwiększa wytrzymałość i odporność cieplną stopu.

Stopy magnezu z cyrkonem mają dobre właściwości mechaniczne i fizyczne i są uważane za najbardziej odpowiednie do celów konstrukcyjnych.

Stopy aluminium z cyrkonem (do 3% Zr) są odporne na korozję, stosowane są w siatkach katodowych lamp próżniowych.

Cyrkon, oczyszczony z hafnu, zyskał największe znaczenie jako materiał konstrukcyjny w reaktorach jądrowych. Wysoka odporność na korozję w połączeniu z wytrzymałością mechaniczną, wysoką temperaturą topnienia i niskim efektywnym przekrojem absorpcji neutronów termicznych umożliwiły ostatnio szerokie zastosowanie cyrkonu do powlekania elementów paliwowych (TVEL).

Niski i jednolity współczynnik rozszerzalności cieplnej, wysoka odporność na korozję, a także wysoka wytrzymałość mechaniczna i odporność chemiczna sprawiły, że cyrkon został wykorzystany do produkcji wysokiej jakości sprzętu chemicznego, sprzętu medycznego, implantów i nici dla neurochirurgii.

Izolatory w urządzeniach wysokiej częstotliwości wykonane z materiałów zawierających cyrkon znacznie zmniejszają straty energii.

Sproszkowany cyrkon jest używany przede wszystkim do produkcji flar, detonatorów, zapalników pocisków i zdalnie sterowanych bomb.

Jednak nadal większość wydobywanych surowców cyrkonowych (około 90%) wykorzystywana jest w postaci mineralnej w postaci cyrkonu, który zawiera do 66% dwutlenku cyrkonu (ZrO2). Ze względu na swoje właściwości – wysoką temperaturę topnienia (powyżej 2700°C), niski współczynnik rozszerzalności cieplnej oraz odporność na agresję chemiczną – ZrO2 znalazł szerokie zastosowanie w wielu różnych dziedzinach. Znajduje szerokie zastosowanie w produkcji powłok termoochronnych, wyrobów wysokoogniotrwałych, elektrolitów stałych, emalii żaroodpornych, szkieł ogniotrwałych, różnego rodzaju ceramiki, pigmentów ceramicznych, katalizatorów, narzędzi skrawających i materiałów ściernych, sztucznych kamieni szlachetnych. W ostatniej dekadzie, wraz z szybkim rozwojem elektroniki i techniki komputerowej oraz różnych środków komunikacji, dwutlenek cyrkonu zaczął być szeroko stosowany w światłowodach i produkcji ceramiki stosowanej w elektronice.

Ze względu na dużą twardość węglik cyrkonu ZrC jest stosowany jako materiał ścierny, a także jako zamiennik diamentów przy cięciu szkła.

Produkcja

Głównym źródłem surowca do przemysłowej produkcji metalicznego cyrkonu jest minerał cyrkon ZrSiO4.

Główne metody otrzymywania metalicznego cyrkonu można podzielić na trzy grupy: 1) metody odzysku; 2) metody dysocjacji termicznej oraz 3) metody elektrolityczne.

Przede wszystkim rudy cyrkonu przechodzą przez etap wzbogacania, do którego stosowana jest metoda grawitacyjna z oczyszczaniem koncentratu metodą separacji elektrostatycznej i magnetycznej. Cyrkon metaliczny powstaje z jego związków, które otrzymuje się w wyniku rozkładu koncentratu. W takim przypadku możliwe są następujące opcje:

a) spiekanie wapnem lub węglanem wapnia z dodatkiem CaCl2 w temperaturach powyżej 1100°C:

ZrSiO4 + ZCaO = CaZrO3 + Ca2SiO4

b) spiekanie z sodą w temperaturze powyżej 1000°C lub stapianie z sodą kaustyczną (temperatura musi być powyżej 500°C):

ZrSiO4 + 2Na2CO3 = Na2ZrO3 + Na2SiO3 + 2CO2

Ze stopu lub spieku wytworzonego przez otwarcie alkaliczne najpierw usuwa się związki krzemu przez ługowanie wodą lub rozcieńczonym kwasem solnym, po czym pozostałość rozkłada się kwasem solnym lub siarkowym. Rezultatem jest odpowiednio tlenochlorek i siarczany.

c) spiekanie z fluorokrzemianem potasu w temperaturach bliskich 1000°C:

ZrSiO4 + K2SiF6 = K2ZrF6 + 2SiO2

Otrzymany placek fluorocyrkonianu ogrzewa się i przemywa zakwaszoną wodą, fluorocyrkonian potasu przechodzi do wody, a po ochłodzeniu roztworu uwalnia się większość (75-90%).

d) chlorowanie węglem w temperaturze około 1000°C, przy czym możliwa jest wstępna karbidyzacja w temperaturze od 1700 do 1800°C, mająca na celu usunięcie większości krzemu w postaci silnie lotnego tlenku (SiO). Rezultatem jest chlorek cyrkonu ZrCl4, który ulega sublimacji i wzmocnieniu.

Związki cyrkonu są izolowane z otrzymanych kwaśnych roztworów następującymi metodami:

a) hydrolityczne wytrącanie zasadowych siarczanów cyrkonu xZrO2.ySO3 ··H2O z roztworów kwasu siarkowego lub chlorowodorowego;

b) krystalizacja tlenochlorku cyrkonu ZrOCl2 · 8H2O podczas odparowywania roztworów kwasu solnego;

c) krystalizacja siarczanu cyrkonu Zr(SO4)2 przez dodanie stężonego kwasu siarkowego lub przez odparowanie roztworów kwasu siarkowego. W wyniku kalcynacji siarczanów i chlorków otrzymuje się ZrO2.

Wszystkie związki cyrkonu otrzymywane z koncentratów zawsze zawierają hafn. Oczyszczanie z niego cyrkonu jest dość pracochłonnym i kosztownym procesem. Cyrkon jest oddzielany od swojego stałego towarzysza przez krystalizację frakcyjną K2ZrF6, ekstrakcję z kwaśnych roztworów rozpuszczalnikami organicznymi (np. fosforanem tributylu), metodą wymiany jonowej i selektywną redukcją tetrachlorków (ZrCl4 i HfCl4).

Istnieje metoda „budowania” opracowana przez holenderskich naukowców van Arkela i de Boera. Polega ona na tym, że lotny związek (tetrajodek cyrkonu ZrI4) ulega rozkładowi termicznemu w próżni i na gorącym włóknie wolframowym osadza się czysty metal. W latach dwudziestych ubiegłego wieku metoda ta była szeroko stosowana, jednak wysoki koszt cyrkonu uzyskiwanego tą metodą poważnie ograniczał jej zakres. W związku z tym zaistniała potrzeba opracowania nowej, tańszej metody otrzymywania cyrkonu. W ten sposób powstała ulepszona metoda Króla. Schemat tej produkcji obejmuje dwa główne etapy: dwutlenek cyrkonu jest chlorowany, a powstały tetrachlorek cyrkonu jest redukowany metalicznym magnezem pod warstwą stopionego metalu. Produkt końcowy, gąbka cyrkonowa, jest topiony w pręty iw tej postaci wysyłany do konsumenta.

Właściwości fizyczne

Jak wiemy, cyrkon w postaci wolnej metalicznej został wyizolowany dawno temu - w 1824 roku przez szwedzkiego chemika Jensa Berzeliusa. Przez wiele dziesięcioleci nie było możliwe uzyskanie pierwiastka o wysokim stopniu czystości, dlatego nie było możliwości zbadania właściwości fizycznych tego metalu. Dopiero w połowie XX wieku naukowcom udało się uzyskać cyrkon wolny od zanieczyszczeń. Okazało się, że w cyrkonie, czasami w bardzo dużych ilościach, występuje hafn – stały towarzysz tego metalu, którego wcześniej nie zauważano ze względu na podobne do cyrkonu właściwości chemiczne.

Czysty cyrkon ma wygląd typowego metalu - olśniewający srebrno-szary kolor, przypominający stal, ale różniący się od niej większą wytrzymałością i plastycznością. Co więcej, ta ostatnia jakość, jak zauważają metalurdzy, zależy bezpośrednio od ilości tlenu zawartego w cyrkonie. Tak więc, jeśli więcej niż 0,7% tlenu dostanie się do stopionego ciekłego cyrkonu, wówczas metal będzie kruchy z powodu tworzenia się stałych roztworów tlenu w cyrkonie, których właściwości znacznie różnią się od właściwości czystego metalu. Ten sam efekt wywierają zanieczyszczenia azotem, węglem i wodorem. Gęstość czystego cyrkonu w temperaturze 20°C wynosi 6,45 g/cm3, twardość Brinella to 640-670 Mn/m2 lub 64-67 kgf/mm2. Duży wpływ na twardość ma obecność zanieczyszczeń (zwłaszcza tlenu), które zwiększają twardość cyrkonu, zmniejszając jego kruchość. Zatem przy zawartości tlenu większej niż 0,2% cyrkon nie nadaje się do obróbki plastycznej na zimno pod ciśnieniem. Wytrzymałość cyrkonu na rozciąganie wynosi 253 MN/m2 lub 25,3 kgf/mm2, a moduł sprężystości w temperaturze 20°C = 97 Gn/m2 lub 9700 kgf/mm2.

Cyrkon jest metalem o wysokich temperaturach: temperatura topnienia (tmelt) cyrkonu o wysokiej czystości wynosi 1845°C, temperatura wrzenia (twrzenia) wynosi 3580-3700°C. Dwutlenek cyrkonu ZrO2 jest jedną z najbardziej ogniotrwałych substancji w przyrodzie. Topi się w temperaturze 2680°C! Takie właściwości metalu i jego dwutlenku determinowały ich zastosowanie w metalurgii: stopowanie stali żaroodpornych i żaroodpornych z cyrkonem, zastosowanie ZrO2 w produkcji materiałów ogniotrwałych.

Do powyższych charakterystyk cieplnych cyrkonu należy dodać: ciepło właściwe w zakresie temperatur 25-100°C = 0,291 kJ/(kg∙K) lub 0,0693 cal/(g∙°C); współczynnik przewodności cieplnej przy 50 ° С = 20,96 W / (m ∙ K) lub 0,050 cal / (cm s ∙ ° С); współczynnik temperaturowy rozszerzalności liniowej w temperaturach 20-400 ° С = 6,9∙10-6. Temperatura przejścia w stan nadprzewodnictwa wynosi 0,7 K.

Cyrkon metaliczny charakteryzuje się dwiema modyfikacjami alotropowymi: modyfikacją α, która ma strukturę heksagonalną i jest stabilna w temperaturach poniżej 863°C, oraz modyfikacją β, która ma siatkę przestrzennie wyśrodkowanego sześcianu i jest stabilna w temperaturach powyżej 863 ° C. Zatem przejście modyfikacji α w modyfikację β następuje w tej granicznej temperaturze 863 ° C. Ponadto dodatek glinu, ołowiu, cyny i kadmu zwiększa temperaturę przejścia z jednego stanu w drugi, oraz dodatek żelaza, chromu, niklu, molibdenu, miedzi, tytanu i niektórych innych metali - niższy.

Oporność elektryczna cyrkonu o wysokiej czystości w temperaturze 20°C = 44,1 mikroom∙cm. Cyrkon jest paramagnetykiem, jego specyficzna podatność magnetyczna wzrasta, gdy metal jest podgrzewany. Tak więc w temperaturze -73 ° C specyficzna podatność magnetyczna cyrkonu wynosi 1,28 ° C, a w temperaturze 327 ° C - 1,41 ° C.

Najcenniejszą właściwością czystego cyrkonu jest jego mały przekrój poprzeczny wychwytu neutronów termicznych (0,18 barna). To znacznie mniej niż innych metali – żelaza (2,53 barna), niklu (4,60 barna) czy miedzi (3,69 barna). Chociaż wiele tańszych metali ma przekrój poprzeczny wychwytywania tego samego rzędu: 0,65 bara dla cyny, 0,22 bara dla aluminium, a jeszcze mniej dla magnezu - tylko 0,06 bara. Jednak wszystkie wymienione metale są topliwe i nie są odporne na ciepło, w przeciwieństwie do cyrkonu. Dlatego właśnie ten metal jest wykorzystywany jako materiał konstrukcyjny przy budowie reaktorów.

Właściwości chemiczne

Jedną z najbardziej niezwykłych właściwości cyrkonu jest jego wysoka odporność korozyjna na wiele agresywnych mediów. Pod względem odporności na korozję cyrkon przewyższa tak odporne metale jak niob i tytan. W normalnych warunkach cyrkon jest obojętny w stosunku do gazów atmosferycznych i wody oraz nie reaguje z kwasami solnym i siarkowym (stężenie do 50%). Podczas eksperymentów stwierdzono, że stal nierdzewna traci około 2,6 milimetra rocznie w pięcioprocentowym kwasie solnym w temperaturze 60 ° C, tytan - około 1 milimetra, a cyrkon - 1000 razy mniej. Cyrkon ma największą odporność na alkalia, jest jedynym metalem odpornym na alkalia zawierające amoniak. Pod względem odporności na agresywne media cyrkon ustępuje nawet tantalowi - jednemu z najpotężniejszych bojowników przeciwko korozji.

Taką odporność można łatwo wytłumaczyć właściwościami chemicznymi cyrkonu, a raczej tworzeniem się na jego powierzchni ochronnej warstwy tlenku, która chroni metal przed dalszym niszczeniem. Aby całkowicie utlenić cyrkon, konieczne będzie podgrzanie go do 700°C, dopiero wtedy warstwa zostanie częściowo zniszczona, częściowo rozpuszczona w metalu. Okazuje się, że to właśnie temperatura 700 ° C jest granicą, powyżej której kończy się odporność chemiczna pierwiastka numer 40. Ale nawet przed tą granicą cyrkon po podgrzaniu do 300 ° C i więcej zaczyna reagować bardziej aktywnie z tlenem i innymi składnikami atmosfery. W efekcie z parą wodną tworzą się dwutlenek i wodorek, z dwutlenkiem węgla – węglik i dwutlenek, z azotem – azotek cyrkonu. Do tej samej temperatury cyrkon jest niezawodnie chroniony warstwą tlenku, co gwarantuje wysoką odporność chemiczną cyrkonu.

A jednak cyrkon oddziałuje z kwasami, dzieje się tak, jeśli możliwe jest tworzenie kompleksów anionowych. Tak więc w temperaturach powyżej 100°C wchodzi w interakcję z mieszaniną kwasów azotowego i fluorowodorowego oraz wody królewskiej:

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

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

Rozpuszcza się w fluorowodorowym i gorącym stężonym (powyżej 50%) kwasie siarkowym:

Zr + 6HF = H2 + 2H2

Cyrkon w postaci wiórów lub proszku zachowuje się zupełnie inaczej w powietrzu. W przeciwieństwie do zwartego metalicznego cyrkonu te piromorficzne substancje łatwo zapalają się samorzutnie w powietrzu już w temperaturze pokojowej. Taki proces jest egzotermiczny i zachodzi przy dużym uwalnianiu ciepła. Cyrkon w postaci pyłu w mieszaninie z powietrzem może eksplodować.

Interakcja cyrkonu z wodą jest również niezwykła. Większość metali w kontakcie z wodą ulega korozji galwanicznej, która polega na przejściu ich kationów do wody. Cyrkon, podobnie jak w reakcji z tlenem, oddziałując z wodą, jest pokryty nierozpuszczalnym filmem ochronnym. Dzięki właściwościom warstwy ochronnej cyrkon jest chroniony przed korozją wodną.

Po podgrzaniu cyrkon zaczyna wchodzić w interakcje z gazami. Tak więc w temperaturach powyżej 800 ° C zwarty cyrkon zaczyna aktywnie absorbować tlen:

Cyrkon zaczyna wchodzić w interakcję z azotem w temperaturze 700-800°C z utworzeniem azotku: ZrN.

Powyżej 300°C cyrkon zaczyna absorbować wodór, tworząc stały roztwór i wodorki ZrH i ZrH2. W temperaturze 1200-1300°C w próżni wodorki dysocjują i cały wodór może zostać usunięty z metalu.

Po podgrzaniu cyrkon zaczyna również reagować z niemetalami. W temperaturach powyżej 900 ° C zachodzi interakcja z węglem z utworzeniem węglika ZrC. Cyrkon reaguje z chlorem, jodem i bromem już w temperaturze 200°C, tworząc wyższe halogenki ZrX4 (gdzie X oznacza halogen). Interakcja z fluorem zachodzi w zwykłej temperaturze.

Czterdziesty pierwiastek układu okresowego został odkryty w 1783 roku przez chemika niemieckiego pochodzenia M.G. Klaprotom. Cyrkon metaliczny oczyszczony z zanieczyszczeń uzyskano dopiero na początku XX wieku. I choć od tego momentu minęło prawie 100 lat, metal nadal budzi szereg niejasności, począwszy od pochodzenia jego nazwy, a skończywszy na wpływie na zdrowie człowieka. Dlaczego cena 1 grama rośnie od kilkudziesięciu lat.

Będąc w naturze

Cyrkon występuje naturalnie tylko w postaci tlenków i krzemianów. Wśród nich wyróżnia się głównie cyrkon, eudialit, baddeleyit. Warto zauważyć, że metalowi w złożach zawsze towarzyszy hafn. Dzieje się tak z powodu podobnej sieci krystalicznej metali.

Główny udział minerałów cyrkonu znajduje się w litosferze. Jedna tona skorupy ziemskiej stanowi średnio 210 gramów cyrkonu. Związki cyrkonu znajdują się również w wodzie morskiej. Ale jego stężenie jest tutaj znacznie niższe i wynosi 0,05 mg na 1000 litrów.

Liderami pod względem liczby złóż cyrkonu są Australia (cyrkon), RPA (baddeleyit), nieco mniej niż USA, Brazylia i Indie. Na Rosję przypada 10% światowych rezerw.

Paragon

Początkowo cyrkon izolowano z tlenków metodą „hodowli”. Pasek cyrkonu osadzono na gorących włóknach wolframowych. Pod wpływem temperatur powyżej 2000 ºС cyrkon metaliczny przykleił się do powierzchni grzejnika, a pozostałe składniki mieszanki wypaliły się.

Ta metoda wymagała dużej ilości energii elektrycznej i wkrótce opracowano bardziej ekonomiczną metodę Croll. Jego istota polega na wstępnym chlorowaniu dwutlenku cyrkonu, a następnie redukcji magnezu. Ale rozwój metod otrzymywania cyrkonu nie zakończył się na tym. Jakiś czas później w przemyśle zaczęto stosować jeszcze tańszą alkaliczną i fluorkową redukcję cyrkonu z tlenków.

Skład cyrkonu e110

Jodek cyrkonu

Wysoce ciągliwy i o niskiej charakterystyce wytrzymałościowej. Otrzymywany jest metodą jodkową opartą na zdolności metalu do tworzenia związków z jodem. Jednocześnie łatwo oddziela się szkodliwe zanieczyszczenia i uzyskuje się czysty metal. Pręty wykonane są z jodku cyrkonu.

Cena

Głównymi dostawcami cyrkonu na rynek światowy są Australia i RPA. W ostatnim czasie przewaga w eksporcie cyrkonu i minerałów cyrkonowych coraz bardziej skłania się ku Republice Południowej Afryki. Głównymi odbiorcami są Unia Europejska (Włochy, Francja, Niemcy), Chiny i Japonia. Cyrkon jest sprzedawany głównie w postaci żelazostopów.

W ciągu ostatnich 10 lat popyt na cyrkon metaliczny wzrastał średnio o 5,2% rocznie. Zdolności produkcyjne w tym czasie zdołały wzrosnąć o nieco ponad 2%. W efekcie na rynku światowym tworzył się ciągły niedobór cyrkonu, co było warunkiem koniecznym do wzrostu jego wartości.

Istnieją 2 główne przyczyny wzrostu popytu na ten metal:

• Globalne zwiększanie skali przemysłu jądrowego.
• Aktywne wykorzystanie cyrkonu w produkcji ceramiki.

Niektórzy eksperci uważają również, że zaprzestanie wydobycia baddeleyitu w Australii częściowo wpłynęło na wzrost notowań cyrkonu.

Na rosyjskim rynku wtórnym metali koszt cyrkonu waha się od 450 do 7500 rubli za kilogram. Im czystszy metal, tym wyższa cena.

Aplikacja

Powyższe właściwości zapewniają cyrkonowi szerokie zastosowanie w różnych gałęziach przemysłu. Oto następujące obszary:

• W elektrotechnice jako nadprzewodnik stosuje się stop cyrkonu z niobem. Wytrzymuje obciążenia do 100 kA\cm2. Punkt przejścia do reżimu nadprzewodzącego wynosi 4,2 K. Również w urządzeniach radiowych płytki elektroniczne są powlekane cyrkonem w celu pochłaniania gazów odgazowujących. Filtry tlenku cyrkonu do lamp rentgenowskich charakteryzują się wysoką wartością monochromatyczną.
• W energetyce jądrowej jest stosowany jako materiał na płaszcze prętów paliwowych (strefy, w których bezpośrednio przeprowadza się rozszczepienie jądrowe i wytwarzanie ciepła) oraz inne elementy reaktora termojądrowego.
• Metalurgia wykorzystuje cyrkon jako pierwiastek stopowy. Ten metal jest silnym odtleniaczem, przewyższającym zarówno mangan, jak i krzem pod tym wskaźnikiem. Dodatek zaledwie 0,5% cyrkonu do metali konstrukcyjnych (stal 45, 30KhGSA) zwiększa ich wytrzymałość 1,5-1,8 razy. To dodatkowo poprawia płynność procesu cięcia. Cyrkon jest głównym składnikiem ceramiki korundowej. W porównaniu z szamotem jego żywotność jest 3-4 razy dłuższa. Ten materiał ogniotrwały jest używany do produkcji tygli i koryt pieców stalowych.
• W inżynierii mechanicznej metal jest używany jako materiał na produkty takie jak pompy i łączniki rurowe pracujące w agresywnym środowisku.
• W pirotechnice metale cyrkonowe są używane do wykonywania salutów i fajerwerków. Dzieje się tak z powodu braku dymu podczas spalania, a także uwolnienia znacznej ilości energii świetlnej.
• W przemyśle chemicznym cyrkon jest wykorzystywany jako surowiec do cermetu - powłoki ceramiczno-metalowej o zwiększonej odporności na zużycie i działanie kwasów.
• W optyce aktywnie wykorzystywany jest fianit - przetworzony cyrkon z dodatkiem skandu i innych metali ziem rzadkich. Fianity posiadają znaczny kąt załamania, co pozwala na wykorzystanie ich jako materiału do produkcji soczewek. W biżuterii cyrkonia jest znana jako syntetyczny substytut diamentu.
• W przemyśle wojskowym cyrkon służy jako wypełniacz do pocisków smugowych i flar.

Fizyczne i chemiczne właściwości

Cyrkon to metal, który wygląda jak srebro. Jego gęstość wynosi 6506 kg / m3. Temperatura topnienia - 1855,3 ºС. Ciepło właściwe waha się w granicach 0,3 KJ / kg C. Ten metal nie ma wysokiej przewodności cieplnej. Jego wartość kształtuje się na poziomie 21 W/m C, czyli 1,9 razy mniej niż tytanu. Opór elektryczny cyrkonu wynosi 41-60 μOhm cm i jest bezpośrednio zależny od ilości tlenu i azotu w metalu.

Cyrkon ma jeden z najniższych wskaźników poprzecznego wychwytu neutronów termicznych (0,181 barna). Zgodnie z tym parametrem spośród obecnie znanych metali omija go tylko magnez (0,060 barn).

Cyrkon, podobnie jak żelazo, jest paramagnetykiem. Jego podatność na działanie pola magnetycznego wzrasta wraz ze wzrostem temperatury.

Czysty cyrkon nie ma wysokich właściwości mechanicznych. Jego twardość wynosi około 70 jednostek w skali Vickersa. Wytrzymałość na rozciąganie wynosi 175 MPa, czyli prawie 2,5 razy mniej niż zwykłej jakości stali węglowej. Granica plastyczności 55 MPa. Cyrkon jest jednym z metali plastycznych o module sprężystości 96 MPa.

Wszystkie powyższe właściwości mechaniczne są warunkowe, ponieważ. ich wartość zmienia się silnie wraz ze wzrostem zanieczyszczeń w składzie cyrkonu.

Tym samym wzrost zawartości tlenu (do 0,4%) zmniejsza plastyczność cyrkonu do takiego stanu, że kucie i tłoczenie staje się całkowicie niemożliwe. Wzrost składu wodoru do 0,001% zwiększa kruchość cyrkonu prawie 2-krotnie.

Cyrkon jest odporny na wodę oraz większość zasad i kwasów. Ale podobnie jak właściwości mechaniczne, odporność na korozję jest bezpośrednio zależna od zanieczyszczenia metalu pierwiastkami takimi jak węgiel, tytan i aluminium. Metal nie wchodzi w reakcję chemiczną z 50% roztworami kwasu siarkowego i solnego. Reaguje z kwasem azotowym tylko w temperaturach powyżej 95 ºС. Jest to jedyny metal odporny na alkalia, który ma w swoim składzie amoniak. Gdy znak osiągnie 780 ºС, rozpoczyna się aktywna absorpcja tlenu przez cyrkon. W przypadku azotu procesy te są wolniejsze, ale temperatura jest również niższa. Tylko 600ºС.

Najbardziej aktywnym gazem pod tym względem jest wodór. Jego wnikanie w głąb metalu zaczyna się już przy 145 ºС i towarzyszy mu tak obfite wydzielanie ciepła, że ​​zwiększa się objętość cyrkonu. Pył cyrkonu jest szczególnie łatwopalny ze względu na możliwość samozapłonu w powietrzu. Należy zauważyć, że proces ten jest odwracalny. Całkowite usunięcie wodoru odbywa się na specjalnym sprzęcie w temperaturze 800 ºС.

Właściwości lecznicze

Jako pierwiastek chemiczny nie ma żadnego wpływu na organizm ludzki. Wręcz przeciwnie, jest to jeden z najbardziej obojętnych biologicznie materiałów. Według tego wskaźnika cyrkon wyprzedza takie metale jak tytan i stal nierdzewna. Znane bransoletki z cyrkonu, aktywnie reklamowane pod koniec lat 90., nie sprawdziły się w praktyce. Eksperci medyczni udowodnili, że dobre samopoczucie wynikające z ich stosowania jest konsekwencją efektu placebo.

Chociaż z drugiej strony wiadomo, że noszenie kolczyków z cyrkonu przyczynia się do szybszego gojenia się rany po przekłuciu uszu.

W 1789 r. Martin Heinrich Klaproth, członek berlińskiej Akademii Nauk, opublikował wyniki analizy drogocennego kamienia przywiezionego z wybrzeży Cejlonu. Podczas tej analizy wyodrębniono substancję, którą Klaproth nazwał ziemią cyrkonową. Pochodzenie tej nazwy wyjaśnia się na różne sposoby. Niektórzy wywodzą się z arabskiego słowa „zarkun”, które oznacza minerał, inni uważają, że słowo „cyrkon” pochodzi od dwóch perskich słów „król” – złoto i „pistolet” – kolor (ze względu na złocisty kolor drogocennego odmiana cyrkonu - hiacynt).

Jak uzyskano i uzyskano cyrkon

Substancja wyodrębniona przez Klaprotha nie była nowym pierwiastkiem, ale była tlenkiem nowego pierwiastka, który następnie zajął w tabeli D.I. Czterdziesta cela Mendelejewa. Używając nowoczesnych symboli, formuła substancji uzyskanej przez Klaprotha jest zapisana w następujący sposób: ZrO 2.

35 lat po eksperymentach Klaprotha słynnemu szwedzkiemu chemikowi Jensowi Jakobowi Berzeliusowi udało się otrzymać metaliczny cyrkon. Berzelius zredukowany fluorocyrkonian potasu sodem metalicznym:

K2 + 4Na → Zr + 2KF + 2NaF

i otrzymał srebrnoszary metal.

Powstały w wyniku tej reakcji cyrkon był kruchy ze względu na znaczną zawartość zanieczyszczeń. Metal nie nadawał się do obróbki i nie mógł znaleźć praktycznego zastosowania. Można jednak założyć, że oczyszczony cyrkon, podobnie jak wiele innych metali, będzie dość plastyczny.

W XIX i na początku XX wieku. wielu naukowców próbowało otrzymać czysty cyrkon, ale wszystkie próby przez długi czas kończyły się niepowodzeniem. Nie pomogła sprawdzona metoda aluminotermiczna, eksperymenty, których autorzy starali się otrzymać metaliczny cyrkon z roztworów jego soli, nie doprowadziły do ​​celu. To ostatnie tłumaczy się przede wszystkim wysokim powinowactwem chemicznym cyrkonu do tlenu.

Aby móc otrzymać dowolny metal przez elektrolizę z roztworu jego soli, metal ten musi tworzyć jony jednoatomowe. Ale cyrkon nie tworzy takich jonów. Na przykład siarczan cyrkonu Zr(SO 4) 2 występuje tylko w stężonym kwasie siarkowym, a po rozcieńczeniu rozpoczyna się hydroliza i reakcje tworzenia kompleksów. Ostatecznie okazuje się:

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

W roztworze wodnym chlorek cyrkonu ulega również hydrolizie:

ZrCl4 + H2O → ZrOCl2 + 2HCl.

Niektórzy badacze sądzili, że udało im się otrzymać cyrkon na drodze elektrolizy roztworów, ale zmylił ich wygląd produktów osadzonych na elektrodach. W niektórych przypadkach były to rzeczywiście metale, ale nie cyrkon, ale nikiel lub miedź, których zanieczyszczenia zawarte były w surowcach cyrkonowych; w innych wodorotlenek cyrkonu, który wygląda jak metal.

Dopiero w latach 20. naszego stulecia (100 lat po tym, jak Berzelius otrzymał pierwsze próbki cyrkonu!) opracowano pierwszą przemysłową metodę otrzymywania tego metalu.

Jest to metoda „narastania” opracowana przez holenderskich naukowców van Arkela i de Boera. Jego istota polega na tym, że lotny związek (w tym przypadku czterojodek cyrkonu ZrI 4) ulega rozkładowi termicznemu w próżni i na gorącym włóknie wolframowym osadza się czysty metal.

W ten sposób uzyskano metaliczny cyrkon, który poddaje się obróbce – kuciu, walcowaniu, walcowaniu – mniej więcej tak samo łatwo jak miedź.

Później metalurdzy odkryli, że właściwości plastyczne cyrkonu zależą głównie od zawartości w nim tlenu. Jeśli więcej niż 0,7% tlenu wniknie do stopionego cyrkonu, wówczas metal będzie kruchy z powodu tworzenia się stałych roztworów tlenu w cyrkonie, których właściwości znacznie różnią się od właściwości czystego metalu.

Metoda odbudowy zyskała najpierw pewną popularność, ale wysoki koszt cyrkonu otrzymanego tą metodą poważnie ograniczył jej zakres. A właściwości cyrkonu okazały się interesujące. (Więcej o nich poniżej.) Istnieje potrzeba opracowania nowej, tańszej metody pozyskiwania cyrkonu. Taką metodą stała się udoskonalona metoda Crolla.

Metoda Croll umożliwia uzyskanie cyrkonu za połowę kosztów metody przedłużania. Schemat tej produkcji obejmuje dwa główne etapy: dwutlenek cyrkonu jest chlorowany, a powstały tetrachlorek cyrkonu jest redukowany metalicznym magnezem pod warstwą stopionego metalu. Produkt końcowy, gąbka cyrkonowa, jest topiony w pręty iw tej postaci wysyłany do konsumenta.

Dwutlenek cyrkonu

Podczas gdy naukowcy szukali sposobu na uzyskanie metalicznego cyrkonu, praktycy zaczęli już wykorzystywać niektóre jego związki, przede wszystkim tlenek cyrkonu. Właściwości dwutlenku cyrkonu w dużej mierze zależą od sposobu jego pozyskiwania. ZrO 2 , powstający podczas kalcynacji niektórych niestabilnych termicznie soli cyrkonu, jest nierozpuszczalny w wodzie. Słabo kalcynowany dwutlenek dobrze rozpuszcza się w kwasach, ale silnie kalcynowany staje się nierozpuszczalny w kwasach mineralnych, z wyjątkiem kwasu fluorowodorowego.

Kolejna ciekawa właściwość: mocno nagrzany tlenek cyrkonu emituje światło tak intensywnie, że może być stosowany w technice oświetleniowej. Z tej właściwości skorzystał znany niemiecki naukowiec Walter Hermann Nernst. Pręty żarowe w lampie Nernsta zostały wykonane z ZrO 2 . Żarowy dwutlenek cyrkonu czasami służy jako źródło światła w eksperymentach laboratoryjnych.

W przemyśle produkcja krzemianów i metalurgia jako pierwsze zastosowały dwutlenek cyrkonu. Już na początku naszego stulecia wytwarzano wyroby ogniotrwałe z cyrkonu, które wytrzymują trzykrotnie dłużej niż zwykłe. Materiały ogniotrwałe zawierające dodatek ZrO 2 pozwalają na wykonanie do 1200 wytopów stali bez naprawy pieca. To dużo.

Cegły cyrkonowe wyparły szamot (szeroko stosowany materiał ogniotrwały na bazie gliny lub kaolinu) w procesie wytapiania metalicznego aluminium i oto dlaczego. Szamot jest stopiony z aluminium, a na jego powierzchni tworzą się naloty żużla, które należy okresowo czyścić. A cegły cyrkonowe nie są zwilżane stopionym aluminium. Dzięki temu piece wyłożone cyrkonem mogą działać nieprzerwanie przez dziesięć miesięcy.

Znaczne ilości cyrkonu wykorzystywane są do produkcji ceramiki, porcelany i szkła.

Lista branż potrzebujących tlenku cyrkonu może być długa. Zobaczmy jednak, do czego przydał się metalowy cyrkon, którego tak długo nie można było uzyskać.

Cyrkon i metalurgia

Pierwszym konsumentem metalicznego cyrkonu była metalurgia żelaza. Cyrkon okazał się dobrym odtleniaczem. W działaniu odtleniającym przewyższa nawet mangan i tytan. Jednocześnie cyrkon zmniejsza zawartość gazów i siarki w stali, których obecność powoduje, że staje się ona mniej ciągliwa.

Stale stopowe z cyrkonem nie tracą wymaganej ciągliwości w szerokim zakresie temperatur, dobrze wytrzymują obciążenia udarowe. Dlatego cyrkon jest dodawany do stali używanej do produkcji płyt pancernych. Prawdopodobnie bierze to pod uwagę fakt, że dodatki cyrkonu mają pozytywny wpływ na wytrzymałość stali. Jeśli próbka stali niestopowej z cyrkonem zapadnie się pod obciążeniem około 900 kg, to stal o tej samej recepturze, ale z dodatkiem tylko 0,1% cyrkonu, wytrzyma obciążenie 1600 kg.

Metalurgia metali nieżelaznych również zużywa znaczne ilości cyrkonu. Tutaj jego działanie jest bardzo zróżnicowane. Niewielkie dodatki cyrkonu zwiększają żaroodporność stopów aluminium, a wieloskładnikowe stopy magnezu z dodatkiem cyrkonu stają się bardziej odporne na korozję. Cyrkon zwiększa odporność tytanu na działanie kwasów. Odporność na korozję stopu tytanu zawierającego 14% Zr w 5% kwasie solnym w temperaturze 100°C jest 70 razy (!) większa niż komercyjnie czystego tytanu. W przeciwnym razie cyrkon wpływa na molibden. Dodatek 5% cyrkonu podwaja twardość tego ogniotrwałego, ale raczej miękkiego metalu.

Istnieją inne obszary zastosowań metalicznego cyrkonu. Wysoka odporność na korozję i względna zatapialność umożliwiły zastosowanie go w wielu gałęziach przemysłu. Dysze przędzalnicze do produkcji włókien sztucznych, kształtki gorące, sprzęt laboratoryjny i medyczny, katalizatory - to nie jest pełna lista produktów wykonanych z metalicznego cyrkonu.

Jednak metalurgia i budowa maszyn nie były głównymi odbiorcami tego metalu. Energia jądrowa wymagała ogromnych ilości cyrkonu.

Problem cyrkonu „reaktorowego”.

Cyrkon nie pojawił się od razu w technologii jądrowej. Aby stać się użytecznym w tej branży, metal musi mieć określony zestaw właściwości. (Zwłaszcza jeśli twierdzi się, że jest materiałem konstrukcyjnym do budowy reaktorów.) Główną z tych właściwości jest mały przekrój poprzeczny wychwytu neutronów termicznych. Zasadniczo tę cechę można zdefiniować jako zdolność materiału do wychwytywania, pochłaniania neutronów, a tym samym zapobiegania rozprzestrzenianiu się reakcji łańcuchowej.

Przekrój poprzeczny wychwytu neutronów jest mierzony w stodołach. Im większa jest ta wartość, tym więcej neutronów materiał pochłania i tym bardziej zapobiega rozwojowi reakcji łańcuchowej. Oczywiście na strefę reakcji reaktorów wybiera się materiały o minimalnym przekroju poprzecznym wychwytu.

Dla czystego metalicznego cyrkonu wartość ta wynosi 0,18 barna. Wiele tańszych metali ma przekroje wychwytu tego samego rzędu: na przykład cyna ma 0,65 stodoły, aluminium ma 0,22 stodoły, a magnez tylko 0,06 stodoły. Ale zarówno cyna, jak i magnez i aluminium są topliwe i nie są odporne na ciepło; cyrkon topi się tylko w temperaturze 1860°C.

Wydawało się, że jedynym ograniczeniem jest dość wysoka cena elementu nr 40 (choć pieniędzy na tę branżę nie należy żałować), ale pojawiła się kolejna komplikacja.

W skorupie ziemskiej cyrkonowi zawsze towarzyszy hafn. Na przykład w rudach cyrkonu jego zawartość wynosi zwykle od 0,5 do 2,0%. Chemiczny analog cyrkonu (w układzie okresowym hafn znajduje się bezpośrednio pod cyrkonem) wychwytuje neutrony termiczne 500 razy intensywniej niż cyrkon. Nawet niewielkie zanieczyszczenia hafnu silnie wpływają na przebieg reakcji. Na przykład 1,5% zanieczyszczenie hafnem zwiększa przekrój poprzeczny wychwytu cyrkonu o współczynnik 20.

Technika napotkała problem całkowitego oddzielenia cyrkonu i hafnu. Jeśli indywidualne właściwości obu metali są bardzo atrakcyjne, to ich łączna obecność sprawia, że ​​materiał absolutnie nie nadaje się do technologii jądrowej.

Problem rozdzielenia hafnu i cyrkonu okazał się bardzo trudny - ich właściwości chemiczne są prawie takie same ze względu na skrajne podobieństwo w budowie atomów. Do ich rozdzielenia stosuje się złożone wieloetapowe oczyszczanie: wymianę jonową, wielokrotne wytrącanie, ekstrakcję.

Wszystkie te operacje znacznie zwiększają koszt cyrkonu, który już jest drogi: metal ciągliwy (99,7% Zr) jest wielokrotnie droższy niż koncentrat. Problem ekonomicznego rozdzielenia cyrkonu i hafnu wciąż pozostaje do rozwiązania.

Niemniej jednak cyrkon stał się metalem „atomowym”.

Świadczą o tym w szczególności takie fakty. Pierwszy amerykański atomowy okręt podwodny, Nautilus, został wyposażony w reaktor cyrkonowy. Później okazało się, że bardziej opłaca się robić obudowy ogniw paliwowych z cyrkonu, niż z nieruchomych części rdzenia reaktora.

Mimo to produkcja tego metalu z roku na rok wzrasta, a tempo tego wzrostu jest niezwykle wysokie. Dość powiedzieć, że w ciągu dekady, od 1949 do 1959 roku, światowa produkcja cyrkonu wzrosła 100-krotnie! Według danych amerykańskich w 1975 roku światowa produkcja cyrkonu wynosiła około 3000 ton.

Cyrkon, powietrze i woda

W poprzednich rozdziałach prawie nic nie powiedziano o właściwościach chemicznych pierwiastka nr 40. Głównym tego powodem jest niechęć do powtarzania wielu artykułów i monografii dotyczących elementów metalowych. Cyrkon jest najbardziej typowym metalem, charakterystycznym przedstawicielem swojej grupy (i podgrupy) oraz swojego okresu. Charakteryzuje się dość dużą aktywnością chemiczną, która występuje jednak w postaci utajonej.

Powody tej tajemnicy i stosunek cyrkonu do składników wody i powietrza należy omówić bardziej szczegółowo.

Kompaktowy metaliczny cyrkon wygląda bardzo podobnie do stali. Nie wykazuje w żaden sposób swojej aktywności chemicznej iw normalnych warunkach zachowuje się wyjątkowo obojętnie w stosunku do gazów atmosferycznych. Pozorna pasywność chemiczna cyrkonu jest wyjaśniona dość tradycyjnie: na jego powierzchni zawsze znajduje się niewidoczna warstwa tlenku, która chroni metal przed dalszym utlenianiem. Aby całkowicie utlenić cyrkon, należy podnieść temperaturę do 700°C. Tylko wtedy warstwa tlenku zostanie częściowo zniszczona i częściowo rozpuszczona w metalu.

Zatem 700°C to temperatura graniczna, powyżej której kończy się odporność chemiczna cyrkonu. Niestety, liczba ta jest zbyt optymistyczna. Już w temperaturze 300°C cyrkon zaczyna aktywniej oddziaływać z tlenem i innymi składnikami atmosfery: parą wodną (tworząc dwutlenek i wodorek), dwutlenkiem węgla (tworząc węglik i dwutlenek) oraz azotem (produktem reakcji jest azotek cyrkonu). Ale w temperaturach poniżej 300°C warstwa tlenku stanowi niezawodną osłonę, która gwarantuje wysoką odporność chemiczną cyrkonu.

W przeciwieństwie do zwartego metalicznego cyrkonu jego proszek i wióry zachowują się w powietrzu. Są to substancje piroforyczne, które łatwo ulegają samozapłonowi w powietrzu nawet w temperaturze pokojowej. To uwalnia dużo ciepła. Pył cyrkonu zmieszany z powietrzem może nawet eksplodować.

Interesujący jest związek cyrkonu z wodą. Wyraźne oznaki interakcji metalu z wodą nie są widoczne przez długi czas. Ale na zwilżonej wodą powierzchni cyrkonu zachodzi proces, który nie jest typowy dla metali. Jak wiadomo wiele metali pod działaniem wody ulega korozji galwanicznej, która polega na przejściu ich kationów do wody. Cyrkon również utlenia się pod działaniem wody i pokrywa warstwą ochronną, która nie rozpuszcza się w wodzie i zapobiega dalszemu utlenianiu metalu.

Najłatwiejszym sposobem przekształcenia jonów cyrkonu w wodę jest rozpuszczenie niektórych jego soli. Zachowanie chemiczne czterowartościowego jonu cyrkonu w roztworach wodnych jest bardzo złożone. Zależy to od wielu czynników chemicznych i procesów zachodzących w roztworach wodnych.

Istnienie jonu Zr +4 „w czystej postaci” jest mało prawdopodobne. Przez długi czas uważano, że cyrkon występuje w roztworach wodnych w postaci jonów cyrkonylu ZrO +2 . Późniejsze badania wykazały, że w rzeczywistości oprócz jonów cyrkonu roztwory zawierają dużą liczbę różnych złożonych jonów cyrkonu, zarówno uwodnionych, jak i zhydrolizowanych. Ich ogólna skrócona formuła (4 P–M)+ .

Tak złożone zachowanie cyrkonu w roztworze tłumaczy się wysoką aktywnością chemiczną tego pierwiastka. Cyrkon preparatywny (oczyszczony z ZrO 2) wchodzi w wiele reakcji, tworząc proste i złożone związki. „Tajemnica” zwiększonej aktywności chemicznej cyrkonu tkwi w budowie jego powłok elektronowych. Atomy cyrkonu są zbudowane w taki sposób, że mają tendencję do przyłączania do siebie jak największej liczby innych jonów; jeśli w roztworze nie ma wystarczającej ilości takich jonów, wówczas jony cyrkonu łączą się ze sobą i zachodzi polimeryzacja. W takim przypadku aktywność chemiczna cyrkonu zostaje utracona; reaktywność spolimeryzowanych jonów cyrkonu jest znacznie niższa niż niespolimeryzowanych. Podczas polimeryzacji zmniejsza się również aktywność roztworu jako całości.

Jest to, ogólnie rzecz biorąc, „wizytówka” jednego z ważnych metali naszych czasów - pierwiastka nr 40, cyrkonu.

„Niedoskonałe diamenty”

W średniowieczu znana była biżuteria z tzw. niedoskonałych diamentów. Ich niedoskonałość polegała na mniejszej twardości niż zwykłego diamentu i nieco gorszej grze kolorów po cięciu. Mieli też inną nazwę – Matara (według miejsca wydobycia – Matare, region wyspy Cejlon). Średniowieczni jubilerzy nie wiedzieli, że cennym minerałem, którego używali, były monokryształy cyrkonu, głównego minerału cyrkonu. Cyrkon występuje w różnych kolorach, od bezbarwnych po krwistoczerwone. Jubilerzy nazywają czerwony cenny hiacynt cyrkonowy. Hiacynty znane są od bardzo dawna. Według tradycji biblijnej starożytni arcykapłani nosili na piersiach 12 drogocennych kamieni, wśród nich hiacynt.

Czy to rzadkie?

Cyrkon jest szeroko rozpowszechniony w przyrodzie w postaci różnych związków chemicznych. Jego zawartość w skorupie ziemskiej jest dość wysoka - 0,025%, pod względem rozpowszechnienia zajmuje dwunaste miejsce wśród metali. Mimo to cyrkon jest mniej popularny niż wiele naprawdę rzadkich metali. Wynikało to z ekstremalnego rozproszenia cyrkonu w skorupie ziemskiej i braku dużych złóż jego naturalnych związków.

Naturalne związki cyrkonu

Znanych jest ponad czterdzieści. Cyrkon występuje w nich w postaci tlenków lub soli. Największe znaczenie przemysłowe mają ditlenek cyrkonu, baddeleyit ZrO 2 , oraz krzemian cyrkonu, cyrkon ZrSiO 4 . Najpotężniejsze z odkrytych złóż cyrkonu i baddeleyitu znajdują się w USA, Australii i Brazylii. Indie, Afryka Zachodnia.

ZSRR posiada znaczne rezerwy surowca cyrkonowego zlokalizowane w różnych regionach Ukrainy, Uralu i Syberii.

PbZrO 3 - piezoelektryczny

Piezokryształy są potrzebne do wielu urządzeń radiotechnicznych: stabilizatorów częstotliwości, generatorów drgań ultradźwiękowych i innych. Czasami muszą pracować w warunkach podwyższonej temperatury. Kryształy cyrkonianu ołowiu praktycznie nie zmieniają swoich właściwości piezoelektrycznych w temperaturze do 300°C.

Cyrkon i mózg

Wysoka odporność korozyjna cyrkonu umożliwiła zastosowanie go w neurochirurgii. Ze stopów cyrkonu wykonuje się zaciski hemostatyczne, narzędzia chirurgiczne, a czasem nawet nici do szycia podczas operacji mózgu.