Cyrkon na stole. Bransoletki cyrkonowe - uzdrawiająca moc metalu

Ten pierwiastek chemiczny, który następnie z masą atomową 91,224 g / mol, zajął 40. miejsce w tabeli D.I. Mendelejewa otrzymał na początku XIX wieku szwedzki chemik Jens Jakob Berzelius. Za podstawę przyjęto tlenek ZrO2, który został znaleziony w kamieniu przywiezionym przez innego naukowca - Martina Heinricha Klaprotha - z Cejlonu. Wpływ metalicznego sodu na fluorocyrkonian potasu okazał się skuteczny:

K2 + 4Na → Zr + 2KF + 2NaF

Efektem eksperymentów była produkcja czystego cyrkonu - błyszczącego, srebrzystobiałego metalu, niesamowicie plastycznego, ale jednocześnie dość gęstego. Następnie 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 niemetaliczne zanieczyszczenia.

Właściwości fizyczne cyrkonu

Znane są dwie krystaliczne modyfikacje cyrkonu:

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

Otrzymanie formy β z formy α jest możliwe przez ogrzewanie metalu do 862°C.

Cyrkon ma następujące właściwości fizyczne:

• Gęstość cyrkonu - 6,45 g/cm3 (w normalnych warunkach tj. w 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
• oporność elektryczna (20°C) - 44,1 μk cm

Metal, który zawiera wodór, węgiel, azot lub tlen jako zanieczyszczenia, wyraźnie zwiększa swoją kruchość. Czysty cyrkon posiada:

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

Odporność korozyjna cyrkonu

Ochrona antykorozyjna to cecha, którą w przypadku cyrkonu często stawia się na pierwszym planie. Pierwiastek ten nie jest rozpuszczalny w alkaliach, kwasach azotowych i solnych. Jest to doskonały pierwiastek stopowy, który sprawia, że ​​wszystkie wieloskładnikowe stopy magnezu są o rząd wielkości bardziej odporne na korozję.

Oprócz ochrony przed korozją, cyrkon może znacząco poprawić inne właściwości stopu: zachować jego ciągliwość, zwiększyć udarność, a w 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 swoją wydajność 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). Cyrkon przyczynia się również do zachowania wytrzymałości stali, jednocześnie nadając im odporność na duże obciążenia udarowe. Wreszcie pierwiastek Zr usuwa ze stopu gazy i siarkę, co oznacza, że ​​przyczynia się do zachowania plastyczności metalu.

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

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

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

Właściwości chemiczne

Prosta substancja cyrkon jest elementem podgrupy bocznej IV grupy piątego okresu układu okresowego D. I. Mendelejewa. Przypisano mu liczbę atomową 40, a jego masa atomowa wynosi 91.224. Jest to stalowoszary metal o żółtawym odcieniu i charakterystycznym połysku. Uzyskuje się go przez przetopienie odpadów cyrkonu i z koncentratu rudy, ponieważ nie występuje w czystej postaci w skorupie ziemskiej.

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 hiacyntowego. Należy do cennej odmiany tego kamienia. Do XX wieku metalu nie można było uzyskać w czystej postaci, ale w latach 20. naukowcy osiągnęli jednak sukces.

W postaci oczyszczonej posiada wiele właściwości wyróżniających złoto:

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

Metal nie boi się narażenia na chlorowaną i morską wodę. 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 sprawia, że ​​jego właściwości są niemal wyjątkowe. Swoją nazwę zawdzięcza perskiemu słowu „tsargun” (złoty kamień).

Dość często cyrkon mylić 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 barwiące kamień często obejmują wapń, miedź, żelazo, cynk, uran, stront i tytan. Zawiera również pierwiastki ziem rzadkich.

Będąc na łonie natury

Złoża rud cyrkonu są szeroko rozpowszechnione we wnętrzu ziemi. Depozyty można zobaczyć w kilku formach w formularzu:

• tlenki amorficzne;
• sole;
• pojedyncze kryształy.

W złożach afrykańskich znajdują się kryształy o masie do 1 kg. Przede wszystkim cyrkon (metal) jest skoncentrowany w Australii, Indiach, RPA, Brazylii i Ameryce Północnej. Te stany mają największe rezerwy tego metalu. Rosja posiada prawie 10% światowych zasobów cyrkonu na Syberii i Uralu. Najczęściej w rudzie występuje razem z hafnem, ponieważ jest mu bliski w swoich właściwościach. Każdy z nich ma swoje atrakcyjne cechy, ale nie można ich łączyć. Wieloetapowe oczyszczanie umożliwia rozdzielenie tych dwóch pierwiastków, jednak taki proces produkcyjny powoduje, że cyrkon jest znacznie droższy.

Znaleziony 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 niepopularnym pierwiastkiem, 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 walory element ten może być wykorzystywany w wielu gałęziach przemysłu. Jego stosowane 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. Służy do protetyki i produkcji narzędzi chirurgicznych.

Cyrkon metaliczny od dawna jest używany do tworzenia biżuterii. Jest w stanie przybrać wiele odcieni, ponieważ jest anodyzowanym metalem. Pozwala to jubilerom na ucieleśnienie różnorodnych pomysłów artystycznych w tworzeniu biżuterii. Produkty wyglądają 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 wytrzymałość stopów, zwiększa ich odporność na uderzenia. W stopach z miedzią oprócz wytrzymałości zachowuje przewodność elektryczną. W stopach z aluminium ten unikalny pierwiastek znacznie poprawia ich działanie.

Element szeroko stosowany w przemyśle metalurgicznym i działa jako wysoce skuteczny odtleniacz. Ta jakość jest kilkakrotnie wyższa niż manganu i tytanu. Cyrkon poprawia wytrzymałość gatunków stali, dzięki czemu są bardziej odporne na obciążenia udarowe. Wspomaga ciągliwość poprzez usuwanie siarki i gazu ze stopów. Jest również stosowany jako pierwiastek stopowy w metalurgii metali nieżelaznych oraz do zwiększania pojemności cieplnej stopów aluminium.

Właściwości lecznicze

Cyrkon ze względu na swoje szczególne właściwości fizykochemiczne jest aktywnie wykorzystywany w medycynie. Ze względu na swoją obojętność na działanie środowiska alkalicznego, kwaśnego i wodnego, a także amoniaku dodaje się go do kompozycji do produkcji instrumentów medycznych. On stymuluje szybkie gojenie się ran i wykazuje działanie przeciwdrobnoustrojowe. Dzięki tym właściwościom w ranach nie tworzy się ropa, a infekcje nie przenikają do nich.

Pierwiastek nie jest alergenem, dlatego ułatwia reakcje alergiczne. Nie przepuszcza promieniowania i jest uważany za doskonały środek antyseptyczny. W medycynie zaczęto go stosować do produkcji nici do szwów. 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 ma pozytywny wpływ na ciało. Jeśli po przekłuciu uszu od razu założysz kolczyki z cyrkonem, rany zagoją się szybciej. Metal dobrze wpływa na kondycję skóry, dlatego zaleca się noszenie na ciele bransoletek i innych produktów. Działa leczniczo na choroby skóry, artrozę, artretyzm, nadciśnienie. Pomimo takich objawów oficjalna medycyna nie przedstawiła jeszcze takich dowodów.

Cyrkon (Zr) to pierwiastek o liczbie atomowej 40 i masie atomowej 91,22. Jest to element drugorzędnej podgrupy czwartej grupy, piątego okresu układu okresowego pierwiastków chemicznych Dmitrija Iwanowicza Mendelejewa. Cyrkon w stanie wolnym w normalnych warunkach jest błyszczącym srebrno-białym 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 niemetali (zwłaszcza tlenu), znacznie pogarsza jego 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, zupełnie nie nadaje się do tego celu, jeśli zawiera choćby niewielką domieszkę hafnu, który nie ma 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 uzyskanych izotopów promieniotwórczych cyrkonu najważniejszy jest 95Zr, którego okres półtrwania wynosi 65 dni. Znalazł zastosowanie jako znacznik izotopowy.

W 1789 r. niemiecki chemik Martin Heinrich Klaproth wyizolował dwutlenek cyrkonu z analizy minerału cyrkonu. W postaci proszku cyrkon po raz pierwszy uzyskano znacznie później – w 1824 r. przez Jensa Jakoba Berzeliusa, a cyrkon plastyczny 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 azotowych i chlorowodorowych 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 wiązkości w szerokim zakresie temperatur, dobrze znoszą obciążenia udarowe. Zwiększa wytrzymałość stali stopowych. Dodatek cyrkonu do miedzi znacznie zwiększa jej wytrzymałość, prawie bez zmniejszania przewodności elektrycznej. Stop oparty na magnezie z dodatkiem kilku procent cynku i tylko kilku dziesiątych procent cyrkonu jest dwa razy mocniejszy od czystego magnezu i nie traci wytrzymałości w temperaturze 200°C. dodaje się do nich.

Cyrkon prawie nie wychwytuje wolnych (termicznych) neutronów. To właśnie na tej właściwości, w połączeniu z wysoką odpornością na korozję i agresywne media, wytrzymałością mechaniczną w podwyższonych temperaturach, on i oparte na nim stopy są aktywnie wykorzystywane w projektowaniu reaktorów jądrowych.

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

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

Właściwości biologiczne

Cyrkon nie odgrywa bezpośrednio ważnych biologicznych ról w życiu ludzkiego organizmu. Nie jest biopierwiastkiem, nie wchodzi w skład materiału strukturalnego komórek - nie jest niezbędnym mikroelementem. Całkiem możliwe, że jest to spowodowane słabą znajomością 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 wielu złamań kości stosuje się metodę stabilizatorów (implantów), które dokładnie i mocno mocują fragmenty kości całkowicie, z wyłączeniem nawet najmniejszych przesunięć, co przyczynia się do szybkiego zrostu tkanek kostnych i szybkie gojenie się rany pooperacyjnej.

W praktyce światowej producenci implantów do produkcji płytek i śrub stosują 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 ze stopów cyrkonu daje szereg korzyści: wysoką odporność materiału na korozję; doskonała zgodność biologiczna (brak reakcji alergicznych i odrzucenia), dzięki której nie ma potrzeby powtórnej interwencji chirurgicznej w celu usunięcia implantów; wysokie właściwości wytrzymałościowe stopów cyrkonu. Stosunkowo niska gęstość stopu umożliwia ułatwienie projektowania implantu; doskonała plastyczność zapewnia dokładniejsze dopasowanie wygięcia implantu do konturu kości.

Lista instrumentów i implantów do chirurgii szczękowo-twarzowej i neurochirurgii jest bardzo szeroka: ponad dwa tuziny rodzajów płytek i zszywek, 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 działa na nie w szczególny sposób. Lekarze odkryli, że noszenie kolczyków z cyrkonu leczy ranę płatka ucha po przekłuciu 2-3 dni wcześniej niż w przypadku noszenia złotych kolczyków. Ponadto osoby, które stale noszą biżuterię wykonaną z cyrkonu lub cyrkonii, odnotowały znaczną poprawę ogólnej kondycji. Doświadczenia dały pozytywne wyniki w leczeniu chorób skóry bransoletami, pasami i płytkami z cyrkonu: zapalenie skóry, neurodermit, egzema dziecięca, choroby układu mięśniowo-szkieletowego, kręgosłupa, artroza 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 zatem argumentować, że bransoletki z cyrkonu i inna biżuteria wykonana z tego metalu, jego stopów i minerałów nie jest panaceum na wszystkie choroby, ale ma pewien leczniczy wpływ na organizm ludzki. W każdym razie to nie szkodzi.

Średniowieczni jubilerzy często używali tak zwanych „niedoskonałych diamentów” do tworzenia wyjątkowej biżuterii. Te „diamenty” niewiele różniły się od prawdziwych klejnotów – nieco bardziej miękkich i nieco mętniejszych, co nie pozwalało, by oszlifowany kamień błyszczał i mienił się jak diament. Kamienie te miały też bardziej konkretne nazwy: Diamenty Matara – zgodnie z miejscem ich wydobycia – obszar Matare (Matturai) na wyspie Sri Lanka. Jargon lub Cejlon Jargon - Żółte, słomkowożółte i przydymione cyrkonie. Nazywane są również diamentami syjamskimi. Starlite lub starlight - cyrkon o naturalnym błękitnym kolorze lub uzyskany po obróbce termochemicznej. Hiacynt - transparentny miodowo-żółty, czerwono-brązowy, czerwono-brązowy, czerwony, różowa cyrkonia. Barwa tego kamienia przypomina hiacynt - kwiat wyhodowany według starożytnego greckiego mitu przez Apollina z ciała (lub krwi) pięknego młodzieńca Hiacynta, ulubieńca Apolla, zabitego przez Zefira, boga wiatru.

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

Cyrkon ma bardzo mały przekrój wychwytywania neutronów termicznych. Dlatego też metaliczny cyrkon, który nie zawiera hafnu, oraz jego stopy są wykorzystywane w energetyce jądrowej do produkcji elementów paliwowych, zespołów paliwowych i innych konstrukcji reaktorów jądrowych. W ten sposób reaktor wykonany w całości z cyrkonu został zainstalowany na pierwszym amerykańskim atomowym okręcie podwodnym Nautilus. Później okazało się, że bardziej opłacalne jest wykonanie 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 ulegają zniszczeniu pod obciążeniem mniejszym niż tona, stal o tym samym składzie, ale z dodatkiem zaledwie 0,1% cyrkonu może wytrzymać obciążenie ponad półtorej tony!

Specyfikacje dla cyrkonu o tzw. „czystości reaktorowej” pozwalają na obecność w nim nie więcej niż 0,02% hafnu. Ale nawet takie homeopatyczne dawki odwiecznego towarzysza cyrkonu dość znacząco - sześć i pół raza - zmniejszają przezroczystość neutronów cyrkonu!

Dwutlenek cyrkonu ma bardzo ciekawą właściwość: mocno nagrzany, emituje światło na tyle intensywnie, że można go wykorzystać w technice oświetleniowej. Słynny niemiecki fizyk Walter Hermann Nernst jako pierwszy dowiedział się o tej właściwości dwutlenku cyrkonu. W oparciu o to niezwykłe zjawisko fizyk zaprojektował lampę, zwaną później „lampą Nernsta”, w której pręty żarowe zostały wykonane z dwutlenku cyrkonu.

Bardzo ciekawe zastosowanie znalazł tetrachlorek cyrkonu. Przewodność elektryczna płyty 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 siła prądu w obwodzie urządzenia, którego skala jest kalibrowana w jednostkach ciśnienia. Takie manometry są niezwykle czułe na zmiany ciśnienia, dzięki czemu można ich używać do określania ciśnienia od setnych tysięcznych 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, lakierów specjalnych i tworzyw sztucznych. Jako katalizator do produkcji wysokooktanowego paliwa silnikowego wykorzystuje się związki cyrkonu. Związki siarczanowe tego pierwiastka słyną z doskonałych właściwości opalających.

Fabuła

W rzeczywistości historia popularności cyrkonu wśród ludzkości jest dość stara - nawet za panowania Rzymu w Judei arcykapłani nosili w biżuterii hiacynt - kryształy cyrkonu - główny minerał cyrkonu. Średniowieczni jubilerzy z różnych krajów często ozdabiali 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 wydobywano na wyspie Cejlon, skąd kupcy eksportowali go następnie w obfitości do wielu krajów. Kryształy te zyskały tak niezwykłą popularność ze względu na ich różnorodny i bardzo piękny kolor: od przezroczystego bezbarwnego i jasnożółto-brązowego, przechodzącego w szaro-zielony do krwistoczerwonego. To właśnie czerwona cyrkonia jubilerzy nazywali hiacynt (stara nazwa to peradol), uważając ją za jedną z odmian topazu lub rubinu, zbliżoną 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 MG Klaprotha, członka Berlińskiej Akademii Nauk. W 1789 r. prowadził badania nad klejnotem własną metodą iw tym samym roku opublikował wyniki analizy. Klaproth uzyskał substancję, którą nazwał „zierią cyrkonową”. W specjalnym srebrnym tyglu stopił proszek cyrkonu z zasadą żrącą, a następnie rozpuścił stop w kwasie siarkowym. Ponadto chemik wyizolował z roztworu kwas krzemowy i żelazo, po czym uzyskał kryształy soli, a z nich tlenek (ta sama ziemia), który nazwał „cyrkonem” (Zirconerde).

Z taką nazwą Klaproth najprawdopodobniej odrzucił następujące perskie koncepcje: „zar” („król”) - złoto i „pistolet” („pistolet”) - kolor, czyli dosłownie - „złoty kolor”. Z poniższych rozważań można się domyślać, że minerał, który znajdował się w rękach chemika, miał złotobrązowy kolor. Kolejne założenie o pochodzeniu 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 ziemi cyrkonowej” lub „cyrkon”, Strakhov (1825) nazywa metal „ cyrkon".

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

Cyrkon metaliczny (z bardzo wysokim udziałem zanieczyszczeń) po raz pierwszy był w stanie uzyskać JJ Berzelius w 1824 r. poprzez redukcję fluorku cyrkonianu potasu metalicznym sodem:

K2 + 4Na → Zr + 2KF + 2NaF

W rezultacie powstał srebrnoszary metal, który był tak kruchy, że nie dało się go obrabiać. Powodem tego była wysoka zawartość zanieczyszczeń. W rezultacie ten element nie został wykorzystany. Przez długi czas naukowcy z różnych krajów próbowali rozwiązać problem czystości metali. Dopiero w 1914 udało się uzyskać stosunkowo czysty cyrkon, a metal, który można obrabiać (kuć, walcować, walcować) mniej więcej w taki sam sposób jak miedź, wyizolowali dopiero w 1925 holenderscy chemicy van Arkel i de Boer. . Odeszli od tradycyjnej i szeroko stosowanej metody elektrolizy, stosując nową metodę „narastania”, polegającą na poddaniu lotnego związku (w ich przypadku był to tetrajodek cyrkonu ZrI4) termicznemu rozkładowi w próżni, a czysty metal został osadzony na gorącym włóknie wolframowym.

Będąc na łonie natury

Cyrkon jest dość powszechnym pierwiastkiem: jego zawartość w skorupie ziemskiej wynosi 0,025% masy. Wśród metali pod względem rozpowszechnienia zajmuje dwunaste miejsce. Jednak cyrkon jest bardzo rozproszony i jakiekolwiek jego znaczące 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 najczęściej występuje w skałach alkalicznych - 5 10-2%, co jest nawet wyższe niż średnia zawartość w skorupie ziemskiej w ogóle . Najczęściej występuje w postaci różnych związków chemicznych, które z kolei występują w litosferze, ponieważ cyrkon jest pierwiastkiem litofilnym. W naturze jego związki znane są 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 rzadziej niż naprawdę rzadkie metale. Metal ten jest słabym migrantem wody - zawartość cyrkonu w wodzie morskiej nie przekracza 0,00005 mg/l. W środowisku biologicznym również nie jest powszechny.

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

Cyrkon jest najpopularniejszym minerałem cyrkonu, znanym od czasów starożytnych, kiedy nazywano go hiacyntem, azorytem, ​​auerbachitem, engelhardytem i innymi nazwami. Cyrkon to krzemian wyspowy występujący we wszystkich rodzajach skał, ale najbardziej charakterystyczny dla granitów i sjenitów. Minerał to dobrze uformowane kryształy, których wygląd zmienia się w zależności od warunków formowania, więc w granitach i pegmatytach granitowych występują kryształy o charakterze długopryzmatycznym, aw skałach alkalicznych i metasomatycznych - typu dwupiramidowego. Można również znaleźć „bliźniaki”, „bliźniaki zagięte”, promieniste i snopkowate narośla.

Często kryształy są stosunkowo małe (tylko kilka milimetrów), ale zdarzają się wyjątki ważące dziesiątki, a nawet setki karatów. Kryształy cyrkonu o długości kilku centymetrów znaleziono w hrabstwie Hinderson w Północnej Karolinie. Na Madagaskarze znaleziska ważące kilka kilogramów nie są rzadkością. W Stanach Zjednoczonych Smithsonian Institution posiada kilka cyrkonii sprowadzonych z wyspy Sri Lanki. Różnią się kolorem i wagą: największa cyrkonia - brązowa waży 118,1 karata; 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 Kanadyjskie Muzeum w Toronto mogą pochwalić się bogatymi zbiorami 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. W związku z tym naukowcy wyróżniają kilka odmian cyrkonu: malakon, cytrolit, alvit, arshinovite i wiele innych.

Mineralny 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 wydobytego ze skały ważył 30 ton! Wzdłuż brzegów rzek i potoków baddeleyit występuje w postaci otoczaków aluwialnych o średnicy do 7,5 mm, który zawiera ponad 90% dwutlenku cyrkonu. Ze względu na swój wygląd ten kamyk został nazwany przez lokalnych górników „favas”, co po portugalsku oznacza „fasolę” (fava).

Aplikacja

Obszary zastosowania cyrkonu i zawartych w nim minerałów są niezwykle różnorodne, kojarzą się z przemysłami high-tech, a jednocześnie z produkcją najpowszechniejszych dóbr konsumpcyjnych.

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

Cyrkon jest szeroko stosowany jako pierwiastek stopowy, ponieważ dodawanie go do innych metali nadaje im szczególne właściwości - żaroodporność, kwasoodporność i wiele innych. Oprócz nowo nabytych właściwości stopy cyrkonu zwiększają swoją wytrzymałość mechaniczną, co pomaga wydłużyć ich żywotność i poszerzyć możliwości ich zastosowania 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 metalurgii jako odtleniacz i odgazowywacz stali. Chemicy i metalurdzy odkryli, że dodatek cyrkonu do stopów żelaza ma taki sam efekt, jak wprowadzenie do nich krzemu: poprawia się jakość stali nierdzewnych i żaroodpornych, wzrasta wytrzymałość mechaniczna i spawalność stali.

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

Stopy miedziowo-cyrkonowe są wykorzystywane do produkcji przewodzących części urządzeń elektrycznych, które nagrzewają się podczas pracy. Wprowadzenie cyrkonu praktycznie nie wpływa 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.

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

Niski i równomierny współczynnik rozszerzalności cieplnej, wysoka odporność na korozję, a także wysoka wytrzymałość mechaniczna i odporność chemiczna spowodowały zastosowanie cyrkonu do produkcji wysokiej jakości aparatury chemicznej, aparatury medycznej, implantów oraz nici dla neurochirurgii.

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

Sproszkowany cyrkon wykorzystywany jest przede wszystkim do produkcji flar, detonatorów, zapalników pociskowych i bomb zdalnych.

Jednak nadal większość wydobytych surowców cyrkonowych (około 90%) jest wykorzystywana 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 i 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, a także różnych środków komunikacji, dwutlenek cyrkonu zaczął być szeroko stosowany w światłowodach i produkcji ceramiki stosowanej w elektronice.

Ze względu na wysoką twardość węglik cyrkonu ZrC jest stosowany jako materiał szlifierski, a także do zastąpienia diamentów podczas cięcia szkła.

Produkcja

Głównym surowcem do przemysłowej produkcji cyrkonu metalicznego jest mineralny 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 etap wzbogacania, do którego stosuje się metodę grawitacyjną z oczyszczaniem koncentratu metodą separacji elektrostatycznej i magnetycznej. Cyrkon metaliczny wytwarzany jest z jego związków, które otrzymuje się przez rozkład 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 wyższa niż 500 °C):

ZrSiO4 + 2Na2CO3 = Na2ZrO3 + Na2SiO3 + 2CO2

Ze stopu lub spieku wytworzonego przez otwarcie alkaliczne usuwa się przede wszystkim 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 temperaturze zbliżonej do 1000 ° C:

ZrSiO4 + K2SiF6 = K2ZrF6 + 2SiO2

Powstały placek fluorocyrkonianowy jest podgrzewany i przemywany zakwaszoną wodą, fluorocyrkonian potasu przechodzi do wody, gdy roztwór jest chłodzony, większość (75-90%) jest uwalniana.

d) chlorowanie węglem w temperaturze ok. 1000 °C, przy czym możliwe jest wstępne nawęglanie w temperaturze od 1700 do 1800 °C, mające na celu usunięcie większości krzemu w postaci wysoce 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 zH2O z roztworów kwasu siarkowego lub kwasu solnego;

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 oddziela się od swojego stałego towarzysza poprzez krystalizację frakcyjną K2ZrF6, ekstrakcję z kwaśnych roztworów rozpuszczalnikami organicznymi (np. fosforan tributylu), metody jonowymienne, selektywną redukcję tetrachlorków (ZrCl4 i HfCl4).

Istnieje metoda „budowania” opracowana przez holenderskich naukowców van Arkela i de Boera. Polega ona na tym, że lotny związek (czterojodek cyrkonu ZrI4) ulega rozkładowi termicznemu w próżni, a czysty metal osadza się na gorącym włóknie wolframowym. W latach dwudziestych ubiegłego wieku metoda ta była szeroko stosowana, jednak wysoki koszt uzyskiwanego tą metodą cyrkonu poważnie ograniczył jej zakres. Dlatego pojawiła się 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 czterochlorek cyrkonu jest redukowany metalicznym magnezem pod warstwą roztopionego metalu. Produkt końcowy, gąbka cyrkonowa, jest topiony w pręciki i w tej postaci wysyłany do konsumenta.

Właściwości fizyczne

Jak wiemy, cyrkon został wyizolowany w swojej wolnej metalicznej postaci 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 możliwe zbadanie właściwości fizycznych tego metalu. Dopiero w połowie XX wieku naukowcom udało się uzyskać cyrkon wolny od zanieczyszczeń. Okazało się, że w cyrkonie, niekiedy w bardzo dużych ilościach, występuje hafn - stały towarzysz tego metalu, którego wcześniej nie zauważano ze względu na właściwości chemiczne zbliżone do cyrkonu.

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

Cyrkon jest metalem o wysokich temperaturach: temperatura topnienia (topnienia) cyrkonu o wysokiej czystości wynosi 1845°C, temperatura wrzenia (twrz.) wynosi 3580-3700°C. Dwutlenek cyrkonu ZrO2 jest jedną z najbardziej ogniotrwałych substancji występujących w przyrodzie. Topi się w 2680°C! Takie właściwości metalu i jego dwutlenku doprowadziły do ​​ich zastosowania 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 do stanu nadprzewodnictwa wynosi 0,7K.

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 sieć przestrzennie wyśrodkowanego sześcianu i jest stabilna w temperaturach powyżej 863 ° C. Tak więc przejście modyfikacji α do modyfikacji β następuje w tej temperaturze granicznej 863 ° C. Ponadto dodatki glinu, ołowiu, cyny i kadmu zwiększają temperaturę przejścia z jednego stanu do drugiego i zmniejszają się dodatki żelaza, chromu, niklu, molibdenu, miedzi, tytanu i niektórych innych metali.

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

Najcenniejszą właściwością czystego cyrkonu jest jego mały przekrój wychwytywania neutronów termicznych (0,18 barn). Jest to znacznie mniej niż inne metale - żelazo (2,53 barn), nikiel (4,60 barn) czy miedź (3,69 barn). Chociaż wiele tańszych metali ma przekrój wychwytu tego samego rzędu: 0,65 barn dla cyny, 0,22 barn dla aluminium, a jeszcze mniej dla magnezu - tylko 0,06 barn. Jednak wszystkie wymienione metale są topliwe i nieodporne na wysoką temperaturę, 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 na korozję 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 (do 50% stężenia). Podczas eksperymentów stwierdzono, że stal nierdzewna traci około 2,6 milimetra rocznie w 5% kwasie solnym o temperaturze 60 °C, tytanie - około 1 milimetra, a cyrkonie - 1000 razy mniej. Cyrkon ma największą odporność na zasady, jest jedynym metalem odpornym na zasady zawierające amoniak. Pod względem odporności na agresywne media cyrkon ustępuje nawet tantalowi - jednemu z najpotężniejszych środków przeciw korozji.

Taką odporność można łatwo wytłumaczyć właściwościami chemicznymi cyrkonu, a raczej tworzeniem się na jego powierzchni ochronnej warstwy tlenku, która chroni metal przed dalszym zniszczeniem. Aby całkowicie utlenić cyrkon, konieczne będzie podgrzanie go do 700°C, dopiero wtedy folia ulegnie częściowemu zniszczeniu, częściowo rozpuści się w metalu. Okazuje się, że to temperatura 700 ° C jest granicą, powyżej której kończy się odporność chemiczna pierwiastka numer 40. Ale jeszcze przed tą granicą cyrkon po podgrzaniu do 300 ° C i więcej zaczyna aktywniej reagować z tlenem i innymi składnikami atmosfery. W wyniku tego powstaje dwutlenek i wodorek z parą wodną, ​​z dwutlenkiem węgla – węglikiem i dwutlenkiem, z azotem – azotkiem cyrkonu. Do tej samej temperatury cyrkon jest niezawodnie chroniony powłoką tlenkową, która gwarantuje wysoką odporność chemiczną cyrkonu.

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

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

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

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

Zr + 6HF = H2 + 2H2

Cyrkon w postaci wiórów lub proszku zupełnie inaczej zachowuje się 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 z dużym wydzielaniem ciepła. Cyrkon podobny do pyłu w mieszaninie z powietrzem może eksplodować.

Niezwykłe jest również oddziaływanie cyrkonu z wodą. Większość metali w kontakcie z wodą ulega korozji galwanicznej, która polega na przechodzeniu ich kationów do wody. Cyrkon, podobnie jak w reakcji na tlen, oddziałując z wodą, pokryty jest nierozpuszczalnym filmem ochronnym. Tym samym, 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 kompaktowy cyrkon zaczyna aktywnie absorbować tlen:

Cyrkon zaczyna oddziaływać z azotem w temperaturze 700-800°C tworząc azotek: 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 można usunąć z metalu.

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

Czterdziesty element układu okresowego pierwiastków został odkryty w 1783 r. przez chemika niemieckiego pochodzenia M.G. Klaprotom. Oczyszczony z zanieczyszczeń metal cyrkon uzyskano dopiero na początku XX wieku. I choć od tego momentu minęło już prawie 100 lat, metal wciąż ma wiele niejasności, począwszy od pochodzenia jego nazwy, a skończywszy na wpływie na zdrowie człowieka. Dlaczego cena 1 grama rośnie od kilkudziesięciu lat.

Będąc na łonie natury

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 dzięki 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 ilości złóż cyrkonu są Australia (cyrkon), RPA (baddeleyit), nieco mniej niż USA, Brazylia i Indie. Rosja odpowiada za 10% światowych rezerw.

Paragon fiskalny

Początkowo cyrkon izolowano z tlenków metodą „wzrostu”. Pasek cyrkonu został zamontowany na gorących włóknach wolframowych. Pod wpływem temperatury powyżej 2000 ºС metal cyrkonowy przylgnął do powierzchni grzałki, a pozostałe składniki mieszanki uległy spaleniu.

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 nawet tańszą zasadową i fluorkową redukcję cyrkonu z tlenków.

Skład cyrkonu e110

Jodek cyrkonu

Bardzo plastyczny i o niskiej wytrzymałości. 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. Ostatnio przewaga w eksporcie minerałów cyrkonowych i cyrkonowych coraz bardziej przechyla się w kierunku Republiki 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 zapotrzebowanie na cyrkon rosło średnio o 5,2% rocznie. Zdolności produkcyjne w tym czasie zdołały wzrosnąć o nieco ponad 2%. W efekcie na światowym rynku tworzył się ciągły niedobór cyrkonu, co było warunkiem wzrostu jego wartości.

Istnieją 2 główne przyczyny wzrostu popytu na ten metal:

• Globalna skala 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 wtórnym rynku 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. Punktem przejścia do reżimu nadprzewodzącego jest 4,2 K. Również w sprzęcie radiowym płytki elektroniczne są pokryte cyrkonem w celu pochłaniania gazów odgazowujących. Filtry promieniowania cyrkonu do lamp rentgenowskich charakteryzują się wysoką wartością monochromatyczną.
• W energetyce jądrowej stosowany jest jako materiał na płaszcze prętów paliwowych (strefy bezpośredniego rozszczepienia jądra i wytwarzania ciepła) oraz inne elementy reaktora termojądrowego.
• Metalurgia wykorzystuje cyrkon jako pierwiastek stopowy. Metal ten jest silnym odtleniaczem, przewyższającym w tym wskaźniku zarówno mangan, jak i krzem. Dodatek tylko 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 wyższa. Ten materiał ogniotrwały jest używany do produkcji tygli i rynien pieców stalowych.
• W inżynierii mechanicznej metal jest wykorzystywany jako materiał na produkty takie jak pompy i armatura rurowa pracująca w agresywnych środowiskach.
• 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 wykorzystywany jest jako surowiec do cermetu - powłoki ceramiczno-metalowej o podwyższonej odporności na ścieranie i kwasy.
• W optyce aktywnie wykorzystuje się fianit - przetworzony cyrkon z dodatkami skandu i innych metali ziem rzadkich. Fianity mają znaczny kąt załamania światła, co pozwala na ich wykorzystanie jako materiału do produkcji soczewek. W biżuterii cyrkonia jest znana jako syntetyczny substytut diamentu.
• W przemyśle wojskowym cyrkon służy jako wypełniacz 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 jest na poziomie 21 W/m C, czyli 1,9 razy mniej niż tytanu. Opór elektryczny cyrkonu wynosi 41-60 μOhm cm i jest bezpośrednio uzależniony od ilości tlenu i azotu w metalu.

Cyrkon ma jedną z najniższych szybkości wychwytywania poprzecznych neutronów termicznych (0,181 barn). Zgodnie z tym parametrem ze znanych obecnie metali omija go jedynie magnez (0,060 barn).

Cyrkon, podobnie jak żelazo, jest paramagnetyczny. Jego podatność na pole magnetyczne 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 zwykła stal węglowa. 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. Zwiększenie składu wodoru do 0,001% zwiększa prawie 2-krotnie kruchość cyrkonu.

Cyrkon jest odporny na wodę oraz większość zasad i kwasów. Jednak, podobnie jak właściwości mechaniczne, odporność na korozję jest bezpośrednio zależna od zanieczyszczenia metalu takimi pierwiastkami, 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. Kiedy znak osiągnie 780 ºС, rozpoczyna się aktywna absorpcja tlenu przez cyrkon. W przypadku azotu procesy te są wolniejsze, ale temperatura jest również niższa. Tylko 600 ºС.

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 usuwanie wodoru odbywa się na specjalnym sprzęcie w temperaturze 800 ºС.

Właściwości lecznicze

Jako pierwiastek chemiczny nie ma żadnego wpływu na organizm człowieka. 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 pokazały się w prawdziwej praktyce. Eksperci medyczni udowodnili, że dobre samopoczucie 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 roku Martin Heinrich Klaproth, członek Berlińskiej Akademii Nauk, opublikował wyniki analizy kamienia szlachetnego sprowadzonego z wybrzeża Cejlonu. Podczas tej analizy wyizolowano substancję, którą Klaproth nazwał ziemią cyrkonową. Pochodzenie tej nazwy tłumaczy się na różne sposoby. Niektórzy wywodzą się z arabskiego słowa „zarkun”, co oznacza minerał, inni uważają, że słowo „cyrkon” pochodzi od dwóch perskich słów „król” – złoto i „pistolet” – kolor (ze względu na złoty kolor odmiana cyrkonu - hiacynt ).

Jak pozyskiwano i pozyskiwano cyrkon

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

35 lat po eksperymentach Klaprotha słynny szwedzki chemik Jens Jakob Berzelius zdołał uzyskać metaliczną cyrkon. Berzelius redukował fluorocyrkonian potasu metalicznym sodem:

K 2 + 4Na → Zr + 2KF + 2NaF

i otrzymał srebrnoszary metal.

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

W XIX i na początku XX wieku. wielu naukowców próbowało pozyskać czysty cyrkon, ale wszelkie próby przez długi czas kończyły się niepowodzeniem. Przetestowana metoda aluminotermiczna nie pomogła, eksperymenty, których autorzy starali się uzyskać 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 istnieje tylko w stężonym kwasie siarkowym i po rozcieńczeniu rozpoczyna się hydroliza i reakcje tworzenia kompleksu. Ostatecznie okazuje się:

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

W roztworze wodnym hydrolizuje się również chlorek cyrkonu:

ZrCl4 + H2O → ZrCl2 + 2HCl.

Niektórzy badacze wierzyli, że udało im się uzyskać cyrkon poprzez elektrolizę 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 cyrkonu; w innych wodorotlenek cyrkonu, który wygląda jak metal.

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

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

W ten sposób uzyskano metaliczny cyrkon, który można poddawać obróbce – kucie, walcowanie, walcowanie – mniej więcej równie łatwo jak miedź.

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

Metoda nakładania początkowo zyskała pewną popularność, ale wysoki koszt uzyskiwanego tą metodą cyrkonu poważnie ograniczył jej zakres. A właściwości cyrkonu okazały się interesujące. (Więcej o nich poniżej.) Istnieje potrzeba opracowania nowej, tańszej metody otrzymywania cyrkonu. Taką metodą stała się ulepszona metoda Crolla.

Metoda Croll pozwala na uzyskanie cyrkonu za połowę ceny metody przedłużania. Schemat tej produkcji obejmuje dwa główne etapy: dwutlenek cyrkonu jest chlorowany, a powstały czterochlorek cyrkonu jest redukowany metalicznym magnezem pod warstwą roztopionego metalu. Produkt końcowy, gąbka cyrkonowa, jest topiony w pręciki i w tej formie wysyłany do konsumenta.

Dwutlenek cyrkonu

Podczas gdy naukowcy szukali sposobu na uzyskanie metalicznego cyrkonu, praktycy zaczęli już stosować niektóre jego związki, przede wszystkim cyrkon. Właściwości dwutlenku cyrkonu w dużej mierze zależą od sposobu jego otrzymywania. ZrO 2 , powstały podczas kalcynacji niektórych termicznie niestabilnych 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 fluorowodoru.

Kolejna ciekawa właściwość: mocno podgrzana cyrkonia emituje światło tak intensywnie, że może być wykorzystana w technice oświetleniowej. Z tej własności skorzystał znany niemiecki naukowiec Walter Hermann Nernst. Pręty żarowe w lampie Nernsta zostały wykonane z ZrO 2 . Żarzący się 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 produkowano ogniotrwałe materiały cyrkonowe, które wytrzymują trzykrotnie dłużej niż zwykłe. Materiały ogniotrwałe zawierające dodatek ZrO 2 pozwalają na wytopienie do 1200 stali bez naprawy pieca. To dużo.

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

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

Lista branż potrzebujących cyrkonu mogłaby być długa. Zobaczmy jednak, do czego przydatny był metal cyrkon, którego nie można było uzyskać tak długo.

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, której obecność powoduje, że jest ona mniej ciągliwa.

Stale stopowe z cyrkonem nie tracą wymaganej wiązkości w szerokim zakresie temperatur, dobrze znoszą obciążenia udarowe. Dlatego do stali używanej do produkcji płyt pancernych dodawany jest cyrkon. Prawdopodobnie uwzględnia to fakt, że dodatki cyrkonu mają pozytywny wpływ na wytrzymałość stali. Jeżeli próbka stali niestopowej z cyrkonem zapada się pod obciążeniem około 900 kg, to stal o tej samej recepturze, ale z dodatkiem zaledwie 0,1% cyrkonu, może wytrzymać obciążenie 1600 kg.

Metalurgia metali nieżelaznych również zużywa znaczne ilości cyrkonu. Tutaj jego działanie jest bardzo zróżnicowane. Niewielkie dodatki cyrkonu zwiększają odporność cieplną 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 z 14% Zr w 5% kwasie chlorowodorowym w temperaturze 100°C jest 70 razy (!) większa niż w przypadku komercyjnie czystego tytanu. W przeciwnym razie cyrkon wpływa na molibden. Dodatek 5% cyrkonu podwaja twardość tego ogniotrwałego, ale raczej miękkiego metalu.

Istnieją inne obszary zastosowania metalicznego cyrkonu. Wysoka odporność na korozję i względna nietopliwość umożliwiły jej zastosowanie w wielu gałęziach przemysłu. Przędzarki do produkcji włókien sztucznych, kształtek na gorąco, sprzętu laboratoryjnego i medycznego, katalizatorów - to nie jest pełna lista produktów wykonanych z metalicznego cyrkonu.

Jednak metalurgia i budowa maszyn nie były głównymi konsumentami tego metalu. Do produkcji energii jądrowej potrzebne były ogromne ilości cyrkonu.

Problem „reaktorowego” cyrkonu

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, że jest materiałem konstrukcyjnym do budowy reaktorów.) Główną z tych właściwości jest mały przekrój wychwytywania neutronów termicznych. W zasadzie tę cechę można zdefiniować jako zdolność materiału do wychwytywania, absorbowania neutronów, a tym samym zapobiegania propagacji reakcji łańcuchowej.

Przekrój wychwytywania neutronów jest mierzony w oborach. Im większa jest ta wartość, tym więcej neutronów pochłania materiał i tym bardziej zapobiega rozwojowi reakcji łańcuchowej. Naturalnie do strefy reakcyjnej reaktorów wybiera się materiały o minimalnym przekroju wychwytywania.

Dla czystego metalicznego cyrkonu wartość ta wynosi 0,18 barn. Wiele tańszych metali ma takie same przekroje wychwytywania: na przykład cyna ma 0,65 bary, aluminium 0,22 bary, a magnez tylko 0,06 bary. Ale zarówno cyna, jak i magnez i aluminium są topliwe i nieodporne na ciepło; cyrkon topi się tylko w 1860°C.

Wydawało się, że jedynym ograniczeniem była dość wysoka cena elementu nr 40 (choć pieniędzy nie należy szczędzić dla tej branży), 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 pierwiastków hafn znajduje się bezpośrednio pod cyrkonem) wychwytuje neutrony termiczne 500 razy intensywniej niż cyrkon. Nawet drobne zanieczyszczenia hafnu silnie wpływają na przebieg reakcji. Na przykład zanieczyszczenie 1,5% hafnem zwiększa przekrój wychwytywania cyrkonu o współczynnik 20.

Technika ta napotkała problem całkowitego oddzielenia cyrkonu i hafnu. Jeśli indywidualne właściwości obu metali są bardzo atrakcyjne, to ich połączona obecność sprawia, że ​​materiał jest absolutnie nieodpowiedni dla technologii jądrowej.

Problem rozdzielenia hafnu i cyrkonu okazał się bardzo trudny – ich właściwości chemiczne są prawie takie same ze względu na skrajne podobieństwo budowy atomów. Do ich separacji stosuje się złożone wieloetapowe oczyszczanie: wymiana jonowa, wielokrotne wytrącanie, ekstrakcja.

Wszystkie te operacje znacząco podnoszą koszt cyrkonu, który już jest drogi: plastyczny metal (99,7% Zr) jest wielokrotnie droższy niż koncentrat. Problem ekonomicznego oddzielenia 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, był wyposażony w reaktor cyrkonowy. Później okazało się, że bardziej opłacalne jest wykonanie powłok ogniw paliwowych z cyrkonu niż stacjonarnych części rdzenia reaktora.

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

Cyrkon, powietrze i woda

W poprzednich rozdziałach prawie nic nie zostało powiedziane o właściwościach chemicznych pierwiastka #40. Główną tego przyczyną jest niechęć do powtarzania wielu artykułów i monografii o elementach metalowych. Cyrkon jest najbardziej typowym metalem, charakterystycznym przedstawicielem swojej grupy (i podgrupy) i swojego okresu. Charakteryzuje się dość dużą aktywnością chemiczną, która jednak występuje w formie utajonej.

Przyczyny tej tajemnicy oraz związek cyrkonu ze składnikami wody i powietrza należy omówić bardziej szczegółowo.

Kompaktowy metaliczny cyrkon wygląda bardzo podobnie do stali. W żaden sposób nie wykazuje aktywności chemicznej i w normalnych warunkach zachowuje się wyjątkowo bezwładnie w stosunku do gazów atmosferycznych. Pozorną pasywność chemiczną cyrkonu wyjaśnia się 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.

Tak więc 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 jest niezawodną osłoną, 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.

Interesująca jest relacja cyrkonu do wody. Oczywiste oznaki interakcji metalu z wodą nie są widoczne przez długi czas. Ale na powierzchni cyrkonu zwilżonej wodą zachodzi proces, który nie jest typowy dla metali. Jak wiadomo, wiele metali pod wpływem wody ulega korozji galwanicznej, która polega na przechodzeniu ich kationów do wody. Cyrkon jest również utleniany pod wpływem wody i pokryty 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 cyrkonylu, roztwory zawierają dużą liczbę różnych złożonych jonów cyrkonu, zarówno uwodnionych, jak i hydrolizowanych. Ich ogólna skrócona formuła (4 p–m)+ .

Tak złożone zachowanie cyrkonu w roztworze tłumaczy się wysoką aktywnością chemiczną tego pierwiastka. Preparatywny cyrkon (oczyszczony z ZrO 2) wchodzi w wiele reakcji, tworząc związki proste i złożone. „Sekret” zwiększonej aktywności chemicznej cyrkonu tkwi w strukturze 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 następuje polimeryzacja. W tym 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 dobrze znana była biżuteria wykonana z tzw. niedoskonałych diamentów. Ich niedoskonałość polegała na mniejszej twardości niż w przypadku 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 używany przez nich cenny minerał to monokryształy cyrkonu, głównego minerału cyrkonu. Cyrkon występuje w różnych kolorach, od bezbarwnych do krwistoczerwonych. Jubilerzy nazywają czerwony drogocenny hiacynt cyrkonowy. Hiacynty znane są od bardzo dawna. Zgodnie z tradycją biblijną 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. Było to spowodowane ekstremalnym rozproszeniem cyrkonu w skorupie ziemskiej i brakiem 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 dwutlenek cyrkonu, baddeleyit ZrO 2 , oraz krzemian cyrkonu ZrSiO 4 . Najpotężniejsze ze zbadanych złóż cyrkonu i baddeleyitu znajdują się w USA, Australii i Brazylii. Indie, Afryka Zachodnia.

ZSRR posiada znaczne rezerwy surowców cyrkonowych zlokalizowane w różnych regionach Ukrainy, Uralu i Syberii.

PbZrO 3 - piezoelektryczny

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

Cyrkon a mózg

Wysoka odporność korozyjna cyrkonu umożliwiła jego zastosowanie w neurochirurgii. Stopy cyrkonu są używane do wytwarzania klamer hemostatycznych, narzędzi chirurgicznych, a czasem nawet nici do szycia podczas operacji mózgu.