Masanın üzerinde zirkonyum. Zirkonyum bilezikler - metalin iyileştirici gücü

Daha sonra atom kütlesi 91.224 g / mol olan bu kimyasal element, D.I. tablosunda 40. sırada yer aldı. Mendeleev, 19. yüzyılın başında İsveçli kimyager Jens Jakob Berzelius tarafından elde edildi. Seylan'dan başka bir bilim adamı - Martin Heinrich Klaproth - tarafından getirilen bir mücevherde bulunan ZrO2 oksit temel alındı. Metalik sodyumun potasyum florozirkonat üzerindeki etkisinin başarılı olduğu ortaya çıktı:

K2 + 4Na → Zr + 2KF + 2NaF

Deneylerin sonucu, saf zirkonyumun üretilmesiydi - parlak, gümüşi beyaz bir metal, inanılmaz derecede plastik ama aynı zamanda oldukça yoğun. Daha sonra, Zr'nin sıcak ve soğuk (dövme, haddeleme, damgalama) işlemeye mükemmel şekilde uyduğu, ancak metalik olmayan safsızlıklar alarak en iyi özelliklerini neredeyse tamamen kaybettiği ortaya çıktı.

Zirkonyumun fiziksel özellikleri

Zirkonyumun iki kristal modifikasyonu bilinmektedir:

• α-zirkonyum - altıgen sıkı paketlenmiş kafes (a = 3.228Å; c = 5.120Å)
• β-zirkonyum - kübik gövde merkezli kafes (a = 3.61Å)

α formundan β formunun elde edilmesi, metalin 862°C'ye ısıtılmasıyla mümkündür.

Zirkonyum aşağıdaki fiziksel özelliklere sahiptir:

• zirkonyum yoğunluğu - 6.45 g/cm3 (normal şartlar altında yani 20°C'de)
• erime noktası - 1825°С
• kaynama noktası 3580-3700°С
• özgül ısı kapasitesi (25-100°С) – 0.291 kJ/(kg K)
• termal iletkenlik katsayısı (50 ° С) - 20,96 W / (m K)
• doğrusal genleşme sıcaklık katsayısı (20-400°С) – 6.9 10-6
• elektrik direnci (20°C) - 44,1 μk cm

Safsızlık olarak hidrojen, karbon, nitrojen veya oksijen içeren bir metalin kırılganlığı gözle görülür şekilde artar. Saf zirkonyum aşağıdakilerle donatılmıştır:

• elastikiyet modülü (20 ° С) - 97 Gn / m2 (9700 kgf / mm 2)
• çekme mukavemeti - 253 MN / m 2 (25.3 kgf / mm 2)
• Brinell sertliği - 640-670 MN / m 2 (64-67 kgf / mm 2)

Zirkonyumun korozyon direnci

Korozyon koruması, zirkonyum durumunda sıklıkla ön plana çıkan kalitedir. Bu element alkalilerde, nitrik veya hidroklorik asitlerde çözünmez. Bu, herhangi bir çok bileşenli magnezyum alaşımlarını korozyona karşı daha dirençli hale getiren mükemmel bir alaşım elementidir.

Korozyon korumasına ek olarak, zirkonyum alaşımın diğer özelliklerini önemli ölçüde iyileştirebilir: tokluğunu korumak, darbe direncini artırmak ve bakır alaşımlarında önemli sertleşmenin arka planına karşı elektrik iletkenliğini korumak. Magnezyum alaşımındaki Zr yüzdesinin sadece birkaç onda biri gücünü ikiye katlar. Zirkonyum varlığında performanslarını büyüklük sırasına göre artıran alüminyum alaşımları için de hemen hemen aynı şey söylenebilir.

Metalurjide zirkonyum

Zirkonyum, metalurjide yaygın olarak kullanılan bir metaldir. Her şeyden önce, oldukça etkili bir oksijen giderici olarak kullanılır (bu özellikler açısından Zr, titanyum ve manganezden daha iyi olduğu ortaya çıktı). Ayrıca zirkonyum, çeliklerin tokluğunun korunmasına katkıda bulunurken, onlara yüksek şok yüklerine karşı direnç kazandırır. Son olarak, Zr elementi gazları ve sülfürü alaşımdan uzaklaştırır, bu da metalin plastisitesinin korunmasına katkıda bulunduğu anlamına gelir.

Örneğin: zirkonyum içermeyen bir metal alaşımı 900 kg'lık bir darbe yüküne dayanır. Sadece %0.1 Zr ilavesi onu 1600 kg'a yükseltir.

Demir dışı metalurjide, zirkonyum bir alaşım elementi görevi görür ve ayrıca alüminyum alaşımlarının ısı direncini arttırmak için kullanılır.

Gezegenimiz metaller de dahil olmak üzere mineraller açısından zengindir. En yaygın olanlardan biri zirkonyumdur. Dünyanın herhangi bir köşesinde bulunabilir. Bu metal nedir, özellikleri nelerdir ve nerelerde kullanılır?

Kimyasal özellikler

Basit madde zirkonyum, D. I. Mendeleev'in periyodik sisteminin beşinci periyodunun IV grubunun bir yan alt grubunun bir elementidir. Atom numarası 40 ve atom kütlesi 91.224'tür. Sarımsı bir renk tonu ve karakteristik bir parlaklığa sahip çelik grisi bir metaldir. Zirkonyum atıklarının yeniden eritilmesiyle elde edilir. ve yerkabuğunda saf halde bulunmadığından cevher konsantresinden elde edilir.

doğal olarak metalik zirkonyum kimyasal doğal bileşikler şeklinde dağıtılır - 40'tan fazla tuz veya oksit. 18. yüzyılın sonunda, Alman bilim adamı Klaproth, sümbül taşından zirkonyum oksit izole etti. Bu taşın değerli çeşidine aittir. 20. yüzyıla kadar metal saf haliyle elde edilemedi, ancak 20'li yıllarda bilim adamları yine de başarıya ulaştı.

Saflaştırılmış haliyle altını ayırt eden birçok özelliğe sahiptir:

• plastik;
• biçimlendirilebilir;
• Anti korozyon;
• ısıya dayanıklı;
• paramanyetik.

Metal klorlu ve deniz suyuna maruz kalmaktan korkmaz. Düşük ve yüksek sıcaklıklarda yüksek özelliklerini kaybetmez. Amonyak, asit ve alkalilere karşı dayanıklıdır. Esas olarak, üretilebilirliğini artıran ve özelliklerini neredeyse benzersiz kılan diğer metallerin alaşımlarına eklemek için kullanılır. Adını Farsça "tsargun" (altın taş) kelimesinden almıştır.

Oldukça sık zirkonyum zirkon ile karıştırıldı bir zirkonyum silikat olan. Metal rengini değiştirebilir ve renk şu şekilde olabilir:

• Yeşil;
• Kahverengi;
• siyah;
• Sarı;
• bazen kırmızı.

Rengi, bileşimi oluşturan safsızlıklara bağlıdır. Taşı renklendiren yabancı maddeler arasında genellikle kalsiyum, bakır, demir, çinko, uranyum, stronsiyum ve titanyum bulunur. Ayrıca nadir toprak elementleri içerir.

Doğada olmak

Zirkonyum cevher yatakları, dünyanın bağırsaklarında yaygın olarak dağılmıştır. Mevduat, formda çeşitli şekillerde görülebilir:

• amorf oksitler;
• tuzlar;
• tek kristaller.

Afrika yataklarında 1 kg ağırlığa kadar kristaller bulunur. Tüm zirkonyumun (metal) çoğu Avustralya, Hindistan, Güney Afrika, Brezilya ve Kuzey Amerika'da yoğunlaşmıştır. Bu eyaletler bu metalin en büyük rezervlerine sahiptir. Rusya, Sibirya ve Urallarda dünya zirkonyum rezervlerinin neredeyse %10'una sahiptir. Çoğu zaman cevherde, özelliklerine yakın olduğu için hafniyum ile birlikte oluşur. Her birinin kendine özgü çekici özellikleri vardır, ancak birlikte kullanılamazlar. Çok aşamalı saflaştırma, bu iki elementi ayırmayı mümkün kılar, ancak böyle bir üretim süreci zirkonyumu önemli ölçüde daha pahalı hale getirir.

Doğada bulunan büyük yeşil ve opak zirkon ancak radyasyon artışına neden olabilirler. Bu tür numuneler kesilemez, evlerde saklanamaz ve büyük hacimlerde taşınamaz. Zirkonyum, tüm dünyadaki metaller arasında dağılımda 12. sırada yer almaktadır. Bu gerçeğe rağmen, nadir bulunan radyoaktif elementlerle karşılaştırıldığında bile uzun süre popüler olmayan bir elementti. Bu, rezervlerinin birçoğunun yeryüzüne dağılmış olması, ancak çok büyük rezervlerin olmaması ile açıklanmaktadır.

Metal zirkonyum uygulaması

Eşsiz özellikleri ve nitelikleri nedeniyle bu element birçok endüstride kullanılabilir. Onun modern endüstrinin çeşitli alanlarında alaşımlar şeklinde kullanılır:

• uçak yapımı;
• nükleer enerji;
• roket bilimi;
• enstrümantasyon;
• Dökümhane;
• askeri sanayi;
• tıbbi malzeme.

Titanyumunkini bile aşan yüksek stabilitesi nedeniyle tıp endüstrisinde çok popüler hale gelmiştir. Protez ve cerrahi aletlerin üretiminde kullanılır.

Metalik zirkonyum uzun zamandır mücevher yapımında kullanılmaktadır. Eloksallı metal olduğu için birçok ton alabilmektedir. Bu, kuyumcuların mücevher yaratırken çeşitli sanatsal fikirleri somutlaştırmasını sağlar. Ürünler zarif ve güzel görünüyor, bu nedenle dünya mücevher pazarında değer görüyorlar.

Yüksek derecede korozyon koruması ile bu alaşım elementi, çok bileşenli magnezyum alaşımlarının korozyona karşı çok daha dirençli olmasına yardımcı olur. Ayrıca alaşımların tokluğunu iyileştirir, darbe dirençlerini artırır. Bakırlı alaşımlarda, mukavemete ek olarak elektrik iletkenliğini de korur. Alüminyum içeren alaşımlarda bu benzersiz element, performanslarını önemli ölçüde artırır.

Metalurji endüstrisinde yaygın olarak kullanılan element ve son derece etkili bir oksijen giderici görevi görür. Bu kalite, manganez ve titanyumdan birkaç kat daha yüksektir. Zirkonyum, çelik kalitelerinin tokluğunu artırarak darbe yüklerine karşı daha dirençli olmalarına yardımcı olur. Alaşımlardan kükürt ve gazı uzaklaştırarak sünekliği arttırır. Ayrıca demir dışı metalurjide alaşım elementi olarak ve alüminyum alaşımlarının ısı kapasitesini arttırmak için kullanılır.

Tıbbi özellikler

Özel fiziksel ve kimyasal özelliklerinden dolayı zirkonyum tıpta aktif olarak kullanılmaktadır. Alkali, asidik ve sulu ortamların yanı sıra amonyak etkilerine karşı nötr olması nedeniyle tıbbi aletlerin imalatı için bileşimlere eklenir. O yaraların hızlı iyileşmesini uyarır ve antimikrobiyal etki gösterir. Bu özelliklerinden dolayı yaralarda irin oluşmaz ve yaralara enfeksiyon girmez.

Element bir alerjen değildir, bu nedenle alerjik reaksiyonları kolaylaştırır. Radyasyon iletmez ve mükemmel bir antiseptik olarak kabul edilir. Tıpta dikiş ipliği üretimi için kullanılmaya başlandı. Metal çok sünek olduğu için kırıklar sırasında kemiklerin yapısını korumayı mümkün kılar. Bu nedenle, kemikler birlikte daha hızlı büyür.

Diş hekimliği ve ortopedik protezlerde de aktif olarak kullanılmaktadır. Vücudun dokularını tahriş etmez ve herhangi bir ortama göre nötrdür. Birçok metal türü, ağız boşluğunda zirkonyum hakkında söylenemeyecek bir alerjik reaksiyona neden olur. Özellikleri ve nadir özellikleri nedeniyle tıbbi alet ve implant imalatında vazgeçilmez hale gelmiştir.

Bazı gıdalarda bulunur, ancak minimum miktarlarda. Örneğin, zirkonyum koyun eti, yulaf ezmesi, pirinç, antep fıstığı, baklagiller ve diğer gıdalarda bulunur, ancak sağlık üzerinde olumsuz etkilere neden olacak kadar az miktarda bulunur.

Buna inanılıyor zirkonyumlu takılar vücut üzerinde olumlu bir etkiye sahiptir. Kulakları deldikten sonra hemen zirkonyumlu küpeler takarsanız, yaralar daha hızlı iyileşir. Metalin cildin durumu üzerinde iyi bir etkisi vardır, bu nedenle vücutta bilezik ve diğer ürünlerin kullanılması tavsiye edilir. Cilt hastalıkları, artroz, artrit, hipertansiyon üzerinde iyileştirici bir etkiye sahiptir. Bu tür tezahürlere rağmen, resmi tıp henüz böyle bir kanıt sunmamıştır.

Zirkonyum (Zr), atom numarası 40 ve atom ağırlığı 91.22 olan bir elementtir. Dmitry Ivanovich Mendeleev'in periyodik kimyasal element tablosunun beşinci periyodu olan dördüncü grubun ikincil bir alt grubunun bir elementidir. Normal koşullar altında serbest haldeki zirkonyum, 6.45 g/cm3 yoğunluğa sahip parlak gümüş-beyaz bir metaldir. Saf, kirlilik içermeyen zirkonyum çok sünektir ve kolayca soğuk ve sıcak işlenebilir. Gruptaki komşusu da dahil olmak üzere diğer birçok metal gibi - metal olmayan safsızlıklar (özellikle oksijen) içeren titanyum, zirkonyum, mekanik özelliklerini keskin bir şekilde kötüleştirir. Örneğin, bir nükleer reaktörün güvenilir bir şekilde çalışması için, bor, kadmiyum ve diğerleri gibi “tehlikeli” safsızlıkların, bölünebilir malzemelerde yüzde milyonda birini geçmeyen miktarlarda bulunması gerekir. Nükleer reaktörler için en iyi yapısal malzemelerden biri olan saf zirkonyum, kendi minerallerine sahip olmayan ve genellikle doğada zirkonyuma eşlik eden hafif bir hafniyum katkısı bile içeriyorsa, bu amaç için tamamen uygun olmaz.

Bilim, zirkonyumun beş doğal izotopunu bilir: 90Zr (%51.46), 91Zr (%11.23), 92Zr (%17.11), 94Zr (%17.4), 96Zr (%2.8). Yapay olarak elde edilen radyoaktif zirkonyum izotoplarından en önemlisi, yarı ömrü 65 gün olan 95Zr'dir. Bir izotop izleyici olarak uygulama bulmuştur.

1789'da Alman kimyager Martin Heinrich Klaproth, mineral zirkon analizinden zirkonyum dioksiti izole etti. Bir toz şeklinde, zirkonyum ilk olarak çok daha sonra elde edildi - 1824'te Jens Jakob Berzelius tarafından ve plastik zirkonyum, zirkonyum iyodürlerin termal ayrışması nedeniyle yalnızca 1925'te Hollandalı bilim adamları A. van Arkel ve I. de Boer tarafından elde edildi.

Metalik zirkonyumun en değerli özelliklerinden biri, çeşitli ortamlarda korozyona karşı yüksek direncidir. Örneğin nitrik ve hidroklorik asitlerde ve alkalilerde çözünmez. Çeliklerin zirkonyum ile alaşımlanması, 40 numaralı metalin bu özelliğine dayanmaktadır. Böylece, zirkonyum ilavesiyle çok bileşenli magnezyum alaşımları daha korozyona dayanıklı hale gelir. Zirkonyum, titanyumun asitlerin etkisine karşı direncini arttırır. Ayrıca zirkonyum alaşımlı çelikler geniş bir sıcaklık aralığında gerekli tokluğu kaybetmezler, şok yüklere iyi direnç gösterirler. Alaşımlı çeliklerin mukavemetini arttırır. Bakıra zirkonyum eklenmesi, neredeyse elektrik iletkenliğini düşürmeden gücünü önemli ölçüde artırır. Yüzde birkaç çinko ve sadece onda birkaç yüzde zirkonyum ilavesiyle magnezyum bazlı bir alaşım, saf magnezyumdan iki kat daha güçlüdür ve 200 ° C'de mukavemetini kaybetmez. Zirkonyum kullanıldığında alüminyum alaşımlarının kalitesi de önemli ölçüde iyileşir. onlara eklenir.

Zirkonyum yavaş (termal) nötronları zor yakalar. Bu özellik, korozyona ve agresif ortamlara karşı yüksek direnç, yüksek sıcaklıklarda mekanik mukavemet ile birlikte nükleer güç reaktörlerinin tasarımında aktif olarak kullanılması ve buna dayalı alaşımların kullanılmasıdır.

Çelik üretiminde zirkonyum katkı maddeleri, ondan oksijen, azot ve kükürt çıkarmaya hizmet eder. Ayrıca zirkonyum, bazı zırh, paslanmaz ve ısıya dayanıklı çeliklerin alaşım bileşeni olarak kullanılır.

Isıtılmış bir durumda gazların aktif emilimi gibi iyi bilinen bir zirkonyum özelliğine göre, kullanımı metal tozlarının sinterlenmesine ve ayrıca elektrovakum teknolojisine dayanmaktadır. Böylece 300 °C sıcaklıkta zirkonyum hidrojeni emer ve 400 °C ve üzerinde oksijen ve nitrojen ile etkileşime girer.

biyolojik özellikler

Zirkonyum, insan vücudunun yaşamında doğrudan önemli biyolojik roller oynamaz. Biyoelement değildir, hücrelerin yapısal materyaline dahil değildir - hayati bir mikro element değildir. Bunun, bu metalin tüm özelliklerinin zayıf bilgisinden kaynaklanması oldukça olasıdır, çünkü yavaş yavaş, her yıl zirkonyum, bu elementin vücut ve insan sağlığı üzerindeki etkisiyle ilişkili olarak giderek daha fazla yeni nitelik ortaya çıkarmaktadır.

Halen travmatoloji ve çene cerrahisi kliniklerinde çoklu kemik kırıklarının tedavisi için, hızlı füzyona katkıda bulunan en küçük kaymalar bile hariç, kemik parçalarını doğru ve sıkıca sabitleyen fiksatörler (implantlar) yöntemi kullanılmaktadır. kemik dokularının ve ameliyat sonrası yaranın hızlı iyileşmesi.

Dünya pratiğinde implant üreticileri, plaka ve vida üretimi için paslanmaz çelik ve titanyum alaşımları kullanır. Ülkemizde, en iyi yabancı örneklerden daha düşük olmayan E125 ve E110 dereceli zirkonyum alaşımlarından yapılmış implantlar geliştirildi ve ustalaştı. Aksine, zirkonyum alaşımlarından yapılmış implantların kullanılması bir takım avantajlar sağlar: malzemenin yüksek korozyon direnci; implantları çıkarmak için tekrarlanan cerrahi müdahaleye gerek olmadığı için mükemmel biyolojik uyumluluk (alerjik reaksiyon ve reddetme yok); zirkonyum alaşımlarının yüksek mukavemet özellikleri. Alaşımın nispeten düşük yoğunluğu, implantın tasarımını kolaylaştırmayı mümkün kılar; mükemmel süneklik, implant kıvrımının kemiğin konturuna daha hassas bir şekilde oturmasını sağlar.

Çene cerrahisi ve beyin cerrahisi için alet ve implantların listesi çok geniştir: iki düzineden fazla tipte plaka ve zımba, sabitleme için kortikal vidalar, hemostatik kelepçeler, matkaplar ve hatta beyin operasyonları sırasında dikiş için ipler!

40 Numaralı Element, alaşımları gibi çevre yumuşak dokuları ve kemiği tahriş etmez, biyolojik dokularla mükemmel uyumludur ve onlar üzerinde özel bir etkiye sahiptir. Doktorlar, zirkonyum küpe takmanın, altın küpe takmaya göre 2-3 gün önce deldikten sonra kulak memesindeki yarayı iyileştirdiğini bulmuşlardır. Ayrıca, sürekli olarak zirkonyum veya zirkon kullanılarak yapılan takıları takan kişiler, genel durumlarında önemli bir iyileşme kaydettiler. Deneyler, zirkonyum bilezikler, kemerler ve plakalar ile cilt hastalıklarının tedavisinde olumlu sonuçlar verdi: dermatit, nörodermatit, çocukluk çağı egzaması, kas-iskelet sistemi hastalıkları, omurga, artrit ve metabolik kaynaklı artroz, üst ve alt ekstremite kırıkları ve diğer hastalıklar. Hastaların %90'ından fazlasında olumlu bir etki gözlenir.

Deneklerin sağlıklı yarısı, bilezik takmanın herhangi bir olumsuz etkisini hissetmedi, ancak genel sağlıklarında bir iyileşme kaydetti.

Bu nedenle, bu metalden, alaşımlarından ve minerallerinden yapılan zirkonyum bilezik ve diğer takıların tüm hastalıklar için her derde deva olmadığı, ancak insan vücudu üzerinde belirli bir iyileştirici etkisinin olduğu söylenebilir. Her durumda, zarar vermez.

Ortaçağ kuyumcuları, benzersiz mücevherler yaratmak için genellikle "kusurlu elmasları" kullandılar. Bu "elmaslar" gerçek taşlardan çok az farklıydı - biraz daha yumuşak ve hafif bulanıktı, bu da kesme taşın bir elmas gibi parlamasına ve parlamasına izin vermiyordu. Bu taşların daha özel isimleri de vardı: Matara elmasları - çıkarıldığı yere göre - Sri Lanka adasındaki Matare (Matturai) bölgesi. Jargon veya Seylan Jargon - Sarı, saman sarısı ve dumanlı zirkonlar. Bunlara Siyam elmasları da denir. Starlite veya starlight - doğal gök mavisi renkli veya termokimyasal işlemden sonra elde edilen zirkon. Sümbül - şeffaf bal sarısı, kırmızı-kahverengi, kırmızı-kahverengi, kırmızı, pembe zirkon. Bu taşın rengi sümbüle benziyor - eski Yunan efsanesine göre, Apollo tarafından rüzgar tanrısı Zephyr tarafından öldürülen Apollo'nun favorisi olan güzel genç adam Sümbül'ün vücudundan (veya kanından) yetiştirilen bir çiçek.

Elbette ortaçağ ustaları zirkonyum minerali - zirkon tek kristalleri ile çalıştıklarını bilmiyorlardı.

Zirkonyum çok küçük bir termal nötron yakalama kesitine sahiptir. Bu nedenle, hafniyum içermeyen metalik zirkonyum ve alaşımları nükleer enerji endüstrisinde yakıt elemanlarının, yakıt düzeneklerinin ve diğer nükleer reaktör tasarımlarının imalatında kullanılır. Böylece, ilk Amerikan nükleer denizaltısı Nautilus'a tamamen zirkonyumdan yapılmış bir reaktör kuruldu. Daha sonra, reaktör çekirdeğinin sabit kısımlarından değil, zirkonyumdan yakıt elemanı (TVEL) kaplamaları yapmanın daha karlı olduğu ortaya çıktı.

Çeliklerin alaşımlanması sırasında zirkonyum katkıları alaşımın mukavemet özelliklerini arttırır. Böylece, zirkonyumla alaşımlı olmayan çeliklerin prototipleri, bir tondan daha az bir yük altında, aynı bileşimdeki çelikler, ancak sadece% 0.1 zirkonyum ilavesiyle, bir buçuk tondan fazla bir yüke dayanabilir!

"Reaktör saflığı" olarak adlandırılan zirkonyum için spesifikasyonlar, içinde %0.02'den fazla hafniyum bulunmasına izin vermez. Ancak zirkonyumun ebedi yoldaşının bu tür homeopatik dozları bile oldukça önemli ölçüde - altı buçuk kat - zirkonyumun nötron şeffaflığını azaltır!

Zirkonyum dioksit çok ilginç bir özelliğe sahiptir: çok ısınır, o kadar yoğun ışık yayar ki aydınlatma teknolojisinde kullanılabilir. Zirkonyum dioksitin bu özelliğini ilk öğrenen ünlü Alman fizikçi Walter Hermann Nernst oldu. Bu olağandışı fenomene dayanarak, fizikçi daha sonra akkor çubukların zirkonyum dioksitten yapıldığı "Nernst lambası" adını alan bir lamba tasarladı.

Zirkonyum tetraklorür tarafından çok ilginç bir uygulama bulundu. Bu maddenin bir plakasının elektriksel iletkenliği, üzerine etki eden basınca bağlı olarak değişir. Evrensel bir basınç göstergesinin çalışması bu prensibe dayanmaktadır - basıncı ölçen bir cihaz. Basınçtaki en küçük değişiklikle, ölçeği basınç birimlerinde kalibre edilen cihazın devresindeki akım gücü de değişir. Bu tür manometreler basınç değişikliklerine son derece duyarlıdır, bu nedenle bir atmosferin yüz binde birinden binlerce atmosfere kadar olan basıncı belirlemek için kullanılabilirler!

Yağmurluklar, su itici özelliklerini, kumaşları emprenye etmek için özel bir emülsiyonun parçası olan zirkonyum tuzlarına borçludur. Zirkonyum tuzları ayrıca renkli baskı mürekkeplerinin, özel verniklerin ve plastiklerin imalatında da kullanılır. Katalizör olarak, yüksek oktanlı motor yakıtı üretiminde zirkonyum bileşikleri kullanılır. Bu elementin sülfat bileşikleri, mükemmel tanen özellikleriyle ünlüdür.

Hikaye

Aslında, zirkonyumun insanlık için popülaritesinin tarihi oldukça eskidir - Judea'daki Roma saltanatı sırasında bile, yüksek rahipler mücevherlerinde sümbül takarlardı - zirkonyumun ana minerali olan zirkon kristalleri. Farklı ülkelerden Ortaçağ kuyumcuları ürünlerini genellikle bu kristallerle süslediler. Zirkonlu takılar, 15-16. yüzyıllarda ve 19. yüzyılın otuzlu yıllarında Hindistan'da özel bir popülerlik kazandı.

Zirkonyum içeren bu mineral, tüccarların daha sonra birçok ülkeye bolca ihraç ettiği Seylan adasında çıkarıldı. Bu kristaller, çeşitli ve çok güzel renkleri nedeniyle olağanüstü bir popülerlik kazandılar: şeffaf renksiz ve soluk sarı-kahverengiden gri-yeşile, kan kırmızısına dönüşüyor. Kuyumcuların sümbül (eski adı peradol) olarak adlandırdıkları, kimyasal bileşimde ona benzeyen topaz veya yakut çeşitlerinden biri olarak kabul edilen kırmızı zirkondu. Sümbül modern adını ancak 18. yüzyılın sonunda aldı - zirkon Zr; mineralog Werner ona bu adı verdi.

Berlin Bilimler Akademisi üyesi M. G. Klaproth'un eline geçen de Seylan'dan gelen bu zirkonlardan biriydi. 1789'da kendi yöntemini kullanarak taş üzerinde araştırma yaptı ve aynı yıl analiz sonuçlarını yayınladı. Klaproth, "zirkon toprağı" adını verdiği bir madde elde etti. Zirkon tozunu kostik alkali ile özel bir gümüş potada eritti, ardından alaşımı sülfürik asitte çözdü. Ayrıca, kimyager çözeltiden silisik asit ve demiri izole etti, ardından tuz kristalleri ve onlardan “zirkonyum” (Zirkonerde) adını verdiği oksit (aynı toprak) elde etti.

Böyle bir adla, Klaproth büyük olasılıkla aşağıdaki Farsça kavramları itti: “zar” (“kral”) - altın ve “silah” (“silah”) - renk, yani kelimenin tam anlamıyla - “altın renkli”. Aşağıdaki değerlendirmelerden, bir kimyagerin elinde olan mineralin altın kahverengi bir renge sahip olduğu tahmin edilebilir. İsmin kökeniyle ilgili bir başka varsayım, Arapça "zarkun" - cinnabar, mineral kelimesine dayanmaktadır. Gördüğünüz gibi, kelimeler çok benzer, yani metalin adı anlamlarından geliyor.

Rus kaynaklarında isimler küçük farklılıklar olsa da benzerdir. Scherer (1808) metali "zirkon" olarak adlandırdı, Zakharov (1810) aynı formülasyona bağlı kaldı, Dvigubsky (1824) daha orijinal - "zirkon toprağının tabanı" veya "zirkonyum", Strakhov (1825) metali çağırıyor "zirkon".

Zirkonyum (II) oksit de Giton de Morovo tarafından yalnızca Fransa'da bulunan sümbülden izole edildi.

Metalik zirkon (çok yüksek oranda safsızlık içeren) ilk olarak 1824 yılında J. J. Berzelius tarafından potasyum florin-zirkonatın metalik sodyum ile indirgenmesiyle elde edilebilmiştir:

K2 + 4Na → Zr + 2KF + 2NaF

Sonuç, işlenemeyecek kadar kırılgan olan gümüş grisi bir metaldi. Bunun nedeni, safsızlıkların yüksek içeriğiydi. Sonuç olarak, bu eleman kullanılmadı. Uzun bir süre, farklı ülkelerden bilim adamları metal saflığı sorununu çözmeye çalıştılar. Nispeten saf zirkonyum ancak 1914'te elde edilebildi ve bakırla aynı şekilde işlenebilen (dövülebilen, haddelenmiş, haddelenmiş) metal ancak 1925'te Hollandalı kimyagerler van Arkel ve de Boer'i izole edebildi. . Uçucu bir bileşiğin (kendi durumlarında bu zirkonyum tetraiyodür ZrI4 idi) bir vakumda termal ayrışmaya maruz bırakılması gerçeğinden oluşan yeni “birikme” yöntemini kullanarak geleneksel ve yaygın olarak kullanılan elektroliz yönteminden ayrıldılar, ve saf metal, sıcak bir tungsten filaman üzerinde biriktirildi.

Doğada olmak

Zirkonyum oldukça yaygın bir elementtir: yerkabuğundaki içeriği ağırlıkça %0.025'tir. Yaygınlık açısından metaller arasında on ikinci sırada yer almaktadır. Bununla birlikte, zirkonyum oldukça dağınıktır ve herhangi bir önemli birikimi nadirdir. Yani ana kayalarda içeriği %1.3.10-2'yi geçmez; granitlerde, kumlu ve killi topraklarda, bu element çok daha yaygındır - 2 %10-2, ancak zirkonyum en çok alkali kayalarda yaygındır - 5 %10-2, bu da genel olarak yer kabuğundaki ortalama içerikten bile daha yüksektir . Çoğu zaman, sırayla litosferde meydana gelen çeşitli kimyasal bileşikler şeklinde bulunabilir, çünkü zirkonyum bir litofil elementtir. Doğada, bileşikleri yalnızca oksitler ve silikatlar şeklinde oksijen ile bilinir. Zirkonyum bir eser element olmasına rağmen, zirkonyumun oksit veya tuz şeklinde bulunduğu yaklaşık 40 mineral vardır. Kayalarda böyle bir dağılım ve büyük tortuların olmaması nedeniyle, zirkonyum gerçekten nadir metallerden çok daha az kullanılır. Bu metal zayıf bir su göçmenidir - deniz suyundaki zirkonyum içeriği 0.00005 mg/l'yi geçmez. Biyolojik ortamda da yaygın değildir.

Zirkon ZrSiO4, esas olarak, %67.1 ZrO2, baddeleyit ZrO2 ve çeşitli kompleks minerallerin bulunduğu doğada dağıtılır: eudialyte (Na,Ca)6ZrOH(Si3O9)2(OH,Cl)2, vb.

Zirkon, sümbül, azorit, auerbachite, engelhardit ve diğer isimlerle anıldığı antik çağlardan beri bilinen en yaygın zirkonyum mineralidir. Zirkon, her tür kayada bulunan yalıtkan bir silikattır, ancak en çok granit ve siyenitlerin karakteristiğidir. Mineral, görünümü oluşum koşullarına bağlı olarak değişen iyi şekillendirilmiş bir kristaldir, bu nedenle granitlerde ve granitik pegmatitlerde uzun prizmatik kristaller ve alkali ve metasomatik kayalarda - dipiramidal tipte bulunur. Ayrıca "ikizler", "krank ikizler", radyal radyan ve demet benzeri büyümeler de bulabilirsiniz.

Genellikle kristaller nispeten küçüktür (sadece birkaç milimetre), ancak onlarca hatta yüzlerce karat ağırlığındaki istisnalar vardır. Kuzey Carolina, Hinderson County'de birkaç santimetre uzunluğunda zirkon kristalleri bulundu. Madagaskar'da birkaç kilogram ağırlığındaki buluntular nadir değildir. Amerika Birleşik Devletleri'nde, Smithsonian Enstitüsü, Sri Lanka adasından getirilen birkaç zirkon bulunduruyor. Renk ve ağırlık bakımından farklılık gösterirler: en büyük zirkon - kahverengi 118.1 karattır; sarı-kahverengi 97.6; sarı 23.5, renksiz 23.9. Orada ayrıca Burma ve Tayland'dan büyük kristaller görebilirsiniz. Londra Jeoloji Müzesi, New York'taki Amerikan Doğa Tarihi Müzesi ve Toronto'daki Kanada Müzesi, zengin büyük zirkon koleksiyonlarına sahip olabilir. Urallarda birçok büyük ve çok güzel zirkon çıkarıldı.

Zirkonlar genellikle birçok yabancı madde içerir: demir, alüminyum, nadir toprak metalleri, hafniyum, berilyum, uranyum ve diğerleri. Bu bağlamda, bilim adamları çeşitli zirkon çeşitlerini ayırt eder: malakon, citrolite, alvit, arshinovite ve diğerleri.

Zirkondan farklı olarak mineral baddeleyit nispeten yakın zamanda keşfedildi - 1892'de Brezilya'da. Bu mineralin ana yatağı olan Posos de Caldas da orada bulunuyor. Bu tortunun bazı buluntuları şaşırtıcıdır - kayadan çıkarılan baddeleyit bloklarından biri 30 ton ağırlığındadır! Nehir ve akarsu kıyılarında, baddeleyit, %90'ın üzerinde zirkonyum dioksit içeren, çapı 7,5 mm'ye kadar olan alüvyon çakılları şeklinde oluşur. Görünüşünden dolayı bu çakıl, yerel madenciler tarafından Portekizce'de "fasulye" (fava) anlamına gelen "favas" olarak adlandırıldı.

Başvuru

Zirkonyum ve onu içeren minerallerin uygulama alanları son derece çeşitlidir, bunlar yüksek teknoloji endüstrileri ve aynı zamanda en yaygın tüketim mallarının üretimi ile ilişkilidir.

Zirkonyumun ilk tüketicisi metalurjiydi - önce siyah, sonra demir dışı. Bu, kırkıncı elementin bir takım özelliklerinden kaynaklanmaktadır. Oksijen, azot, kükürt ve fosfor için yüksek afinitesi nedeniyle, çelik deoksidizer ve temizleyici olarak demir ve silikonlu veya alüminyum ve silikonlu bir zirkonyum alaşımı kullanılır.

Zirkonyum, alaşım elementi olarak yaygın olarak kullanılır, çünkü onu diğer metallere eklemek onlara özel özellikler verir - ısı direnci, asit direnci ve diğerleri. Zirkonyum alaşımları yeni kazanılan özelliklerinin yanı sıra mekanik dayanımlarını artırmakta, bu da çalışma ömürlerinin artmasına yardımcı olmakta ve çeşitli alanlarda kullanım olanaklarını genişletmektedir. Bu tür alaşımlardan ve uygulama alanlarından birkaç örnek vermekte fayda var.

% 20'ye kadar Zr içeren ferrozirkonyum (demir ile zirkonyum alaşımı), metalurjide çelik için oksijen giderici ve gaz giderici olarak kullanılır. Kimyagerler ve metalürjistler, demir alaşımlarına zirkonyum ilavesinin, onlara silikon eklenmesiyle aynı etkiye sahip olduğunu bulmuşlardır: paslanmaz ve ısıya dayanıklı çeliklerin kalitesi iyileşir, çeliklerin mekanik mukavemeti ve kaynaklanabilirliği artar.

Ferrozirkonyum ile birlikte demir metalurjisinde yaygın olarak kullanılan bir başka zirkonyum alaşımı, silikonlu bir alaşımdır. Bu alaşım çeliklerin gazdan arındırılması için kullanılır, çünkü zirkonyum enerjik bir oksijen giderici ve arıtma katkı maddesi olduğundan, girişi metal oksitleri hızla azaltır ve nitrojeni uzaklaştırır.

Bakır-zirkonyum alaşımları, çalışma sırasında ısınan elektrikli ekipmanların iletken parçalarının imalatında kullanılır. Zirkonyumun eklenmesi, bakırın yüksek elektrik iletkenliği üzerinde pratik olarak hiçbir etkiye sahip değildir, ancak alaşımın mukavemetini ve ısı direncini önemli ölçüde artırır.

Zirkonyumlu magnezyum alaşımları iyi mekanik ve fiziksel özelliklere sahiptir ve yapısal amaçlar için en uygun olarak kabul edilir.

Zirkonyumlu alüminyum alaşımları (%3 Zr'ye kadar) korozyona dayanıklıdır, katot vakum tüplerinin ızgaralarında kullanılırlar.

Hafniyumdan saflaştırılan zirkonyum, nükleer reaktörlerde yapısal bir malzeme olarak en büyük önemi kazanmıştır. Mekanik mukavemet, yüksek erime noktası ve düşük etkili termal nötron absorpsiyon kesiti ile birlikte yüksek korozyon direnci, yakın zamanda yakıt elemanlarının (TVEL'ler) kaplanması için zirkonyumun yaygın olarak kullanılmasını mümkün kılmıştır.

Düşük ve tek tip termal genleşme katsayısı, korozyona karşı yüksek direnç ve ayrıca yüksek mekanik mukavemet ve kimyasal direnç, yüksek kaliteli kimyasal ekipman, tıbbi ekipman, implant ve beyin cerrahisi ipliklerinin imalatında zirkonyum kullanımına yol açtı.

Zirkonyum içeren malzemelerden yapılmış yüksek frekanslı ekipmanlardaki izolatörler, enerji kayıplarını önemli ölçüde azaltır.

Toz haline getirilmiş zirkonyum, esas olarak işaret fişeği, fünye, mermi sigortaları ve uzak bombaların imalatında kullanılır.

Ancak yine de çıkarılan zirkonyum hammaddelerinin çoğu (yaklaşık %90), %66'ya kadar zirkonyum dioksit (ZrO2) içeren zirkon formunda mineral formda kullanılmaktadır. Özellikleri nedeniyle - yüksek erime noktası (2700 ° C'den fazla), düşük termal genleşme katsayısı ve kimyasal saldırılara karşı direnç - ZrO2, çok çeşitli alanlarda yaygın olarak kullanılır hale gelmiştir. Termal koruyucu kaplamalar, yüksek derecede refrakter ürünler, katı elektrolitler, ısıya dayanıklı emayeler, refrakter camlar, çeşitli seramik türleri, seramik pigmentler, katalizörler, kesici aletler ve aşındırıcı malzemeler, yapay taşların üretiminde yaygın olarak kullanılmaktadır. Son on yılda elektronik ve bilgisayar teknolojisinin hızlı gelişimi ile çeşitli iletişim araçlarının yanı sıra zirkonyum dioksit fiber optikte ve elektronikte kullanılan seramiklerin üretiminde yaygın olarak kullanılmaya başlanmıştır.

Yüksek sertliği nedeniyle zirkonyum karbür ZrC, bir taşlama malzemesi olarak ve ayrıca cam keserken elmasların yerini almak için kullanılır.

Üretme

Metalik zirkonyumun endüstriyel üretiminin ana hammadde kaynağı mineral zirkon ZrSiO4'tür.

Metalik zirkonyum elde etmek için ana yöntemler üç gruba ayrılabilir: 1) geri kazanım yöntemleri; 2) termal ayrışma yöntemleri ve 3) elektrolitik yöntemler.

Her şeyden önce, zirkonyum cevherleri, elektrostatik ve manyetik ayırma ile konsantre saflaştırma ile bir gravite yönteminin kullanıldığı zenginleştirme aşamasından geçer. Konsantrenin bozunmasıyla elde edilen bileşiklerinden metalik zirkonyum üretilir. Bu durumda, aşağıdaki seçenekler mümkündür:

a) 1100 ° C'nin üzerindeki sıcaklıklarda CaCl2 ilavesiyle kireç veya kalsiyum karbonat ile sinterleme:

ZrSiO4 + ZCaO = CaZrO3 + Ca2SiO4

b) 1000 ° C'den yüksek bir sıcaklıkta soda ile sinterleme veya kostik soda ile füzyon (sıcaklık 500 ° C'nin üzerinde olmalıdır):

ZrSiO4 + 2Na2CO3 = Na2ZrO3 + Na2SiO3 + 2CO2

Alkali açma ile üretilen alaşım veya sinterden, her şeyden önce, silikon bileşikleri, su veya seyreltik hidroklorik asit ile liç yoluyla çıkarılır, ardından tortu, hidroklorik veya sülfürik asitlerle ayrıştırılır. Sonuç sırasıyla oksiklorür ve sülfatlardır.

c) 1000 ° C'ye yakın sıcaklıklarda potasyum florosilikat ile sinterleme:

ZrSiO4 + K2SiF6 = K2ZrF6 + 2SiO2

Elde edilen florozirkonat keki ısıtılır ve asitlenmiş su ile yıkanır, potasyum florozirkonat suya geçer, çözelti soğutulduğunda çoğu (%75-90) salınır.

d) yaklaşık 1000 ° C sıcaklıkta kömürle klorlama, 1700 ila 1800 ° C sıcaklıkta bir ön karbidizasyon mümkündür, silikonun çoğunu oldukça uçucu bir oksit (SiO) formunda çıkarmak için tasarlanmıştır. Sonuç, yüceltilen ve güçlendirilen zirkonyum klorür ZrCl4'tür.

Zirkonyum bileşikleri, elde edilen asidik çözeltilerden aşağıdaki yöntemlerle izole edilir:

a) sülfürik asit veya hidroklorik asit çözeltilerinden bazik zirkonyum sülfatlar xZrO2.ySO3 zH2O'nun hidrolitik çökeltilmesi;

b) hidroklorik asit çözeltilerinin buharlaşması sırasında zirkonyum oksiklorür ZrOCl2 8H2O'nun kristalizasyonu;

c) konsantre sülfürik asit ekleyerek veya sülfürik asit çözeltilerini buharlaştırarak zirkonyum sülfat Zr(SO4)2'nin kristalleştirilmesi. Sülfat ve klorürlerin kalsinasyonu sonucunda ZrO2 elde edilir.

Konsantrelerden elde edilen tüm zirkonyum bileşikleri her zaman hafniyum içerir. Zirkonyumun ondan saflaştırılması oldukça zahmetli ve pahalı bir işlemdir. Zirkonyum, K2ZrF6'nın fraksiyonel kristalizasyonu, asidik çözeltilerden organik çözücüler (örneğin, tribütil fosfat) ile ekstraksiyon, iyon değiştirme yöntemleri ve tetraklorürlerin (ZrCl4 ve HfCl4) seçici indirgenmesi ile sabit arkadaşından ayrılır.

Hollandalı bilim adamları van Arkel ve de Boer tarafından geliştirilen bir "inşa etme" yöntemi var. Uçucu bir bileşiğin (zirkonyum tetraiyodür ZrI4) vakumda termal ayrışmaya uğraması ve sıcak bir tungsten filaman üzerinde saf bir metalin birikmesi gerçeğinden oluşur. Geçen yüzyılın yirmili yıllarında, bu yöntem yaygın olarak kullanıldı, ancak bu yöntemle elde edilen zirkonyumun yüksek maliyeti, kapsamını ciddi şekilde sınırladı. Bu nedenle, zirkonyum elde etmek için yeni, daha ucuz bir yöntem geliştirmeye ihtiyaç vardı. Bu sayede geliştirilmiş Krol yöntemi haline geldi. Bu üretimin şeması iki ana aşamadan oluşur: zirkonyum dioksit klorlanır ve elde edilen zirkonyum tetraklorür, bir erimiş metal tabakası altında metalik magnezyum ile indirgenir. Nihai ürün olan zirkonyum sünger çubuklar halinde eritilerek tüketiciye bu formda gönderilir.

Fiziksel özellikler

Bildiğimiz gibi, zirkonyum uzun zaman önce - 1824'te İsveçli kimyager Jens Berzelius tarafından serbest metalik formunda izole edildi. Uzun yıllar boyunca yüksek derecede saflıkta bir element elde etmek mümkün olmadı, bu yüzden bu metalin fiziksel özelliklerini incelemek mümkün olmadı. Sadece yirminci yüzyılın ortalarında, bilim adamları safsızlıklardan arınmış zirkonyum elde etmeyi başardılar. Zirkonyumda, bazen çok büyük miktarlarda, zirkonyuma benzer kimyasal özellikler nedeniyle daha önce fark edilmeyen bu metalin sabit bir arkadaşı olan hafniyum olduğu ortaya çıktı.

Saf zirkonyum, tipik bir metal görünümüne sahiptir - çeliği andıran, ancak ondan daha fazla mukavemet ve süneklik bakımından farklı olan parlak gümüş-gri bir renk. Ayrıca, metalürjistler tarafından belirtildiği gibi, ikinci kalite, doğrudan zirkonyumda bulunan oksijen miktarına bağlıdır. Bu nedenle, erimiş sıvı zirkonyuma% 0,7'den fazla oksijen girerse, özellikleri saf metalin özelliklerinden büyük ölçüde farklı olan zirkonyumda katı oksijen çözeltilerinin oluşumu nedeniyle metal kırılgan olacaktır. Aynı etki azot, karbon ve hidrojenin safsızlıkları tarafından da uygulanır. Saf zirkonyumun 20°C'deki yoğunluğu 6.45 g/cm3, Brinell sertliği 640-670 Mn/m2 veya 64-67 kgf/mm2'dir. Sertlik, zirkonyumun sertliğini artıran ve kırılganlığını azaltan safsızlıkların (özellikle oksijen) varlığından büyük ölçüde etkilenir. Bu nedenle, oksijen içeriği %0.2'den fazla olan zirkonyum, basınçla soğuk işleme uygun değildir. Zirkonyumun çekme mukavemeti 253 MN/m2 veya 25.3 kgf/mm2'dir, elastiklik modülü 20°C = 97 Gn/m2 veya 9700 kgf/mm2'dir.

Zirkonyum yüksek sıcaklıklara sahip bir metaldir: yüksek saflıktaki zirkonyumun erime noktası (melt) 1845°C, kaynama noktası (kaynama) 3580-3700°C'dir. Zirkonyum dioksit ZrO2 doğadaki en refrakter maddelerden biridir. 2680°C'de erir! Metalin ve dioksitin bu özellikleri metalurjide kullanımlarını belirledi: ısıya dayanıklı ve ısıya dayanıklı çeliklerin zirkonyum ile alaşımlanması, refrakter üretiminde ZrO2 kullanımı.

Zirkonyumun yukarıdaki termal özelliklerine aşağıdakiler eklenmelidir: 25-100°C = 0.291 kJ/(kg∙K) veya 0.0693 cal/(g∙°C) sıcaklık aralığında özgül ısı kapasitesi; 50 ° С = 20.96 W / (m ∙ K) veya 0.050 cal / (cm s ∙ ° С) ısı iletkenlik katsayısı; 20-400 ° С = 6.9∙10-6 sıcaklıklarda doğrusal genleşme sıcaklık katsayısı. Süperiletkenlik durumuna geçiş sıcaklığı 0.7K'dır.

Metalik zirkonyum iki allotropik modifikasyon ile karakterize edilir: altıgen bir yapıya sahip olan ve 863 ° C'nin altındaki sıcaklıklarda stabil olan α-modifikasyonu ve uzamsal olarak merkezli bir küp kafesine sahip olan ve üzerindeki sıcaklıklarda stabil olan β-modifikasyonu. 863 ° C. Böylece, α-modifikasyonunun β - modifikasyonuna geçişi, 863 ° C'lik bu sınır sıcaklığında gerçekleşir. Ayrıca, alüminyum, kurşun, kalay ve kadmiyum ilavesi, bir durumdan diğerine geçiş sıcaklığını arttırır ve demir, krom, nikel, molibden, bakır, titanyum ve diğer bazı metallerin eklenmesi - daha düşük.

20°C'de yüksek saflıkta zirkonyumun elektrik direnci = 44,1 mikrohm∙cm. Zirkonyum paramanyetiktir, metal ısıtıldığında özgül manyetik duyarlılığı artar. Yani -73 °C sıcaklıkta, zirkonyumun spesifik manyetik duyarlılığı 1,28 °C ve 327 °C - 1,41 °C'dir.

Saf zirkonyumun en değerli özelliği, küçük termal nötron yakalama kesitidir (0.18 ahır). Diğer metallerden çok daha azdır - demir (2.53 ahır), nikel (4.60 ahır) veya bakır (3.69 ahır). Birçok ucuz metalin aynı düzende bir yakalama kesiti olmasına rağmen: kalay için 0,65 ahır, alüminyum için 0,22 ahır ve magnezyum için daha da az - sadece 0,06 ahır. Bununla birlikte, listelenen metallerin tümü zirkonyumdan farklı olarak eriyebilir ve ısıya dayanıklı değildir. Bu nedenle, reaktörlerin yapımında yapısal malzeme olarak kullanılan bu metaldir.

Kimyasal özellikler

Zirkonyumun en dikkat çekici özelliklerinden biri, birçok agresif ortama karşı yüksek korozyon direncidir. Korozyona direnme kabiliyeti açısından zirkonyum, niyobyum ve titanyum gibi dirençli metalleri geride bırakır. Normal koşullar altında, zirkonyum atmosferik gazlara ve suya göre inerttir ve hidroklorik ve sülfürik (%50'ye kadar konsantrasyon) asitlerle reaksiyona girmez. Deneyler sırasında, paslanmaz çeliğin 60 ° C'de yüzde beş hidroklorik asitte yılda yaklaşık 2,6 milimetre, titanyum - yaklaşık 1 milimetre ve zirkonyum - 1000 kat daha az kaybettiği bulundu. Zirkonyum alkalilere karşı en büyük dirence sahiptir, amonyak içeren alkalilere dayanıklı tek metaldir. Agresif ortamlara karşı direnç açısından, zirkonyum, korozyona karşı en güçlü savaşçılardan biri olan tantaldan bile daha düşüktür.

Bu direnç, zirkonyumun kimyasal özellikleriyle veya daha doğrusu yüzeyinde metali daha fazla tahribattan koruyan koruyucu bir oksit film oluşumuyla kolayca açıklanabilir. Zirkonyumu tamamen oksitlemek için 700°C'ye kadar ısıtmak gerekecektir, ancak o zaman film kısmen tahrip olur, kısmen metalde çözülür. 40 numaralı elementin kimyasal direncinin bittiği sınırın tam olarak 700 ° C'lik sıcaklık olduğu ortaya çıktı.Fakat bu sınırdan önce bile, zirkonyum 300 ° C ve üzerine ısıtıldığında daha fazla reaksiyona girmeye başlar. aktif olarak oksijen ve atmosferin diğer bileşenleri ile. Sonuç olarak, su buharı ile karbondioksit - karbür ve dioksit ile azot - zirkonyum nitrür ile dioksit ve hidrit oluşturur. Aynı sıcaklığa kadar zirkonyum, zirkonyumun yüksek kimyasal direncini garanti eden bir oksit filmi ile güvenilir bir şekilde korunur.

Ve yine de zirkonyum asitlerle etkileşime girer, bu, anyonik komplekslerin oluşumu mümkünse gerçekleşir. Böylece 100 ° C'nin üzerindeki sıcaklıklarda, nitrik ve hidroflorik asitler ve aqua regia karışımı ile etkileşime girer:

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

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

Hidroflorik ve sıcak konsantre (%50'nin üzerinde) sülfürik asitlerde çözünür:

Zr + 6HF = H2 + 2H2

Talaş veya toz formundaki zirkonyum havada oldukça farklı davranır. Kompakt metalik zirkonyumun aksine, bu piromorfik maddeler zaten oda sıcaklığında havada kendiliğinden tutuşur. Böyle bir süreç ekzotermiktir ve büyük bir ısı salınımı ile gerçekleşir. Toz benzeri zirkonyum hava ile karışım halinde patlayabilir.

Zirkonyumun su ile etkileşimi de olağandışıdır. Su ile temas eden çoğu metal, katyonlarının suya geçişinden oluşan galvanik korozyona uğrar. Zirkonyum, oksijene reaksiyonda olduğu gibi, su ile etkileşime girerek, çözünmeyen koruyucu bir film ile kaplanmıştır. Böylece koruyucu film özelliğinden dolayı zirkonyum su korozyonundan korunur.

Isıtıldığında, zirkonyum gazlarla etkileşime girmeye başlar. Böylece 800 ° C'nin üzerindeki sıcaklıklarda, kompakt zirkonyum aktif olarak oksijeni emmeye başlar:

Zirkonyum, nitrür oluşumu ile 700-800°C sıcaklıklarda nitrojen ile etkileşime girmeye başlar: ZrN.

300°C'nin üzerinde, zirkonyum hidrojeni emmeye başlar, katı bir çözelti oluşturur ve ZrH ve ZrH2 hidrürleri oluşturur. 1200-1300°C'de vakumda, hidritler ayrışır ve tüm hidrojen metalden çıkarılabilir.

Isıtıldığında zirkonyum metal olmayanlarla da reaksiyona girmeye başlar. 900 °C'nin üzerindeki sıcaklıklarda, ZrC karbür oluşumu ile karbon ile etkileşim gerçekleşir. Zirkonyum, halihazırda 200°C'de klor, iyot ve brom ile reaksiyona girerek daha yüksek halojenürler olan ZrX4'ü (burada X bir halojendir) oluşturur. Flor ile etkileşim normal sıcaklıkta gerçekleşir.

Periyodik tablonun kırkıncı elementi 1783 yılında Alman kökenli bir kimyager M.G. Klaprotom. Safsızlıklardan arındırılmış zirkonyum metali ancak 20. yüzyılın başında elde edildi. Ve o andan itibaren neredeyse 100 yıl geçmesine rağmen, metal hala adının kökeninden başlayarak insan sağlığına olan etkisine kadar birçok belirsizliğe sahip. Neden 1 gramın fiyatı onlarca yıldır artıyor?

Doğada olmak

Zirkonyum, doğal olarak yalnızca oksitler ve silikatlar halinde bulunur. Bunlar arasında zirkon, eudialyte, baddeleyit başlıca ayırt edilir. Mevduattaki metale her zaman hafniyumun eşlik ettiğini belirtmekte fayda var. Bu, metallerin benzer kristal kafesi nedeniyle olur.

Zirkonyum minerallerinin ana payı litosferde bulunur. Bir ton yerkabuğu, ortalama 210 gram zirkondan oluşur. Zirkonyum bileşikleri de deniz suyunda bulunur. Ancak buradaki konsantrasyonu çok daha düşüktür ve 1000 litre başına 0,05 mg'dır.

Zirkonyum yatak sayısındaki liderler Avustralya (zirkon), Güney Afrika (baddeleyit), ABD, Brezilya ve Hindistan'dan biraz daha az. Rusya dünya rezervlerinin %10'una sahip.

Fiş

Başlangıçta, zirkonyum oksitlerden “büyüme” yöntemiyle izole edildi. Sıcak tungsten filamentlere bir zirkonyum şerit monte edildi. 2000 ºС üzerindeki sıcaklıkların etkisi altında, zirkonyum metal ısıtıcı yüzeyine yapıştı ve bileşiğin geri kalan bileşenleri yandı.

Bu yöntem büyük miktarda elektrik gerektiriyordu ve kısa süre sonra daha ekonomik bir Croll yöntemi geliştirildi. Özü, zirkonyum dioksitin ön klorlanmasında ve ardından magnezyum indirgemesinde yatmaktadır. Ancak zirkonyum elde etmek için yöntemlerin geliştirilmesi burada durmadı. Bir süre sonra, zirkonyumun oksitlerden daha ucuz alkali ve florür indirgenmesi endüstride kullanılmaya başlandı.

Zirkonyum e110 bileşimi

iyodür zirkonyum

Son derece sünek ve düşük mukavemet özelliklerine sahip. Metalin iyot ile bileşik oluşturma kabiliyetine dayanan iyodür yöntemi ile elde edilir. Aynı zamanda zararlı safsızlıklar kolayca ayrılarak saf metal elde edilir. Çubuklar iyodür zirkonyumdan yapılmıştır.

Fiyat

Zirkonyumun dünya pazarına ana tedarikçileri Avustralya ve Güney Afrika'dır. Son zamanlarda zirkon ve zirkonyum minerallerinin ihracatındaki avantaj giderek Güney Afrika Cumhuriyeti'ne doğru kaymaktadır. Ana tüketiciler Avrupa Birliği (İtalya, Fransa, Almanya), Çin ve Japonya'dır. Zirkon ticareti esas olarak ferro alaşımlar şeklindedir.

Son 10 yılda zirkonyum metaline olan talep yılda ortalama %5,2 arttı. Bu süre zarfında üretim kapasitesi %2'den biraz daha fazla yükselmeyi başardı. Sonuç olarak, dünya pazarında sürekli bir zirkonyum kıtlığı oluştu ve bu, değerini artırmak için bir ön koşuldu.

Bu metale olan talebin artmasının 2 ana nedeni var:

• Nükleer endüstrinin küresel ölçekte büyütülmesi.
• Seramik üretiminde zirkonyumun aktif kullanımı.

Ayrıca bazı uzmanlar, Avustralya'da baddeleyit madenciliğinin durdurulmasının zirkonyum fiyat artışını kısmen etkilediğine inanıyor.

Rus ikincil metal pazarında zirkonyumun maliyeti kilogram başına 450 ila 7500 ruble arasında değişiyor. Metal ne kadar saf olursa, fiyat o kadar yüksek olur.

Başvuru

Yukarıdaki özellikler, zirkonyumun çeşitli endüstrilerde yaygın olarak kullanılmasını sağlar. İşte aşağıdaki alanlar:

• Elektrik mühendisliğinde, süper iletken olarak niyobyumlu zirkonyum alaşımı kullanılır. 100 kA\cm2'ye kadar yüklere dayanır. Süperiletken rejime geçiş noktası 4,2 K'dır. Ayrıca radyo cihazlarında, gaz çıkış gazlarını emmek için elektronik kartlar zirkonyum ile kaplanır. X-ışını tüpleri için zirkonya radyasyon filtreleri, yüksek tek renkli bir değer ile karakterize edilir.
• Nükleer enerji endüstrisinde, yakıt çubuklarının (nükleer fisyon ve ısı üretiminin doğrudan gerçekleştirildiği bölgeler) kabukları ve bir termonükleer reaktörün diğer bileşenleri için bir malzeme olarak kullanılır.
• Metalurji, alaşım elementi olarak zirkonyum kullanır. Bu metal, bu göstergede hem manganez hem de silikonu aşan güçlü bir oksijen gidericidir. Yapısal metallere (çelik 45, 30KhGSA) sadece %0.5 zirkonyum ilavesi, mukavemetlerini 1.5-1.8 kat arttırır. Bu ayrıca kesme işleminin akışını iyileştirir. Zirkon, korindon seramiklerinin ana bileşenidir. Şamot ile karşılaştırıldığında hizmet ömrü 3-4 kat daha fazladır. Bu refrakter malzeme, çelik fırınların pota ve oluklarının imalatında kullanılır.
• Makine mühendisliğinde metal, agresif ortamlarda çalışan pompalar ve boru bağlantı parçaları gibi ürünler için malzeme olarak kullanılır.
• Piroteknikte zirkonyum metalleri selam ve havai fişek yapımında kullanılır. Bu, yanma sırasında dumanın olmaması ve önemli miktarda ışık enerjisinin salınması nedeniyle olur.
• Kimya endüstrisinde, zirkon, artan aşınma direnci ve asitlere karşı dirençli bir seramik-metal kaplama olan sermet için hammadde olarak kullanılır.
• Optikte, fianit aktif olarak kullanılır - skandiyum ve diğer nadir toprak metallerinin ilaveleri ile işlenmiş zirkon. Fianitler, lens üretimi için bir malzeme olarak kullanılmalarına izin veren önemli bir kırılma açısına sahiptir. Mücevheratta, kübik zirkon, elmasın sentetik bir ikamesi olarak bilinir.
• Askeri endüstride, zirkonyum izleyici mermiler ve işaret fişekleri için dolgu görevi görür.

Fiziksel ve kimyasal özellikler

Zirkonyum gümüşe benzeyen bir metaldir. Yoğunluğu 6506 kg/m3'tür. Erime noktası - 1855.3 ºС. Özgül ısı kapasitesi 0,3 KJ/kg C arasında değişmektedir. Bu metalin ısıl iletkenliği yüksek değildir. Değeri titanyumdan 1,9 kat daha düşük olan 21 W/m C seviyesindedir. Zirkonyumun elektriksel direnci 41-60 μOhm cm'dir ve metaldeki oksijen ve nitrojen miktarına doğrudan bağlıdır.

Zirkonyum en düşük enine termal nötron yakalama oranlarından birine sahiptir (0.181 barn). Bu parametreye göre, şu anda bilinen metallerden sadece magnezyum (0.060 ahır) tarafından baypas edilir.

Zirkonyum, demir gibi paramanyetiktir. Manyetik alana duyarlılığı artan sıcaklıkla artar.

Saf zirkonyum yüksek mekanik özelliklere sahip değildir. Sertliği Vickers ölçeğinde yaklaşık 70 birimdir. Çekme mukavemeti, sıradan kaliteli karbon çeliğinden neredeyse 2,5 kat daha düşük olan 175 MPa'dır. Verim gücü 55 MPa. Zirkonyum, elastik modülü 96 MPa olan plastik metallerden biridir.

Yukarıdaki mekanik özelliklerin tümü şartlıdır, çünkü. zirkonyum bileşimindeki safsızlıkların artmasıyla değerleri güçlü bir şekilde değişir.

Böylece oksijen içeriğindeki bir artış (%0,4'e kadar) zirkonyumun plastisitesini öyle bir duruma düşürür ki, dövme ve damgalama tamamen imkansız hale gelir. Hidrojenin bileşimindeki %0,001'e bir artış, zirkonyumun kırılganlığını neredeyse 2 kat artırır.

Zirkonyum suya ve çoğu alkali ve aside dayanıklıdır. Ancak mekanik özellikler gibi korozyon direnci de doğrudan metalin karbon, titanyum ve alüminyum gibi elementlerle kirlenmesine bağlıdır. Metal, %50 sülfürik ve hidroklorik asit çözeltileri ile kimyasal reaksiyona girmez. Sadece 95 ºС üzerindeki sıcaklıklarda nitrik asit ile reaksiyona girer. Bileşiminde amonyak bulunan tek alkaliye dayanıklı metaldir. İşaret 780 ºС'ye ulaştığında, zirkonyum tarafından aktif oksijen emilimi başlar. Azot ile bu işlemler daha yavaştır, ancak sıcaklık da daha düşüktür. Sadece 600 ºС.

Bu konuda en aktif gaz hidrojendir. Metalin derinliklerine nüfuz etmesi zaten 145 ºº'de başlar ve zirkonyum hacminin arttığı kadar bol miktarda ısı salınımı eşlik eder. Zirkonyum tozu, havada kendiliğinden tutuşma olasılığı nedeniyle özellikle yanıcıdır. Unutulmamalıdır ki bu süreç geri dönüşümlüdür. Hidrojenin tamamen çıkarılması, 800 ºС sıcaklıkta özel ekipman üzerinde gerçekleştirilir.

Tıbbi özellikler

Kimyasal bir element olarak insan vücuduna herhangi bir etkisi yoktur. Aksine, biyolojik olarak en inert malzemelerden biridir. Bu göstergeye göre zirkonyum, titanyum ve paslanmaz çelik gibi metallerin önündedir. 90'lı yılların sonlarında aktif olarak reklamı yapılan ünlü zirkonyum bilezikler, gerçek uygulamada kendilerini göstermedi. Tıp uzmanları, kullanımlarından kaynaklanan refahın plasebo etkisinin bir sonucu olduğunu kanıtladılar.

Öte yandan zirkonyum küpe takmanın kulak deldirme sonrası yaranın daha hızlı iyileşmesine katkı sağladığı biliniyor.

1789'da Berlin Bilimler Akademisi üyesi Martin Heinrich Klaproth, Seylan kıyılarından getirilen değerli bir taşın analizinin sonuçlarını yayınladı. Bu analiz sırasında Klaproth'un zirkon toprağı dediği bir madde izole edildi. Bu ismin kökeni farklı şekillerde açıklanmıştır. Bazıları kökenlerini mineral anlamına gelen Arapça "zarkun" kelimesinden bulurken, diğerleri "zirkonyum" kelimesinin Farsça iki kelime olan "kral" - altın ve "gun" - renkten (değerlinin altın renginden dolayı) geldiğine inanır. çeşitli zirkon - sümbül).

Zirkonyum nasıl elde edildi ve elde edildi

Klaproth tarafından izole edilen madde yeni bir element değil, daha sonra tabloda D.I. tarafından işgal edilen yeni bir elementin oksidiydi. Mendeleyev'in kırkıncı hücresi. Modern semboller kullanılarak Klaproth tarafından elde edilen maddenin formülü şu şekilde yazılır: ZrO 2.

Klaproth'un deneylerinden 35 yıl sonra, ünlü İsveçli kimyager Jens Jakob Berzelius metalik zirkonyum elde etmeyi başardı. Berzelius, potasyum florozirkonatı sodyum metal ile azalttı:

K 2 + 4Na → Zr + 2KF + 2NaF

ve gümüş grisi bir metal aldı.

Bu reaksiyon sonucunda oluşan zirkonyum, önemli miktarda safsızlık nedeniyle kırılgandı. Metal işlemeye elverişli değildi ve pratik bir uygulama bulamadı. Ancak diğer birçok metal gibi saflaştırılmış zirkonyumun da oldukça plastik olacağı varsayılabilir.

XIX ve XX yüzyılın başlarında. birçok bilim adamı saf zirkonyum elde etmeye çalıştı, ancak tüm girişimler uzun bir süre başarısızlıkla sonuçlandı. Test edilen alüminotermik yöntem yardımcı olmadı, yazarları tuzlarının çözeltilerinden metalik zirkonyum elde etmeye çalışan deneyler hedefe yol açmadı. İkincisi, öncelikle zirkonyumun oksijen için yüksek kimyasal afinitesi ile açıklanmaktadır.

Herhangi bir metali tuzunun bir çözeltisinden elektroliz yoluyla elde edebilmek için bu metalin monatomik iyonlar oluşturması gerekir. Ancak zirkonyum böyle iyonlar oluşturmaz. Zirkonyum sülfat Zr(SO 4) 2 örneğin sadece konsantre sülfürik asitte bulunur ve seyreltildiğinde hidroliz ve kompleks oluşum reaksiyonları başlar. Sonunda ortaya çıkıyor:

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

Sulu bir çözeltide zirkonyum klorür de hidrolize edilir:

ZrCl 4 + H 2 O → ZrOCl 2 + 2HCl.

Bazı araştırmacılar, çözeltilerin elektrolizi ile zirkonyum elde etmeyi başardıklarına inanıyorlardı, ancak elektrotlar üzerinde biriken ürünlerin görünümü ile yanıltılmışlardı. Bazı durumlarda, bunlar gerçekten metallerdi, ancak zirkonyum değil, safsızlıkları zirkonyum hammaddelerinde bulunan nikel veya bakırdı; diğerlerinde ise metale benzeyen zirkonyum hidroksit.

Sadece yüzyılımızın 20'li yıllarında (Berzelius'un ilk zirkonyum örneklerini almasından 100 yıl sonra!) Bu metali elde etmek için ilk endüstriyel yöntem geliştirildi.

Bu, Hollandalı bilim adamları van Arkel ve de Boer tarafından geliştirilen “biriktirme” yöntemidir. Özü, uçucu bir bileşiğin (bu durumda, zirkonyum tetraiyodür ZrI 4) bir vakumda termal bozunmaya uğraması ve sıcak bir tungsten filaman üzerinde saf bir metalin biriktirilmesi gerçeğinde yatmaktadır.

Bu şekilde, bakır kadar kolay işlenebilen, dövülebilen, haddelenebilen, haddelenebilen metalik zirkonyum elde edildi.

Daha sonra metalürjistler, zirkonyumun plastik özelliklerinin esas olarak oksijen içeriğine bağlı olduğunu keşfettiler. Erimiş zirkonyuma% 0,7'den fazla oksijen nüfuz ederse, özellikleri saf metalden büyük ölçüde farklı olan zirkonyumda katı oksijen çözeltilerinin oluşumu nedeniyle metal kırılgan olacaktır.

Yapıştırma yöntemi ilk olarak bir miktar popülerlik kazandı, ancak bu yöntemle elde edilen zirkonyumun yüksek maliyeti, kapsamını ciddi şekilde sınırladı. Ve zirkonyumun özellikleri ilginç çıktı. (Aşağıda onlar hakkında daha fazla bilgi var.) Zirkonyum elde etmek için yeni, daha ucuz bir yöntem geliştirmeye ihtiyaç var. Geliştirilmiş bir Croll yöntemi böyle bir yöntem haline geldi.

Croll yöntemi, uzatma yönteminin yarı fiyatına zirkonyum elde etmeyi mümkün kılar. Bu üretimin şeması iki ana aşamadan oluşur: zirkonyum dioksit klorlanır ve elde edilen zirkonyum tetraklorür, bir erimiş metal tabakası altında metalik magnezyum ile indirgenir. Nihai ürün olan zirkonyum sünger çubuklar halinde eritilir ve bu formda tüketiciye gönderilir.

zirkonyum dioksit

Bilim adamları metalik zirkonyum elde etmenin bir yolunu ararken, uygulayıcılar başta zirkonya olmak üzere bazı bileşiklerini kullanmaya başladılar. Zirkonyum dioksitin özellikleri büyük ölçüde nasıl elde edildiğine bağlıdır. Bazı termal olarak kararsız zirkonyum tuzlarının kalsinasyonu sırasında oluşan ZrO 2 suda çözünmez. Zayıf kalsine dioksit asitlerde iyi çözünür, ancak güçlü kalsine edildiğinde hidroflorik hariç mineral asitlerde çözünmez hale gelir.

Bir başka ilginç özellik: yüksek derecede ısıtılan zirkonya, ışığı o kadar yoğun yayar ki, aydınlatma teknolojisinde kullanılabilir. Tanınmış Alman bilim adamı Walter Hermann Nernst bu özellikten yararlandı. Nernst lambasındaki akkor çubuklar ZrO 2'den yapılmıştır. Akkor zirkonyum dioksit bazen laboratuvar deneylerinde bir ışık kaynağı olarak hizmet eder.

Sanayide silikat üretimi ve metalurji zirkonyum dioksiti ilk kullananlardı. Yüzyılımızın başlarında, normalden üç kat daha uzun süre dayanan zirkon refrakterler yapıldı. ZrO2 ilavesi içeren refrakterler, fırın onarımına gerek kalmadan 1200'e kadar çelik ergimesine izin verir. Bu çok fazla.

Zirkon tuğlalar, metalik alüminyumun eritilmesinde şamot (kil veya kaolin bazlı yaygın olarak kullanılan bir ateşe dayanıklı malzeme) yerini almıştır ve işte bu yüzden. Şamot alüminyum ile alaşımlıdır ve yüzeyinde periyodik olarak temizlenmesi gereken cüruf birikintileri oluşur. Ve zirkon tuğlalar erimiş alüminyum tarafından ıslanmaz. Bu, zirkon astarlı fırınların on ay boyunca sürekli çalışmasına izin verir.

Seramik, porselen ve cam üretiminde önemli miktarda zirkon kullanılmaktadır.

Zirkonya ihtiyacı olan endüstrilerin listesi uzayıp gidebilir. Ama bu kadar uzun süre elde edilemeyen metal zirkonyumun ne işe yaradığını görelim.

Zirkonyum ve metalurji

Metalik zirkonyumun ilk tüketicisi demir metalurjisiydi. Zirkonyumun iyi bir oksijen giderici olduğu kanıtlanmıştır. Deoksidasyon etkisinde manganez ve titanyumu bile geride bırakır. Aynı zamanda, zirkonyum, çelikteki gaz ve kükürt içeriğini azaltır, bu da varlığı onu daha az sünek yapar.

Zirkonyum alaşımlı çelikler geniş bir sıcaklık aralığında gerekli tokluğu kaybetmezler, şok yüklere iyi dayanırlar. Bu nedenle, zırh plakalarının imalatında kullanılan çeliğe zirkonyum eklenir. Bu muhtemelen zirkonyum ilavelerinin çeliğin mukavemeti üzerinde olumlu bir etkisi olduğu gerçeğini hesaba katmaktadır. Zirkonyum ile alaşımlandırılmamış bir çelik numunesi yaklaşık 900 kg'lık bir yük altında çökerse, aynı tarifteki çelik, ancak sadece %0,1 zirkonyum ilavesiyle 1600 kg'lık bir yüke dayanabilir.

Demir dışı metalurji de önemli miktarlarda zirkonyum tüketir. Burada eylemi çok çeşitlidir. Küçük zirkonyum ilaveleri alüminyum alaşımlarının ısı direncini arttırır ve zirkonyum ilavesi ile çok bileşenli magnezyum alaşımları daha korozyona dirençli hale gelir. Zirkonyum, titanyumun asitlerin etkisine karşı direncini arttırır. 100°C'de %5 hidroklorik asit içinde %14 Zr içeren titanyum alaşımının korozyon direnci, ticari olarak saf titanyumdan 70 kat (!) daha fazladır. Aksi takdirde, zirkonyum molibdeni etkiler. %5 zirkonyum ilavesi, bu refrakter ancak oldukça yumuşak metalin sertliğini iki katına çıkarır.

Metalik zirkonyumun başka uygulama alanları da vardır. Yüksek korozyon direnci ve nispi demlenebilirlik, birçok endüstride kullanılmasını mümkün kılmıştır. Yapay elyaf, sıcak bağlantı parçaları, laboratuvar ve tıbbi ekipman, katalizör üretimi için memecikler - bu, metalik zirkonyumdan yapılmış ürünlerin tam listesi değildir.

Ancak metalurji ve makine yapımı bu metalin ana tüketicileri değildi. Nükleer enerji için büyük miktarlarda zirkonyum gerekliydi.

"Reaktör dereceli" zirkonyum sorunu

Zirkonyum nükleer teknolojiye hemen girmedi. Metalin bu endüstride faydalı olabilmesi için belirli bir takım özelliklere sahip olması gerekir. (Özellikle reaktörlerin yapımında yapısal bir malzeme olduğunu iddia ediyorsa.) Bu özelliklerin başlıcası, küçük bir termal nötron yakalama kesitidir. Prensipte bu özellik, bir malzemenin nötronları yakalama, emme ve böylece zincirleme reaksiyonun yayılmasını önleme yeteneği olarak tanımlanabilir.

Nötron yakalama kesiti ahırlarda ölçülür. Bu değer ne kadar büyük olursa, malzeme o kadar fazla nötron emer ve zincirleme reaksiyonun gelişmesini o kadar engeller. Doğal olarak, reaktörlerin reaksiyon bölgesi için minimum yakalama kesitine sahip malzemeler seçilir.

Saf metalik zirkonyum için bu değer 0.18 ahırdır. Birçok ucuz metal aynı düzende yakalama kesitlerine sahiptir: örneğin kalay 0,65 ambara, alüminyum 0,22 ambara ve magnezyum sadece 0,06 ambara sahiptir. Ancak hem kalay hem de magnezyum ve alüminyum eriyebilir ve ısıya dayanıklı değildir; zirkonyum sadece 1860°C'de erir.

Görünüşe göre tek sınırlama, 40 numaralı elemanın oldukça yüksek fiyatıydı (bu endüstri için para ayrılmamasına rağmen), ancak başka bir komplikasyon ortaya çıktı.

Yerkabuğunda zirkonyuma her zaman hafniyum eşlik eder. Örneğin zirkonyum cevherlerinde içeriği genellikle %0,5 ile %2,0 arasındadır. Zirkonyumun kimyasal analoğu (periyodik tabloda, hafniyum doğrudan zirkonyumun altındadır) termal nötronları zirkonyumdan 500 kat daha yoğun bir şekilde yakalar. Küçük hafniyum safsızlıkları bile reaksiyonun gidişatını güçlü bir şekilde etkiler. Örneğin, %1,5'lik bir hafniyum safsızlığı, zirkonyum yakalama kesitini 20 kat artırır.

Teknik, zirkonyum ve hafniyumu tamamen ayırma problemiyle karşı karşıya kaldı. Her iki metalin de bireysel özellikleri çok çekiciyse, bunların bir arada bulunması, malzemeyi nükleer teknoloji için kesinlikle uygunsuz hale getirir.

Hafniyum ve zirkonyumu ayırma sorunu çok zor çıktı - atomların yapısındaki aşırı benzerlik nedeniyle kimyasal özellikleri neredeyse aynı. Ayrılmaları için karmaşık bir çok aşamalı saflaştırma kullanılır: iyon değişimi, çoklu çökeltme, ekstraksiyon.

Tüm bu işlemler zirkonyumun maliyetini önemli ölçüde artırır ve zaten pahalıdır: sünek metal (%99.7 Zr), konsantreden çok daha pahalıdır. Zirkonyum ve hafniyumun ekonomik olarak ayrılması sorunu hala çözülmeyi bekliyor.

Bununla birlikte, zirkonyum "atomik" bir metal haline geldi.

Bu, özellikle, bu tür gerçeklerle kanıtlanmıştır. İlk Amerikan nükleer denizaltısı olan Nautilus, bir zirkonyum reaktörü ile donatıldı. Daha sonra, reaktör çekirdeğinin sabit kısımlarından ziyade zirkonyumdan yakıt hücresi kabukları yapmanın daha karlı olduğu ortaya çıktı.

Bununla birlikte, bu metalin üretimi yıldan yıla artmaktadır ve bu büyümenin oranı alışılmadık derecede yüksektir. 1949'dan 1959'a kadar geçen on yılda, dünya zirkonyum üretiminin 100 kat arttığını söylemek yeterli! Amerikan verilerine göre, 1975 yılında dünya zirkonyum üretimi 3000 ton civarındaydı.

Zirkonyum, hava ve su

Önceki bölümlerde #40 elementinin kimyasal özellikleri hakkında neredeyse hiçbir şey söylenmedi. Bunun temel nedeni, metal elementler hakkında birçok makale ve monografiyi tekrarlamaktaki isteksizliktir. Zirkonyum, grubunun (ve alt grubunun) ve döneminin karakteristik bir temsilcisi olan en tipik metaldir. Bununla birlikte, gizli bir biçimde var olan oldukça yüksek bir kimyasal aktivite ile karakterize edilir.

Bu gizliliğin nedenleri ve zirkonyumun su ve hava bileşenleriyle ilişkisi daha detaylı tartışılmalıdır.

Kompakt metalik zirkonyum çeliğe çok benzer. Kimyasal aktivitesini hiçbir şekilde göstermez ve normal şartlar altında atmosferik gazlara göre son derece inert davranır. Zirkonyumun görünen kimyasal pasifliği oldukça geleneksel bir şekilde açıklanmıştır: yüzeyinde her zaman metali daha fazla oksidasyondan koruyan görünmez bir oksit filmi vardır. Zirkonyumu tamamen oksitlemek için sıcaklık 700°C'ye yükseltilmelidir. Ancak o zaman oksit film kısmen tahrip olur ve metal içinde kısmen çözülür.

Dolayısıyla 700°C, zirkonyumun kimyasal direncinin aşıldığı sıcaklık sınırıdır. Ne yazık ki, bu rakam çok iyimser. Zaten 300°C'de, zirkonyum oksijen ve atmosferin diğer bileşenleri ile daha aktif bir şekilde etkileşime girmeye başlar: su buharı (dioksit ve hidrit oluşturur), karbon dioksit (karbür ve dioksit oluşturur) ve azot (reaksiyon ürünü zirkonyum nitrürdür). Ancak 300°C'nin altındaki sıcaklıklarda oksit film, zirkonyumun yüksek kimyasal direncini garanti eden güvenilir bir kalkandır.

Kompakt metalik zirkonyumun aksine, tozu ve talaşı havada hareket eder. Bunlar, oda sıcaklığında bile havada kendiliğinden tutuşan piroforik maddelerdir. Bu çok fazla ısı açığa çıkarır. Hava ile karışan zirkonyum tozu bile patlayabilir.

Zirkonyumun su ile ilişkisi ilginçtir. Metalin su ile etkileşiminin bariz belirtileri uzun süre görünmez. Ancak su ile ıslatılmış zirkonyumun yüzeyinde metaller için pek alışılmış olmayan bir işlem gerçekleşir. Bilindiği gibi, suyun etkisi altındaki birçok metal, katyonlarının suya geçişinden oluşan galvanik korozyona uğrar. Zirkonyum ayrıca suyun etkisiyle oksitlenir ve suda çözünmeyen ve metalin daha fazla oksidasyonunu önleyen koruyucu bir film ile kaplanır.

Zirkonyum iyonlarını suya dönüştürmenin en kolay yolu, tuzlarının bir kısmını çözmektir. Sulu çözeltilerdeki dört değerlikli zirkonyum iyonunun kimyasal davranışı çok karmaşıktır. Sulu çözeltilerde meydana gelen birçok kimyasal faktöre ve sürece bağlıdır.

Zr +4 iyonunun "saf formda" varlığı olası değildir. Uzun bir süre zirkonyumun sulu çözeltilerde zirkonil iyonları ZrO +2 şeklinde bulunduğuna inanılıyordu. Daha sonraki çalışmalar, gerçekte, zirkonil iyonlarına ek olarak, çözeltilerin, hem hidratlanmış hem de hidrolize edilmiş çok sayıda farklı kompleks zirkonyum iyonları içerdiğini göstermiştir. Genel kısaltılmış formülleri (4 p–m)+ .

Zirkonyumun çözeltideki bu kadar karmaşık davranışı, bu elementin yüksek kimyasal aktivitesi ile açıklanmaktadır. Hazırlayıcı zirkonyum (ZrO 2'den saflaştırılmış) birçok reaksiyona girerek basit ve karmaşık bileşikler oluşturur. Zirkonyumun artan kimyasal aktivitesinin "sırrı" elektron kabuklarının yapısında yatmaktadır. Zirkonyum atomları, kendilerine mümkün olduğu kadar çok iyon bağlama eğiliminde olacak şekilde inşa edilmiştir; eğer çözeltide bu tür iyonlar yeterli değilse, zirkonyum iyonları birbiriyle birleşir ve polimerizasyon meydana gelir. Bu durumda zirkonyumun kimyasal aktivitesi kaybolur; polimerize zirkonyum iyonlarının reaktivitesi, polimerize olmayanlardan çok daha düşüktür. Polimerizasyon sırasında, çözeltinin bir bütün olarak aktivitesi de azalır.

Bu, genel anlamda, zamanımızın önemli metallerinden birinin - 40 numaralı element olan zirkonyumun "vizit kartı" dır.

"Kusurlu Elmaslar"

Orta Çağ'da, sözde kusurlu elmaslardan yapılan takılar iyi biliniyordu. Kusurları, sıradan bir elmastan daha az sertlikten ve kesimden sonra biraz daha kötü bir renk oyunundan oluşuyordu. Ayrıca başka bir isimleri vardı - Matara (çıkarıldığı yere göre - Seylan adasının bir bölgesi olan Matare). Ortaçağ kuyumcuları kullandıkları değerli mineralin zirkonyumun ana minerali olan tek kristal zirkon olduğunu bilmiyorlardı. Zirkon, renksizden kan kırmızısına kadar çeşitli renklerde gelir. Kuyumcular kırmızı değerli zirkon sümbül derler. Sümbül çok uzun zamandır bilinmektedir. İncil geleneğine göre, eski yüksek rahipler sandıklarına aralarında sümbül bulunan 12 değerli taş takarlardı.

Nadir mi?

Zirkonyum, doğada çeşitli kimyasal bileşikler şeklinde yaygın olarak bulunur. Yerkabuğundaki içeriği oldukça yüksektir -% 0.025, yaygınlık açısından metaller arasında on ikinci sırada yer almaktadır. Buna rağmen, zirkonyum gerçekten nadir bulunan birçok metalden daha az popülerdir. Bunun nedeni, zirkonyumun yerkabuğundaki aşırı dağılımı ve doğal bileşiklerinin büyük tortularının olmamasıydı.

Doğal zirkonyum bileşikleri

Kırktan fazla bilinmektedir. Zirkonyum, içlerinde oksitler veya tuzlar şeklinde bulunur. Zirkonyum dioksit, baddeleyit ZrO 2 ve zirkonyum silikat, zirkon ZrSiO 4 en büyük endüstriyel öneme sahiptir. Araştırılan zirkon ve baddeleyit yataklarının en güçlüleri ABD, Avustralya ve Brezilya'da bulunmaktadır. Hindistan, Batı Afrika.

SSCB, Ukrayna, Urallar ve Sibirya'nın çeşitli bölgelerinde bulunan önemli zirkon hammadde rezervlerine sahiptir.

PbZrO 3 - piezoelektrik

Birçok radyo mühendisliği cihazı için piezokristallere ihtiyaç vardır: frekans stabilizatörleri, ultrasonik titreşim jeneratörleri ve diğerleri. Bazen yüksek sıcaklık koşullarında çalışmak zorunda kalırlar. Kurşun zirkonat kristalleri pratik olarak 300°C'ye kadar olan sıcaklıklarda piezoelektrik özelliklerini değiştirmezler.

Zirkonyum ve beyin

Zirkonyumun yüksek korozyon direnci, beyin cerrahisinde kullanılmasını mümkün kılmıştır. Zirkonyum alaşımları hemostatik kelepçeler, cerrahi aletler ve hatta bazen beyin operasyonları sırasında dikiş ipliği yapmak için kullanılır.