Цирко́ній (Zr) — хімічний елемент із атомним номером 40, перехідний метал. Особливістю цирконію є стійкість до корозії. Використовується в сплавах. Назва цирконій походить від мінералу циркон, що, своєю чергою, ймовірно, походить від перського «заргун» — «золотистий».
Історія
Найважливішим цирконовмісним мінералом є циркон (Zr[SiO4]), відомий з античних часів. Циркон вважали різновидом діаманту, проте у 1789 році німецьким хіміком М. Клапротом було доведено, що це не так. Нагріваючи привезений зі Шрі-Ланки зразок циркону з гідроксидом натрію, він встановив, що на 25 % той складається з кремнію, а на 70 % — з оксиду невідомого раніше елементу. Цей оксид отримав назву «цирконієва земля», проте Клапроту не вдалося виділити метал з оксиду. У 1808 році Гемфрі Деві намагався отримати металічний цирконій за допомогою електролізу, проте невдало.
Металевий цирконій (чистотою 93 %) уперше отримав шведський хімік Йонс Якоб Берцеліус у 1824 році відновленням його з подвійного фториду калію та цирконію K2ZrF6 металевим калієм. Атомна маса цирконію була точно встановлена лише у 1925 році, після того як голландські вчені Антон Едуард ван Аркель і [en] розробили названий на їх честь метод отримання чистого цирконію (утворення леткого йодиду цирконію ZrI4 і подальший його термічний розклад). Після цього стало зрозуміло, що отриманий раніше цирконій містив домішки гафнію, внаслідок чого його атомна маса була завищеною.
У 1946 році люксембурзький металург, що емігрував в США, Вільям Кролл винайшов дешевший спосіб промислового отримання цирконію, шляхом його металотермічного відновлення з хлориду (процес Кролла), що використовується і понині.
Властивості
Атомна маса 91,22. У природі існує 5 стабільних ізотопів 90Zr (51,46 %), 91Zr (11,23 %), 92Zr (17,11 %), 94Zr (17,40 %) і 96Zr (2,80 %). Кристалічна ґратка при температурі нижче 863 °C гексагональна, щільноупакована, вище цієї температури — кубічна.
Проста речовина — цирконій. Сріблясто-білий блискучий метал. Чистий цирконій пластичний, хімічно малоактивний. Стійкий до дії води, лугів і більшості кислот (винятком є флуоридна кислота HF, з якою він досить активно реагує навіть за малих концентрацій). Реагує з киснем, галогенами, поглинає водень і азот. При нагріванні взаємодіє концентрованою H2SO4 та царською горілкою. У сполуках ступінь окиснення +4, рідше +2 і +3.
Густина 6,5; tплав 1855 °C, tкип бл. 4371 °C. Неподрібнений цирконій в присутності кисню починає горіти лише при нагріванні вище 4460 °C, що є рекордом серед металів.
Цирконій переходить у надпровідний стан при температурі 0,61 К. Парамагнітний. Питомий опір — 41,5×10-8 Ом·м. Переріз реакції поглинання теплових нейтронів дуже низький — 0,61 барн.
Ізотопи
Природній цирконій складається з п'яти різних ізотопів. З них 4 стабільні, а ще 1 має надзвичайно довгий період розпаду.
Масове число | Частка у природному цирконії | Період напіврозпаду |
---|---|---|
90 | 51,45 % | ∞ |
91 | 11,22 % | ∞ |
92 | 17,15 % | ∞ |
94 | 17,38 % | ∞ |
96 | 2,80 % | 2,35×1019 років |
Загалом відомо 39 ізотопів цирконію з масовими числами від 78 до 112, 4 з яких — метастабільні. З нестабільних ізотопів, що не зустрічаються в природі, найбільші періоди напіврозпаду мають Zr93 (1,61 млн років) і Zr88 (83,4 дні).
Поширення
Середній вміст цирконію в земній корі (1,7–2,0)•10−2% (мас). У морській воді цирконій має концентрацію 0,026 мкг/л. Усього відомо понад 30 мінералів цирконію, але практичне значення мають тільки циркон ZrSiO4 і бадделеїт ZrO2.
Основним типом промислових родовищ є прибережно-морські й елювіально-делювіальні розсипи, а також лужні та гранітні пегматити.
У 2018 році розвідані резерви цирконію становлять 74 мільйони тонн (у перерахунку на ZrO2). Загальний видобуток у тому ж році становив 1,6 мільйона тонн.
Отримання
Цирконій отримують шляхом спікання рудного концентрату циркону з K2[SiF6], наступного вилуговування і відновлення ZrF4 магнієм або натрієм до Zr-губки або хлоруванням концентрату при температурі 900–1000 °C у присутності коксу і потім металотермічним відновленням ZrCl4 до Zr. Компактний ковкий цирконій отримують плавленням у вакуумних дугових печах Zr-губки.
Спочатку цирконовмісну сировину переводять в оксид цирконію у розплаві гідроксиду натрію. Потім оксид сплавляють з коксом у дуговій печі та переводять хлором у тетрахлорид:
Далі тетрахлорид відновлюють магнієм у гелієвій атмосфері:
Для отримання чистого цирконію використовують газотранспортну реакцію з йодом (при 200 °С) із розщепленням йодиду цирконію на розжареному дроті (при 1300 °C) із утворенням кристалів елементарного цирконію:
Застосування
Висока температура плавлення, хімічна інертність до кислот і розплавлених середовищ, малий перетин захоплення нейтронів (0,18 барн) і ряд інших властивостей визначають основні області застосування цирконію. Він є ідеальним матеріалом для обладнання ядерних реакторів. Застосовується для легування сплавів кольорових металів, що використовуються в літако- і автомобілебудуванні, у ракетобудуванні, хімічному машинобудуванні тощо. Зростає використання циркону у виробництві керамічної плитки та санітарного фаянсу — найбільшому секторі його споживання, де витрачається більш ніж половина (54 %) всього використовуваного у світі циркону.
Порошкам цирконію притаманна характерна властивість горіння в кисні повітря (температура самозаймання — 250 °C) з великою швидкістю та практично без виділення диму. При цьому розвивається найвища температура для металевих горючих (4650 °C). При згоранні металевого порошку випромінюється значна кількість світла. Ця особливість дуже широко використовується в піротехніці (виробництво салютів та фейерверків), виробництві хімічних джерел світла, які застосовуються в різних галузях діяльності людини (освітлювальні бомби, ракети, факели). Порошок цирконію застосовують в суміші з окиснювачами (бертолетова сіль) як бездимний засіб в сигнальних вогнях та в запалах, як заміну гримучої ртуті (фульмінату ртуті) та азиду свинцю. Цирконій використовується в якості добавки до багатьох видів ракетного палива; в різних типах зброї, у тому числі артилерії; у виробництві нових видів патронів для стрілецької зброї, для трасуючих куль, бездимного пороху. Порошки цирконію з низькою температурою спалаху та високою швидкістю горіння використовуються в сумішах для капсулів-детонаторів для підриву зарядів.
Власні потреби промисловості України у 1998 році становили 90 т цирконію при виробництві 180 т. У 2010 р. планувалося збільшення виробництва до 360 т.
Див. також
Примітки
- A Course In Thermodynamics, Volume 2(англ.)
- The Discovery of Zirconium(англ.)
- Discovery of Zirconium(англ.)
- Fabrication of zirconium sponge(англ.)
- Poole, 2004, с. 1511.
- Isotopes of the Element Zirconium(англ.)
- ZIRCONIUM AND HAFNIUM(англ.)
- ВИРОБНИЦТВО ПІРОТЕХНІЧНИХ ПОРОШКІВ ЦИРКОНІЮ НА ДОНЕЦЬКОМУ ХІМІКО-МЕТАЛУРГІЙНОМУ ЗАВОДІб Шпильовий Л. Журнал ГЕОТЕХНОЛОГІЇ №6 2023
Література
- Глосарій термінів з хімії / уклад. Й. Опейда, О. Швайка ; Ін-т фізико-органічної хімії та вуглехімії ім. Л. М. Литвиненка НАН України, Донецький національний університет. — Дон. : Вебер, 2008. — 738 с. — .
- Мала гірнича енциклопедія : у 3 т. / за ред. В. С. Білецького. — Д. : Східний видавничий дім, 2013. — Т. 3 : С — Я. — 644 с.
- Chemistry in its element podcast (MP3) from the Royal Society of Chemistry's : Zirconium
- Zirconium at (University of Nottingham)
- Encyclopedic Dictionary of Condensed Matter Physics / Charles P. Poole, Jr. — 1. — San Diego : Academic Press, 2004. — 1672 с. — .
Вікіпедія, Українська, Україна, книга, книги, бібліотека, стаття, читати, завантажити, безкоштовно, безкоштовно завантажити, mp3, відео, mp4, 3gp, jpg, jpeg, gif, png, малюнок, музика, пісня, фільм, книга, гра, ігри, мобільний, телефон, android, ios, apple, мобільний телефон, samsung, iphone, xiomi, xiaomi, redmi, honor, oppo, nokia, sonya, mi, ПК, web, Інтернет
Cirko nij Zr himichnij element iz atomnim nomerom 40 perehidnij metal Osoblivistyu cirkoniyu ye stijkist do koroziyi Vikoristovuyetsya v splavah Nazva cirkonij pohodit vid mineralu cirkon sho svoyeyu chergoyu jmovirno pohodit vid perskogo zargun zolotistij Cirkonij Zr Atomnij nomer 40Zovnishnij viglyad prostoyi rechovini svitlo sirij bliskuchij metal stijkij do koroziyiDva zrazki kristalichnih bruskiv najchistishogo cirkoniyu 99 97 z riznimi teksturami poverhni otrimani metodom van Arkelya de Bura jodidnim metodom a takozh kub ob yemom 1 sm z cirkoniyu visokoyi chistoti 99 95 dlya porivnyannya Dlya fotografuvannya shmatki metalu buli rozmisheni na bilij sklyanij plastiniVlastivosti atomaAtomna masa molyarna masa 91 224 a o m g mol Radius atoma 160 pmEnergiya ionizaciyi pershij elektron 659 7 6 84 kDzh mol eV Elektronna konfiguraciya Kr 4d2 5s2Himichni vlastivostiKovalentnij radius 145 pmRadius iona 4e 79 pmElektronegativnist za Polingom 1 33Elektrodnij potencial 0Stupeni okisnennya 4 3 2Termodinamichni vlastivostiGustina 6 506 g sm Molyarna teployemnist 0 281 Dzh K mol Teploprovidnist 22 7 Vt m K Temperatura plavlennya 2125 KTeplota plavlennya 19 2 kDzh molTemperatura kipinnya 4650 KTeplota viparovuvannya 567 kDzh molMolyarnij ob yem 14 1 sm molKristalichna gratkaStruktura gratki geksagonalnaPeriod gratki 3 230 AVidnoshennya s a 1 593Temperatura Debaya 310 KH HeLi Be B C N O F NeNa Mg Al Si P S Cl ArK Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br KrRb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I XeCs Ba Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At RnFr Ra Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Rg Cn Nh Fl Mc Lv Ts Og La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr Cirkonij u VikishovishiIstoriyaNajvazhlivishim cirkonovmisnim mineralom ye cirkon Zr SiO4 vidomij z antichnih chasiv Cirkon vvazhali riznovidom diamantu prote u 1789 roci nimeckim himikom M Klaprotom bulo dovedeno sho ce ne tak Nagrivayuchi privezenij zi Shri Lanki zrazok cirkonu z gidroksidom natriyu vin vstanoviv sho na 25 toj skladayetsya z kremniyu a na 70 z oksidu nevidomogo ranishe elementu Cej oksid otrimav nazvu cirkoniyeva zemlya prote Klaprotu ne vdalosya vidiliti metal z oksidu U 1808 roci Gemfri Devi namagavsya otrimati metalichnij cirkonij za dopomogoyu elektrolizu prote nevdalo Metalevij cirkonij chistotoyu 93 upershe otrimav shvedskij himik Jons Yakob Bercelius u 1824 roci vidnovlennyam jogo z podvijnogo ftoridu kaliyu ta cirkoniyu K2ZrF6 metalevim kaliyem Atomna masa cirkoniyu bula tochno vstanovlena lishe u 1925 roci pislya togo yak gollandski vcheni Anton Eduard van Arkel i en rozrobili nazvanij na yih chest metod otrimannya chistogo cirkoniyu utvorennya letkogo jodidu cirkoniyu ZrI4 i podalshij jogo termichnij rozklad Pislya cogo stalo zrozumilo sho otrimanij ranishe cirkonij mistiv domishki gafniyu vnaslidok chogo jogo atomna masa bula zavishenoyu U 1946 roci lyuksemburzkij metalurg sho emigruvav v SShA Vilyam Kroll vinajshov deshevshij sposib promislovogo otrimannya cirkoniyu shlyahom jogo metalotermichnogo vidnovlennya z hloridu proces Krolla sho vikoristovuyetsya i ponini VlastivostiAtomna masa 91 22 U prirodi isnuye 5 stabilnih izotopiv 90Zr 51 46 91Zr 11 23 92Zr 17 11 94Zr 17 40 i 96Zr 2 80 Kristalichna gratka pri temperaturi nizhche 863 C geksagonalna shilnoupakovana vishe ciyeyi temperaturi kubichna Prosta rechovina cirkonij Sriblyasto bilij bliskuchij metal Chistij cirkonij plastichnij himichno maloaktivnij Stijkij do diyi vodi lugiv i bilshosti kislot vinyatkom ye fluoridna kislota HF z yakoyu vin dosit aktivno reaguye navit za malih koncentracij Reaguye z kisnem galogenami poglinaye voden i azot Pri nagrivanni vzayemodiye koncentrovanoyu H2SO4 ta carskoyu gorilkoyu U spolukah stupin okisnennya 4 ridshe 2 i 3 Gustina 6 5 tplav 1855 C tkip bl 4371 C Nepodribnenij cirkonij v prisutnosti kisnyu pochinaye goriti lishe pri nagrivanni vishe 4460 C sho ye rekordom sered metaliv Cirkonij perehodit u nadprovidnij stan pri temperaturi 0 61 K Paramagnitnij Pitomij opir 41 5 10 8 Om m Pereriz reakciyi poglinannya teplovih nejtroniv duzhe nizkij 0 61 barn IzotopiPrirodnij cirkonij skladayetsya z p yati riznih izotopiv Z nih 4 stabilni a she 1 maye nadzvichajno dovgij period rozpadu Masove chislo Chastka u prirodnomu cirkoniyi Period napivrozpadu90 51 45 91 11 22 92 17 15 94 17 38 96 2 80 2 35 1019 rokiv Zagalom vidomo 39 izotopiv cirkoniyu z masovimi chislami vid 78 do 112 4 z yakih metastabilni Z nestabilnih izotopiv sho ne zustrichayutsya v prirodi najbilshi periodi napivrozpadu mayut Zr93 1 61 mln rokiv i Zr88 83 4 dni PoshirennyaSerednij vmist cirkoniyu v zemnij kori 1 7 2 0 10 2 mas U morskij vodi cirkonij maye koncentraciyu 0 026 mkg l Usogo vidomo ponad 30 mineraliv cirkoniyu ale praktichne znachennya mayut tilki cirkon ZrSiO4 i baddeleyit ZrO2 Osnovnim tipom promislovih rodovish ye priberezhno morski j elyuvialno delyuvialni rozsipi a takozh luzhni ta granitni pegmatiti U 2018 roci rozvidani rezervi cirkoniyu stanovlyat 74 miljoni tonn u pererahunku na ZrO2 Zagalnij vidobutok u tomu zh roci stanoviv 1 6 miljona tonn OtrimannyaKristalichnij cirkonij otrimanij za dopomogoyu gazotransportnoyi reakciyi Cirkonij otrimuyut shlyahom spikannya rudnogo koncentratu cirkonu z K2 SiF6 nastupnogo vilugovuvannya i vidnovlennya ZrF4 magniyem abo natriyem do Zr gubki abo hloruvannyam koncentratu pri temperaturi 900 1000 C u prisutnosti koksu i potim metalotermichnim vidnovlennyam ZrCl4 do Zr Kompaktnij kovkij cirkonij otrimuyut plavlennyam u vakuumnih dugovih pechah Zr gubki Spochatku cirkonovmisnu sirovinu perevodyat v oksid cirkoniyu u rozplavi gidroksidu natriyu Potim oksid splavlyayut z koksom u dugovij pechi ta perevodyat hlorom u tetrahlorid ZrO2 2C 2Cl2 900 C ZrCl4 2CO displaystyle mathrm ZrO 2 2C 2Cl 2 xrightarrow 900 circ C ZrCl 4 2CO Dali tetrahlorid vidnovlyuyut magniyem u geliyevij atmosferi ZrCl4 2Mg Zr 2MgCl2 displaystyle mathrm ZrCl 4 2Mg longrightarrow Zr 2MgCl 2 Dlya otrimannya chistogo cirkoniyu vikoristovuyut gazotransportnu reakciyu z jodom pri 200 S iz rozsheplennyam jodidu cirkoniyu na rozzharenomu droti pri 1300 C iz utvorennyam kristaliv elementarnogo cirkoniyu Zr 2I2 ZrI4 displaystyle mathrm Zr 2I 2 leftrightarrows ZrI 4 ZastosuvannyaVisoka temperatura plavlennya himichna inertnist do kislot i rozplavlenih seredovish malij peretin zahoplennya nejtroniv 0 18 barn i ryad inshih vlastivostej viznachayut osnovni oblasti zastosuvannya cirkoniyu Vin ye idealnim materialom dlya obladnannya yadernih reaktoriv Zastosovuyetsya dlya leguvannya splaviv kolorovih metaliv sho vikoristovuyutsya v litako i avtomobilebuduvanni u raketobuduvanni himichnomu mashinobuduvanni tosho Zrostaye vikoristannya cirkonu u virobnictvi keramichnoyi plitki ta sanitarnogo fayansu najbilshomu sektori jogo spozhivannya de vitrachayetsya bilsh nizh polovina 54 vsogo vikoristovuvanogo u sviti cirkonu Poroshkam cirkoniyu pritamanna harakterna vlastivist gorinnya v kisni povitrya temperatura samozajmannya 250 C z velikoyu shvidkistyu ta praktichno bez vidilennya dimu Pri comu rozvivayetsya najvisha temperatura dlya metalevih goryuchih 4650 C Pri zgoranni metalevogo poroshku viprominyuyetsya znachna kilkist svitla Cya osoblivist duzhe shiroko vikoristovuyetsya v pirotehnici virobnictvo salyutiv ta fejerverkiv virobnictvi himichnih dzherel svitla yaki zastosovuyutsya v riznih galuzyah diyalnosti lyudini osvitlyuvalni bombi raketi fakeli Poroshok cirkoniyu zastosovuyut v sumishi z okisnyuvachami bertoletova sil yak bezdimnij zasib v signalnih vognyah ta v zapalah yak zaminu grimuchoyi rtuti fulminatu rtuti ta azidu svincyu Cirkonij vikoristovuyetsya v yakosti dobavki do bagatoh vidiv raketnogo paliva v riznih tipah zbroyi u tomu chisli artileriyi u virobnictvi novih vidiv patroniv dlya strileckoyi zbroyi dlya trasuyuchih kul bezdimnogo porohu Poroshki cirkoniyu z nizkoyu temperaturoyu spalahu ta visokoyu shvidkistyu gorinnya vikoristovuyutsya v sumishah dlya kapsuliv detonatoriv dlya pidrivu zaryadiv Vlasni potrebi promislovosti Ukrayini u 1998 roci stanovili 90 t cirkoniyu pri virobnictvi 180 t U 2010 r planuvalosya zbilshennya virobnictva do 360 t Div takozhCirkoniyevi rudi FianitPrimitkiA Course In Thermodynamics Volume 2 angl The Discovery of Zirconium angl Discovery of Zirconium angl Fabrication of zirconium sponge angl Poole 2004 s 1511 Isotopes of the Element Zirconium angl ZIRCONIUM AND HAFNIUM angl VIROBNICTVO PIROTEHNIChNIH POROShKIV CIRKONIYu NA DONECKOMU HIMIKO METALURGIJNOMU ZAVODIb Shpilovij L Zhurnal GEOTEHNOLOGIYi 6 2023LiteraturaGlosarij terminiv z himiyi uklad J Opejda O Shvajka In t fiziko organichnoyi himiyi ta vuglehimiyi im L M Litvinenka NAN Ukrayini Doneckij nacionalnij universitet Don Veber 2008 738 s ISBN 978 966 335 206 0 Mala girnicha enciklopediya u 3 t za red V S Bileckogo D Shidnij vidavnichij dim 2013 T 3 S Ya 644 s Chemistry in its element podcast MP3 from the Royal Society of Chemistry s Zirconium Zirconium at University of Nottingham Encyclopedic Dictionary of Condensed Matter Physics Charles P Poole Jr 1 San Diego Academic Press 2004 1672 s ISBN 9780080545233