Cirkonis (Zr), cheminis elementas, periodinės lentelės 4 (IVb) grupės metalas, naudojamas kaip konstrukcinė medžiaga branduoliniams reaktoriams.
Elemento savybės
| atominis skaičius | 40 |
|---|---|
| atominis svoris | 91,22 |
| lydymosi temperatūra | 1,852 ° C (3,366 ° F) |
| virimo taškas | 3578 ° C (6 472 ° F) |
| specifinė gravitacija | 6,49 esant 20 ° C (68 ° F) |
| oksidacijos būsena | +4 |
| elektronų konfigūracija | [Kr] 4d 2 5s 2 |
Savybės, atsiradimas ir panaudojimas
Cirkonis, neaiškus iki 1940 m. Pabaigos, tapo reikšminga inžinerine medžiaga branduolinės energijos panaudojimui, nes jis yra labai skaidrus neutronams. Elementas buvo identifikuotas (1789) cirkonyje, ZrSiO 4 (cirkonio ortosilikatas), iš jo oksido, kurį pagamino vokiečių chemikas Martinas Heinrichas Klaprothas, o metalą nešvaria forma (1824) išskyrė švedų chemikas Jönsas Jacobas Berzelius. Nešvarus metalas, net kai 99% grynumo, yra kietas ir trapus. Aukštesnio grynumo baltasis, minkštasis, kalusis ir kalusisis metalas pirmiausia (1925 m.) Buvo pagamintas olandų chemikų Antono E. van Arkelio ir JH de Boerio būdu termiškai suskaidžius cirkonio tetraiodidą, ZrI 4.. Ketvirtojo dešimtmečio pradžioje William Justin Kroll iš Liuksemburgo sukūrė pigesnį metalo gamybos procesą, pagrįstą cirkonio tetrachlorido (ZrCl 4) redukcija magniu. XXI amžiaus pradžioje pagrindiniai cirkonio gamintojai buvo Australija, Pietų Afrika, Kinija ir Indonezija; Papildomi gamintojai buvo Mozambikas, Indija ir Šri Lanka.
Cirkonio santykinai gausu Žemės plutoje, bet nėra koncentruotų nuosėdų ir jis būdingas S tipo žvaigždėms. Mineralinis cirkonis, kuris paprastai randamas aliuviniuose telkiniuose upelių dugnuose, vandenynų paplūdimiuose ar senuose ežerų dugnuose, yra vienintelis komercinis cirkonio šaltinis. Baddeleititas, kuris iš esmės yra grynas cirkonio dioksidas, ZrO 2, yra vienintelis kitas svarbus cirkonio mineralas, tačiau komercinis produktas pigiau gaunamas iš cirkonio. Cirkonis gaminamas tokiu pačiu būdu, kaip ir titanas. Šių cirkonio mineralų hafnio kiekis paprastai svyruoja nuo kelių dešimtųjų 1 procento iki kelių procentų. Kai kuriais tikslais dviejų elementų atskyrimas nėra svarbus: cirkonis, turintis apie 1 procentą hafnio, yra toks pat priimtinas kaip grynas cirkonis.
Svarbiausias cirkonio panaudojimas yra branduoliniuose reaktoriuose, skirtuose degalų strypams plakiruoti, legiruoti uranu, ir reaktoriaus šerdies konstrukcijose dėl savo unikalaus savybių derinio. Cirkonis turi gerą stiprumą esant aukštesnei temperatūrai, atsparus greitai cirkuliuojančių aušinimo skysčių korozijai, nesudaro labai radioaktyvių izotopų ir atlaiko mechaninius neutronų bombardavimo pažeidimus. Hafnis, esantis visose cirkonio rūdose, turi būti kruopščiai pašalintas iš metalo, skirto naudoti reaktoriuose, nes hafnis stipriai sugeria šiluminius neutronus.
Hafnio ir cirkonio atskyrimas paprastai atliekamas priešsrovinio ekstrahavimo skysčiu-skysčiu būdu. Procedūros metu neapdorotas cirkonio tetrachloridas ištirpinamas vandeniniame amonio tiocianato tirpale, o metilo izobutilo ketonas perduodamas priešingai vandeniniam mišiniui, tokiu būdu pageidautina, kad būtų ekstrahuotas hafnio tetrachloridas.
Cirkonio ir hafnio atominiai spinduliai yra atitinkamai 1,45 ir 1,44 Å, o jonų spinduliai yra Zr 4+, 0,74 Å ir Hf 4+, 0,75 Å. Dėl lantanoidų susitraukimo atsiradęs virtualus atominių ir joninių dydžių tapatumas daro šių dviejų elementų cheminį elgesį panašesnį nei visų kitų žinomų elementų porų. Nors hafnio chemija buvo ištirta mažiau nei cirkonio, jie abu yra tokie panašūs, kad tais atvejais, kurie iš tikrųjų nebuvo ištirti, tikėtini tik labai maži kiekybiniai skirtumai, pavyzdžiui, junginių tirpumas ir lakumas.
Cirkonis stebėtinai daug sugeria deguonį, azotą ir vandenilį. Esant maždaug 800 ° C (1500 ° F) ji sujungia chemiškai su deguonimi, siekiant gauti oksidas, ZrO 2. Cirkonis redukuoja tokias ugniai atsparias tiglių medžiagas kaip magnio, berilio ir torio oksidai. Šis stiprus afinitetas deguoniui ir kitoms dujoms paaiškėja, kad jis naudojamas kaip gentis šalinant dujas elektronų vamzdeliuose. Esant normaliai oro temperatūrai, cirkonis yra pasyvus, nes susidaro apsauginė oksido ar nitrido plėvelė. Net ir be šios plėvelės, metalas yra atsparus silpnų rūgščių ir rūgščių druskų veikimui. Geriausiai ištirpinama vandenilio fluoro rūgštyje, kurioje stabilizuojant tirpalą svarbu formuoti anijoninius fluoro kompleksus. Normalioje temperatūroje jis nėra ypač reaktyvus, tačiau padidėjusioje temperatūroje tampa gana reaktyvus su įvairiais nemetalais. Dėl aukšto atsparumo korozijai cirkonis buvo plačiai naudojamas siurblių, vožtuvų ir šilumokaičių gamyboje. Cirkonis taip pat naudojamas kaip legiruojanti medžiaga gaminant kai kuriuos magnio lydinius ir kaip priedas gaminant tam tikrus plienus.
Natūralus cirkonis yra penkių stabilių izotopų mišinys: cirkonis-90 (51,46 proc.), Cirkonis-91 (11,23 proc.), Cirkonis-92 (17,11 proc.), Cirkonis-94 (17,40 proc.), Cirkonis-96 (2,80 proc.). Egzistuoja du allotropai: žemesnėje nei 862 ° C (1 584 ° F) šešiakampėje sandarioje struktūroje, aukštesnėje nei tokia temperatūra kūno centre esantis kubas.
