Цирконий как химический элемент таблицы Менделеева

Цирконий является химическим элементом таблицы Менделеева с атомным номером 40 и условным обозначением Zr. Цирконий представляет собой блестящий серебристо-белый прочный переходной металл.

Как был открыт Цирконий

История открытия циркония начинается с давних времен. Минералы содержащие этот химический элемент известны с библейских времен. К таким минералам относятся циркон и ему подобные — гиацинт, жаргун и лигуре. То, что циркон содержит новый химический элемент не было известно до 1789 года. В этом году немецкий химик Мартин Генрих Клапрот проанализировал жаргун с острова Цейлон. В результате он обнаружил содержание нового элемента и назвал его Zirkonerde, что в переводе означает диоксид циркония. Многие ученые пытались выделить чистый химический элемент, но удача отворачивалась от них многие годы. В пример можно привести Хэмфри Дэви, который пытался выделить его методом электролиза в 1808 году, но попытка оказалась безуспешной.

Металлический цирконий был впервые получен в нечистой форме в 1824 году Берцелиусом при нагревании смеси калия и фторида циркония калия в железной трубке.

Процесс изготовления кристаллических брусков (также известный как йодидный процесс ), открытый Антоном Эдуардом ван Аркелем и Яном Хендриком де Буром в 1925 году, был первым процессом промышленного производства металлического циркония. Он включает образование и последующее термическое разложение тетраиодида циркония и был заменен в 1945 году гораздо более дешевым процессом Кролла, разработанным Уильямом Джастином Кроллом, в котором тетрахлорид циркония восстанавливается магнием:

ZrCl ₄ + 2 Mg → Zr + 2 MgCl ₂

Где и как добывают Цирконий

Цирконий является побочным продуктом от добычи и переработки титаносодержащих минералов ильменита и рутила, а так же добычи олова.

Цирконсодержащий песок, собираемый в прибрежных водах, очищается спиральными концентраторами для отделения более легких материалов, которые затем возвращаются в воду, поскольку они являются естественными компонентами пляжного песка. С помощью магнитной сепарации удаляются титановые руды ильменита и рутила.

Большая часть циркона используется непосредственно в коммерческих целях, но небольшой процент превращается в металл. Большинство металлического циркония получают путем уменьшения хлорида циркония (IV) с металлическим магнием в процессе Кролла(формула приведена выше). Полученный металл спекается до тех пор, пока он не станет достаточно пластичным для обработки металлов.

Коммерческий металлический цирконий обычно содержит 1–3% гафния, что обычно не вызывает проблем, поскольку химические свойства гафния и циркония очень похожи. Однако их свойства поглощения нейтронов сильно различаются, что требует отделения гафния от циркония для ядерных реакторов. В настоящее время используется несколько схем разделения. Жидкостная экстракция из тиоцианата производных использует тот факт, что производное гафния является немного более растворимым в метилизобутилкетоне, чем в воде. Этот метод используется в основном в США.

Zr и Hf можно также разделить фракционной кристаллизацией гексафторцирконата калия (K₂ZrF₆), который менее растворим в воде, чем аналогичное производное гафния. В то же время фракционная перегонка тетрахлоридов, также называемая экстрактивной перегонкой, используется в основном в Европе.

Распространенность Циркония

Цирконий имеет концентрацию около 130 мг/кг в земной коре и около 0,026 мкг/л в морской воде. Он не встречается в природе как самородный металл, что отражает его внутреннюю нестабильность по отношению к воде. Основным коммерческим источником циркония является циркон (ZrSiO₄), силикатный минерал, который добывается в основном в Австралии, Бразилии, Индии, России, Южной Африке и Соединенных Штатах Америки, а также в небольших месторождениях по всему миру. По состоянию на 2013 год две трети добычи циркона приходится на Австралию и Южную Африку. Ресурсы циркона превышают 60 миллионов тонн во всем мире, а ежегодное мировое производство циркония составляет около 900 000 тонн. Цирконий также встречается в более чем 140 других минералах, включая коммерчески полезные руды бадделеит и коснарит.

Циркония относительно много в звездах S-типа, он был обнаружен на Солнце и в метеоритах. Образцы лунных пород, доставленные из нескольких миссий Аполлона на Луну, имеют высокое содержание оксида циркония по сравнению с земными породами.

ЭПР-спектроскопия использовалась для исследования необычного состояния циркония с валентностью 3+. Спектр ЭПР Zr ³⁺, который был первоначально наблюдалось в качестве паразитного сигнала в Fe-легированных монокристаллов ScPO₄, окончательно определены путем подготовки монокристаллов ScPO₄, допированного изотопно обогащенного (94,6%) ⁹¹Zr. Также были выращены и исследованы монокристаллы LuPO₄ и YPO₄, легированные как естественным, так и изотопно обогащенным Zr.

Применение Циркония

Большая часть циркона используется непосредственно при высоких температурах. Поскольку циркон является огнеупорным, твердым и устойчивым к химическим воздействиям, он находит множество применений. В основном он используется в качестве глушителя, придавая керамическим материалам белый непрозрачный вид. Из-за своей химической стойкости циркон также используется в агрессивных средах, таких как формы для расплавленных металлов.

Диоксид циркония (ZrO₂) используется в лабораторных тиглях, в металлургических печах и как огнеупорный материал. Поскольку это механически прочное и гибкое вещество, он может быть спечен в керамические ножи и другие лезвия. Циркон (ZrSiO₄) и кубический цирконий (ZrO₂) обрабатывают драгоценные камни для использования в ювелирных изделиях.
Диоксид циркония входит в состав некоторых абразивов, таких как шлифовальные круги и наждачная бумага.

Небольшая часть циркона превращается в металл, который находит различные нишевые применения. Из-за превосходной устойчивости циркония к коррозии он часто используется в качестве легирующего агента в материалах, которые подвергаются воздействию агрессивных сред, таких как хирургические инструменты, световые нити и корпуса часов. Высокая реакционная способность циркония с кислородом при высоких температурах используется в некоторых специализированных приложениях, таких как взрывные капсюли и газопоглотители в вакуумных трубках. Горящий цирконий использовался в качестве источника света в некоторых фотографических лампах-вспышках. Порошок циркония с размером ячеек от 10 до 80 иногда используется в пиротехнических композициях для генерации искр, благодаря своей высокой реакционной способности.

Интересные факты

Интересных фактов связанных с цирконием достаточно много. Стоит начать с того, что цирконий не имеет известной биологической роли, но человеческое тело содержит в среднем 250 миллиграммов циркония, а суточная доза составляет примерно 4,15 миллиграмма (3,5 миллиграмма с пищей и 0,65 миллиграмма с водой), в зависимости от диетических привычек.

Цирконий широко распространен в природе и содержится во всех биологических системах, например: 2,86 мкг/г в цельной пшенице, 3,09 мкг/г в коричневом рисе, 0,55 мкг/г в шпинате , 1,23 мкг / г в яйцах, и 0,86 мкг / г в говяжьем фарше. Кроме того, цирконий обычно используется в коммерческих продуктах (например, в стиках-дезодорантах , аэрозольных антиперспирантах), а также в очистке воды (например, для контроля уровня фосфора), так как вода, загрязненная бактериями и пирогенами).

Кратковременное воздействие порошка циркония может вызвать раздражение, но только попадание в глаза требует медицинской помощи. Постоянное воздействие тетрахлорида циркония приводит к увеличению смертности крыс и морских свинок и снижению гемоглобина в крови и эритроцитов у собак. Однако в исследовании на 20 крысах, получавших стандартную пищу, содержащую ~ 4% оксида циркония, не было выявлено неблагоприятных воздействий на скорость роста, параметры крови и мочи или смертность.