Plik cyrkon Jest to pierwiastek metaliczny, który znajduje się w grupie 4 układu okresowego i jest reprezentowany przez symbol chemiczny Zr. Należy do tej samej grupy co tytan, ponieważ znajduje się poniżej, a powyżej hafnu.
Jego nazwa nie ma nic wspólnego z „cyrkiem”, ale ze złotym lub złotym kolorem minerałów, w których został po raz pierwszy rozpoznany. W skorupie ziemskiej oraz w oceanach jej atomy w postaci jonów są związane z krzemem i tytanem, będąc tym samym składnikiem piasku i żwiru..
Jednak można go również znaleźć w izolowanych minerałach; w tym cyrkon, ortokrzemian cyrkonu. Podobnie możemy wspomnieć o baddelejycie, który odpowiada mineralogicznej formalności jego tlenku ZrOdwa, zwany cyrkonem. To naturalne, że te nazwy: „cyrkon”, „cyrkon” i „cyrkonia” mieszają się i powodują zamieszanie.
Jej odkrywcą był w 1789 roku Martin Heinrich Klaproth; podczas gdy pierwszą osobą, która go wyodrębniła, w nieczystej i amorficznej formie, był Jöns Jakob Berzelius w 1824 r. Wiele lat później improwizowano procesy uzyskiwania próbek cyrkonu o wyższej czystości, a jego zastosowania rosły wraz z pogłębianiem jego właściwości.
Cyrkon to srebrzystobiały metal (górne zdjęcie), który ma wysoką odporność na korozję i wysoką odporność na większość kwasów; z wyjątkiem kwasu fluorowodorowego i gorącego kwasu siarkowego. Jest pierwiastkiem nietoksycznym, choć może łatwo zapalić się ze względu na swoją piroforyczność, nie jest też uważany za szkodliwy dla środowiska.
Materiały takie jak tygle, formy odlewnicze, noże, zegarki, rury, reaktory, fałszywe diamenty, między innymi, zostały wyprodukowane z cyrkonu, jego tlenku i jego stopów. Dlatego wraz z tytanem jest specjalnym metalem i dobrym kandydatem do projektowania materiałów, które muszą wytrzymać nieprzyjazne warunki..
Z drugiej strony, z cyrkonu można było również zaprojektować materiały do bardziej wyrafinowanych zastosowań; na przykład: metaloorganiczne struktury lub organiczne metalowe struktury, które mogą służyć jako heterogeniczne katalizatory, absorbenty, magazynowanie cząsteczek, przepuszczalne ciała stałe, między innymi.
Indeks artykułów
Starożytne cywilizacje wiedziały już o minerałach cyrkonu, zwłaszcza cyrkonie, który jest przedstawiany jako złote klejnoty o kolorze zbliżonym do złota; stamtąd wzięła swoją nazwę, od słowa `` zargun '', co oznacza `` złoty kolor '', ponieważ z mineralnego jergonu, złożonego z cyrkonu (ortokrzemian cyrkonu), jego tlenek został rozpoznany po raz pierwszy.
Tego rozpoznania dokonał niemiecki chemik Martin Klaproth w 1789 roku, kiedy badał próbkę palety pobraną z Sir Lanki (zwanej wówczas Wyspą Cejlonu), którą rozpuścił za pomocą alkaliów. Nadał temu tlenkowi nazwę cyrkonu i stwierdził, że stanowi on 70% minerału. Jednak nie udało mu się zredukować go do metalicznej formy..
Sir Humphrey Davy próbował również zredukować tlenek cyrkonu, bez powodzenia, w 1808 r., Używając tej samej metody, za pomocą której był w stanie wyodrębnić metaliczny potas i sód. Dopiero w 1824 roku szwedzki chemik Jacob Berzelius uzyskał bezpostaciowy i zanieczyszczony cyrkon przez ogrzewanie mieszaniny jego fluorku potasu (KdwaZrF6) z metalicznym potasem.
Jednak cyrkon Berzeliusa był słabym przewodnikiem elektryczności, a także był nieefektywnym materiałem do wszelkich zastosowań, które mogłyby zaoferować inne metale w jego miejsce..
Cyrkon pozostawał zapomniany przez sto lat, aż w 1925 roku holenderscy naukowcy Anton Eduard van Arkel i Jan Hendrik de Boer opracowali proces wytwarzania krystalicznej kostki w celu uzyskania metalicznego cyrkonu o wyższej czystości..
Proces ten obejmował ogrzewanie czterojodku cyrkonu ZrI4, na żarzącym się filamencie wolframowym, tak że Zr4+ ostatecznie został zredukowany do Zr; a rezultat był taki, że krystaliczna sztabka cyrkonu pokryła wolfram (podobną do tej na pierwszym obrazku).
Wreszcie, w 1945 roku zastosowano proces Krolla do uzyskania metalicznego cyrkonu o jeszcze wyższej czystości i niższych kosztach, w którym zastosowano tetrachlorek cyrkonu ZrCl.4, zamiast tetrajodku.
Metal o błyszczącej powierzchni i srebrnym kolorze. Jeśli rdzewieje, staje się ciemnoszary. Drobno podzielony jest szarawym i bezpostaciowym proszkiem (powierzchownie).
40
91,224 g / mol
1855 ° C
4377 ºC
330 ºC
W temperaturze pokojowej: 6,52 g / cm3
W temperaturze topnienia: 5,8 g / cm3
14 kJ / mol
591 kJ / mol
25,36 J / (mol K)
1,33 w skali Paulinga
-Pierwsza: 640,1 kJ / mol (Zr+ gazowy)
-Po drugie: 1270 kJ / mol (Zrdwa+ gazowy)
-Po trzecie: 2218 kJ / mol (Zr3+ gazowy)
22,6 W / (mK)
421 nm przy 20 ° C
5.0
Cyrkon jest nierozpuszczalny w prawie wszystkich mocnych kwasach i zasadach; rozcieńczony, skoncentrowany lub gorący. Wynika to z ochronnej warstwy tlenku, która szybko tworzy się pod wpływem atmosfery, pokrywając metal i zapobiegając jego korozji. Jednak jest bardzo dobrze rozpuszczalny w kwasie fluorowodorowym i słabo rozpuszczalny w gorącym kwasie siarkowym..
W normalnych warunkach nie reaguje z wodą, ale reaguje z jej oparami w wysokich temperaturach, uwalniając wodór:
Zr + 2 H.dwaO → ZrOdwa + 2 godzdwa
Reaguje również bezpośrednio z halogenami w wysokich temperaturach.
Atomy cyrkonu oddziałują ze sobą dzięki wiązaniu metalicznemu, na które wpływają ich elektrony walencyjne i zgodnie z ich konfiguracją elektronową znajdują się one na orbitali 4d i 5s:
[Kr] 4ddwa 5sdwa
Dlatego cyrkon ma cztery elektrony tworzące pasma walencyjne s i d, iloczyn nakładania się odpowiednio orbitali 4d i 5s wszystkich atomów Zr w krysztale. Zauważ, że zgadza się to z faktem, że cyrkon jest umieszczony w grupie 4 układu okresowego.
Rezultatem tego „morza elektronów”, rozchodzącego się i zdelokalizowanego we wszystkich kierunkach kryształu, jest siła kohezji, która znajduje odzwierciedlenie w stosunkowo wysokiej temperaturze topnienia (1855 ° C) cyrkonu w porównaniu z innymi metalami..
Podobnie, ta siła lub wiązanie metaliczne jest odpowiedzialne za uporządkowanie atomów Zr w celu zdefiniowania zwartej struktury heksagonalnej (hcp); jest to pierwsza z jego dwóch faz krystalicznych, oznaczona jako α-Zr.
Tymczasem druga faza krystaliczna β-Zr o sześciennej strukturze wyśrodkowanej w korpusie (bcc) pojawia się po podgrzaniu cyrkonu do 863 ºC. Jeśli ciśnienie wzrośnie, struktura Bcc β-Zr zostanie zniekształcona; odkształca się, gdy odległość między atomami Zr jest zagęszczana i skracana.
Konfiguracja elektronowa cyrkonu od razu ujawnia, że jego atom jest zdolny do utraty do czterech elektronów, jeśli połączy się z pierwiastkami bardziej elektroujemnymi niż on. Tak więc, jeśli założymy istnienie kationu Zr4+, którego gęstość ładunku jonowego jest bardzo wysoka, to jego liczba lub stopień utlenienia wyniesie +4 lub Zr (IV).
W rzeczywistości jest to główna i najbardziej stabilna z jego stopni utlenienia. Na przykład następujące serie związków mają cyrkon jako +4: ZrOdwa (Zr4+LUBdwadwa-), Zr (WO4)dwa, ZrBr4 (Zr4+Br4-) i ZrI4 (Zr4+ja4-).
Cyrkon może mieć również inne dodatnie stopnie utlenienia: +1 (Zr+), +2 (Zrdwa+) i +3 (Zr3+); jednak jego związki są bardzo rzadkie, więc prawie nie są brane pod uwagę przy omawianiu tego punktu.
Znacznie mniej uważa się za cyrkon o ujemnych stopniach utlenienia: -1 (Zr-) i -2 (Zrdwa-), zakładając istnienie anionów „cyrkonu”.
Aby warunki mogły powstać, muszą być specjalne, pierwiastek, z którym jest połączony, musi mieć elektroujemność mniejszą niż cyrkon lub musi wiązać się z cząsteczką; jak to się dzieje w przypadku kompleksu anionowego [Zr (CO)6]dwa-, w którym sześć cząsteczek CO jest koordynowanych z centrum Zrdwa-.
Cyrkon jest pierwiastkiem występującym powszechnie w skorupie ziemskiej i morzach. Jego główną rudą jest cyrkonia mineralna (górne zdjęcie), której skład chemiczny to ZrSiO4 lub ZrOdwaSiOdwa; oraz w mniejszym stopniu, ze względu na jego niedobór, mineralny baddeleyit, który składa się prawie w całości z tlenku cyrkonu, ZrOdwa.
Cyrkon wykazuje silną geochemiczną skłonność do kojarzenia się z krzemem i tytanem, dlatego wzbogaca piaski i żwir plaż oceanicznych, osady aluwialne i dna jezior, a także skały magmowe, które nie uległy erozji..
Dlatego kryształy cyrkonu należy najpierw oddzielić od kryształów rutylu i ilmenitu, TiOdwa, a także kwarcowe SiOdwa. W tym celu piaski są zbierane i umieszczane w spiralnych koncentratorach, gdzie ich minerały ostatecznie rozdzielają się w zależności od różnic w ich gęstości..
Tlenki tytanu są następnie oddzielane przez przyłożenie pola magnetycznego, aż pozostałe ciało stałe składa się tylko z cyrkonu (już nie TiOdwa ani SiOdwa). Po wykonaniu tej czynności chlor gazowy jest używany jako środek redukujący do przekształcania ZrOdwa do ZrCl4, tak jak w przypadku tytanu w procesie Kroll:
ZrOdwa + 2Cldwa + 2C (900 ° C) → ZrCl4 + 2CO
I wreszcie ZrCl4 zredukowana stopionym magnezem:
ZrCl4 + 2Mg (1100 ° C) → 2MgCldwa + Zr
Przyczyna bezpośredniej redukcji z ZrO nie jest wykonywanadwa Dzieje się tak, ponieważ mogą tworzyć się węgliki, które są jeszcze trudniejsze do zredukowania. Wygenerowana gąbka cyrkonowa jest przemywana roztworem kwasu solnego i topiona w obojętnej atmosferze helu w celu utworzenia metalowych prętów cyrkonu..
Cyrkon ma niski procent (od 1 do 3%) hafnu w swoim składzie, ze względu na podobieństwo chemiczne między jego atomami..
Samo to nie stanowi problemu dla większości aplikacji; jednak hafn nie jest przezroczysty dla neutronów, podczas gdy cyrkon jest. Dlatego metaliczny cyrkon musi być oczyszczony z zanieczyszczeń hafnu, aby mógł być stosowany w reaktorach jądrowych..
Aby to osiągnąć, stosuje się techniki rozdzielania mieszanin, takie jak krystalizacja (ich soli fluorkowych) i destylacja frakcjonowana (ich tetrachlorków) oraz ekstrakcja ciecz-ciecz przy użyciu rozpuszczalników ketonu metylowo-izobutylowego i wody..
Cyrkon występuje na Ziemi jako mieszanina czterech stabilnych izotopów i jednego radioaktywnego, ale o tak długim okresie półtrwania (t1/2= 2,0 1019 lat), który jest praktycznie tak samo stabilny jak inne.
Te pięć izotopów, z ich odpowiednimi obfitościami, wymieniono poniżej:
-90Zr (51,45%)
-91Zr (11,22%)
-92Zr (17,15%)
-94Zr (17,38%)
-96Zr (2,80%, wyżej wymieniony radioaktywny)
Będąc średnią masą atomową 91,224 u, która jest położona bliżej 90Zr co z 91Zr. To pokazuje „wagę” jego izotopów o największej masie atomowej, gdy są one brane pod uwagę przy obliczaniu średniej ważonej..
Oprócz 96Zr występuje w naturze inny radioizotop: 93Zr (t1/2= 1,53 · 106 lat). Jednak występuje w ilościach śladowych, więc jego udział w średniej masie atomowej 91,224 u jest znikomy. Dlatego cyrkon nie jest klasyfikowany jako metal radioaktywny..
Oprócz pięciu naturalnych izotopów cyrkonu i radioizotopu 93Zr powstały inne sztuczne (do tej pory 28), w tym m.in. 88Zr (t1/2= 83,4 dnia), 89Zr (t1/2= 78,4 godziny) i 110Zr (30 milisekund).
Cyrkon jest metalem stosunkowo stabilnym, więc żadna z jego reakcji nie jest energiczna; chyba że występuje w postaci drobno rozdrobnionego proszku. Kiedy powierzchnia arkusza cyrkonu zostanie zarysowana papierem ściernym, emituje żarzące się iskry ze względu na swoją piroforyczność; ale te natychmiast gasną w powietrzu.
Jednak potencjalne zagrożenie pożarowe stanowi ogrzewanie proszku cyrkonu w obecności tlenu: pali się on płomieniem o temperaturze 4460 ° C; jeden z najgorętszych znanych metali.
Radioaktywne izotopy cyrkonu (93Zr i 96Zr), emitują promieniowanie o tak niskiej energii, że są nieszkodliwe dla istot żywych. Mając powyższe na uwadze, można na razie stwierdzić, że metaliczny cyrkon jest pierwiastkiem nietoksycznym..
Jony cyrkonu, Zr4+, można je znaleźć szeroko rozpowszechnione w przyrodzie w niektórych produktach spożywczych (warzywach i pełnoziarnistej pszenicy) i organizmach. W organizmie człowieka występuje średnie stężenie cyrkonu na poziomie 250 mg i jak dotąd nie ma badań, które wiązałyby go z objawami lub chorobami wynikającymi z niewielkiego nadwyżki jego spożycia.
Zr4+ może być szkodliwy w zależności od towarzyszących mu anionów. Na przykład ZrCl4 w wysokich stężeniach wykazano, że jest śmiertelny dla szczurów, wpływając również na psy, ponieważ zmniejsza liczbę ich czerwonych krwinek.
Sole cyrkonu działają drażniąco na oczy i gardło i od osoby zależy, czy mogą podrażniać skórę. Jeśli chodzi o płuca, odnotowano kilka nieprawidłowości u osób, które wdychały je przez przypadek. Z drugiej strony nie ma badań medycznych, które potwierdzałyby, że cyrkon jest rakotwórczy..
Mając to na uwadze, można powiedzieć, że metaliczny tlenek cyrkonu, ani jego jony, stanowią alarmujące zagrożenie dla zdrowia. Istnieją jednak związki cyrkonu zawierające aniony, które mogą mieć negatywny wpływ na zdrowie i środowisko, zwłaszcza jeśli są to aniony organiczne i aromatyczne..
Cyrkon, jako sam metal, dzięki swoim właściwościom znajduje różnorodne zastosowania. Dzięki wysokiej odporności na korozję oraz na atak silnych kwasów i zasad oraz innych substancji reaktywnych jest idealnym materiałem do produkcji konwencjonalnych reaktorów, rur i wymienników ciepła..
Podobnie cyrkon i jego stopy są wytwarzane z materiałów ogniotrwałych, które muszą wytrzymywać ekstremalne lub delikatne warunki. Na przykład służą do wykonywania form odlewniczych, fornirów i turbin dla statków i pojazdów kosmicznych lub obojętnych urządzeń chirurgicznych, aby nie reagowały z tkankami ciała.
Z drugiej strony, jego piroforyczność jest wykorzystywana do tworzenia broni i fajerwerków; ponieważ bardzo drobne cząstki cyrkonu mogą się bardzo łatwo palić, wydzielając żarzące się iskry. Jego niezwykła reaktywność z tlenem w wysokich temperaturach służy do wychwytywania go w rurkach próżniowych i żarówkach.
Jednak jego najważniejszym zastosowaniem jest przede wszystkim pełnienie roli materiału do reaktorów jądrowych, ponieważ cyrkon nie reaguje z neutronami uwalnianymi podczas rozpadów radioaktywnych..
Wysoka temperatura topnienia (2715 ° C) tlenku cyrkonu (ZrOdwa) czyni go jeszcze lepszą alternatywą dla cyrkonu do produkcji materiałów ogniotrwałych; na przykład tygle odporne na nagłe zmiany temperatury, twarda ceramika, noże ostrzejsze niż te wykonane m.in. ze stali, szkła.
Różnorodność cyrkonu zwana `` cyrkonem '' jest używana w biżuterii, ponieważ może być używana do tworzenia doskonałych replik błyszczących diamentów fasetowanych (górne zdjęcie).
Nieorganiczne czy organiczne sole cyrkonu, a także inne związki mają niezliczone zastosowania, wśród których możemy wymienić:
-Niebiesko-żółte pigmenty do glazurowania ceramiki i sztucznych kamieni (ZrSiO4)
-Pochłaniacz dwutlenku węgla (LidwaZrO3)
-Powłoki w przemyśle papierniczym (octany cyrkonu)
-Antyperspiranty (ZrOCldwa oraz mieszaniny złożonych soli cyrkonu i glinu)
-Farby i tusze drukarskie [Zr (CO3)3(NH4)dwa]
-Zabieg dializy nerek i do usuwania zanieczyszczeń w wodzie (fosforany i wodorotlenek cyrkonu)
-Kleje [Zr (NO3)4]
-Katalizatory do organicznych reakcji aminowania, utleniania i uwodornienia (dowolny związek cyrkonu wykazujący aktywność katalityczną)
-Dodatki zwiększające płynność cementu
-Ciała stałe przepuszczalne dla jonów alkalicznych
Atomy cyrkonu jako jony Zr4+ może tworzyć wiązania koordynacyjne z tlenem, ZrIV-Lub w taki sposób, że może oddziaływać bez problemów z utlenionymi organicznymi ligandami; to znaczy cyrkon jest zdolny do tworzenia różnych związków metaloorganicznych.
Związki te, kontrolując parametry syntezy, mogą być używane do tworzenia szkieletów metaloorganicznych, lepiej znanych jako szkielet metaloorganiczny (MOF): Struktura metaliczno - organiczna). Materiały te wyróżniają się wysoką porowatością i atrakcyjnymi strukturami trójwymiarowymi, takimi jak zeolity..
Jego zastosowania zależą w dużej mierze od tego, które ligandy organiczne są wybrane do koordynacji z cyrkonem, a także od optymalizacji warunków syntezy (temperatura, pH, czas mieszania i reakcji, stosunki molowe, objętości rozpuszczalników itp.).
Na przykład wśród MOF cyrkonu można wymienić UiO-66, który jest oparty na oddziaływaniach Zr-tereftalan (z kwasu tereftalowego). Ta cząsteczka, która działa jako ligand, koordynuje z Zr4+ poprzez ich grupy -COO-, tworząc cztery wiązania Zr-O.
Naukowcy z University of Illinois, kierowani przez Kennetha Suslicka, zaobserwowali, że UiO-66 pod wpływem intensywnych sił mechanicznych ulega strukturalnej deformacji, gdy pękają dwa z czterech wiązań Zr-O..
W konsekwencji UiO-66 może być stosowany jako materiał przeznaczony do rozpraszania energii mechanicznej, będący nawet w stanie wytrzymać ciśnienie równoważne detonacji trotylu przed pęknięciem molekularnym..
Poprzez zamianę kwasu tereftalowego na kwas trymesowy (pierścień benzenowy z trzema grupami -COOH w pozycjach 2, 4, 6), pojawia się nowe metaloorganiczne rusztowanie dla cyrkonu: MOFs-808.
Zbadano jego właściwości i zdolność do działania jako materiał magazynujący wodór; to znaczy cząsteczki Hdwa w końcu przechowują pory MOF-808, a następnie wyodrębniają je, gdy jest to konieczne.
I wreszcie mamy MOF MIP-202 z Instytutu Materiałów Porowatych w Paryżu. Tym razem jako spoiwo użyli kwasu asparaginowego (aminokwasu). Ponownie, wiązania Zr-O Zr4+ a tlenki asparaginianu (deprotonowane grupy -COOH) są siłami kierunkowymi, które kształtują trójwymiarową i porowatą strukturę tego materiału.
MIP-202 okazał się doskonałym przewodnikiem protonów (H.+), które przemieszczają się przez jego pory z jednej komory do drugiej. Dlatego jest kandydatem do wykorzystania jako materiał do produkcji membran z wymianą protonów; które są niezbędne dla rozwoju przyszłych akumulatorów wodorowych.
Jeszcze bez komentarzy