De zirkonium Det er et metallisk element som ligger i gruppe 4 i det periodiske systemet, og som er representert med det kjemiske symbolet Zr. Den tilhører samme gruppe som titan, under denne og over hafnium.
Navnet har ikke noe å gjøre med "sirkuset", men med den gyldne eller gullfargen på mineralene der den først ble gjenkjent. I jordskorpen og i havene er atomene i form av ioner forbundet med silisium og titan, og er derfor en komponent av sand og grus..
Imidlertid kan den også finnes i isolerte mineraler; inkludert zirkon, et zirkoniumortosilikat. På samme måte kan vi nevne baddeleyite, som tilsvarer den mineralogiske formaliteten til oksidet, ZrOto, kalt zirkonia. Det er naturlig at disse navnene: 'zirkon', 'zirkon' og 'zirconia' blandes sammen og forårsaker forvirring.
Oppdageren var Martin Heinrich Klaproth, i 1789; mens den første personen som isolerte den, i en uren og amorf form, var Jöns Jakob Berzelius, i 1824. År senere ble prosesser improvisert for å skaffe prøver av zirkonium med høyere renhet, og anvendelsene økte etter hvert som egenskapene ble utvidet..
Zirkonium er et sølvhvitt metall (toppbilde) som har høy korrosjonsbestandighet og høy stabilitet mot de fleste syrer; unntatt flussyre og varm svovelsyre. Det er et ikke-giftig element, selv om det lett kan ta fyr på grunn av sin pyroforisitet, og anses heller ikke som skadelig for miljøet.
Materialer som digler, støpeformer, kniver, klokker, rør, reaktorer, falske diamanter, er produsert av zirkonium, oksid og legeringer. Det er derfor, sammen med titan, et spesielt metall og en god kandidat når man designer materialer som må tåle fiendtlige forhold..
På den annen side har det fra zirkonium også vært mulig å designe materialer for mer raffinerte applikasjoner; for eksempel: organometalliske rammer eller organiske metallrammer, som kan tjene som heterogene katalysatorer, absorbenter, lagring av molekyler, permeable faste stoffer, blant andre.
Artikkelindeks
Gamle sivilisasjoner visste allerede om zirkoniummineraler, spesielt zirkon, som presenteres som gyldne perler i en farge som ligner på gull; derfra stammer det navnet sitt fra ordet 'zargun' som betyr 'gylden farge', siden det fra mineral jergón, sammensatt av zirkon (et zirkoniumortosilikat), ble oksidet gjenkjent for første gang.
Denne anerkjennelsen ble gjort av den tyske kjemikeren Martin Klaproth i 1789, da han studerte en palleprøve hentet fra Sir Lanka (den gang kalt øya Ceylon), og som han oppløste med alkali. Han ga dette oksidet navnet zirkonia, og fant ut at det utgjorde 70% av mineralet. Han mislyktes imidlertid i forsøkene på å redusere den til metallisk form..
Sir Humphrey Davy prøvde også å redusere zirkonia uten suksess i 1808 ved å bruke den samme metoden som han var i stand til å isolere metallisk kalium og natrium. Først i 1824 fikk den svenske kjemikeren Jacob Berzelius amorft og urent zirkonium ved å varme opp en blanding av kaliumfluorid (KtoZrF6) med metallisk kalium.
Imidlertid var Berzelius 'zirkonium en dårlig leder av elektrisitet, i tillegg til å være et ineffektivt materiale for enhver bruk som kunne tilby andre metaller i stedet..
Zirkonium forble glemt i et århundre, til i 1925 utviklet de nederlandske forskerne Anton Eduard van Arkel og Jan Hendrik de Boer, prosessen med den krystallinske baren for å oppnå et metallisk zirkonium med høyere renhet.
Denne prosessen besto av oppvarming av zirkoniumtetraiodid, ZrI4, på en glødende wolframfilament, slik at Zr4+ endte opp med å bli redusert til Zr; og resultatet var at en krystallinsk sirkonstang belegget wolfram (ligner på den i det første bildet).
Til slutt ble Kroll-prosessen anvendt i 1945 for å oppnå metallisk zirkonium med enda høyere renhet og til en lavere pris, der zirkoniumtetraklorid, ZrCl, brukes.4, i stedet for tetraiodid.
Metall med glansfull overflate og sølvfarge. Hvis den ruster, blir den mørk gråaktig. Finfordelt er det et gråaktig og amorft pulver (overflatisk sett).
40
91,244 g / mol
1855 ºC
4377 ºC
330 ºC
Ved romtemperatur: 6,52 g / cm3
Ved smeltepunkt: 5,8 g / cm3
14 kJ / mol
591 kJ / mol
25,36 J / (mol K)
1,33 på Pauling-skalaen
-Først: 640,1 kJ / mol (Zr+ gassformig)
-Andre: 1270 kJ / mol (Zrto+ gassformig)
-Tredje: 2218 kJ / mol (Zr3+ gassformig)
22,6 W / (mK)
421 nΩm ved 20 ° C
5.0
Zirkonium er uoppløselig i nesten alle sterke syrer og baser; fortynnet, konsentrert eller varmt. Dette skyldes det beskyttende oksydlaget, som dannes raskt når det utsettes for atmosfæren, belegger metallet og forhindrer at det tærer. Imidlertid er det veldig løselig i flussyre og litt løselig i varm svovelsyre..
Den reagerer ikke med vann under normale forhold, men reagerer med dampene ved høye temperaturer for å frigjøre hydrogen:
Zr + 2 HtoO → ZrOto + 2 timerto
Og det reagerer også direkte med halogener ved høye temperaturer.
Zirkoniumatomer samhandler med hverandre takket være deres metallbinding, som styres av deres valenselektroner, og i henhold til deres elektroniske konfigurasjon finnes disse i 4d og 5s orbitaler:
[Kr] 4dto 5sto
Derfor har zirkonium fire elektroner for å danne valensbånd s og d, produktet av overlappingen av henholdsvis 4d og 5s orbitaler av alle Zr-atomene i krystallet. Merk at dette stemmer overens med at zirkonium er plassert i gruppe 4 i det periodiske systemet.
Resultatet av dette "elektronhavet", forplantet og avlokalisert i alle retninger av krystallet, er en kohesjonskraft som gjenspeiles i det relativt høye smeltepunktet (1855 ºC) av zirkonium, sammenlignet med andre metaller..
På samme måte er denne kraften eller metallbindingen ansvarlig for å beordre Zr-atomene til å definere en kompakt sekskantet struktur (hcp); dette er den første av sine to krystallinske faser, betegnet som α-Zr.
I mellomtiden vises den andre krystallinske fasen, β-Zr, med en kubisk struktur sentrert i kroppen (bcc), når zirkoniumet oppvarmes til 863 ºC. Hvis trykket øker, vil bcc-strukturen til β-Zr ende med å forvrenge; deformeres når avstanden mellom Zr-atomene komprimeres og forkortes.
Elektronkonfigurasjonen av zirkonium avslører med en gang at dets atom er i stand til å miste opptil fire elektroner hvis det kombineres med mer elektronegative elementer enn det. Dermed hvis eksistensen av kationen Zr antas4+, hvis ioneladningstetthet er veldig høy, vil antallet eller oksidasjonstilstanden være +4 eller Zr (IV).
Faktisk er dette det viktigste og mest stabile av oksidasjonsnumrene. For eksempel har følgende serie forbindelser zirkonium som +4: ZrOto (Zr4+ELLERtoto-), Zr (WO4)to, ZrBr4 (Zr4+Br4-) og ZrI4 (Zr4+Jeg4-).
Zirkonium kan også ha andre positive oksidasjonstall: +1 (Zr+), +2 (Zrto+) og +3 (Zr3+); forbindelsene er imidlertid svært sjeldne, så de blir neppe vurdert når vi diskuterer dette poenget.
Mye mindre betraktes som zirkonium med negative oksidasjonstall: -1 (Zr-) og -2 (Zrto-), forutsatt eksistensen av "zirkonid" -ioner.
For at forholdene skal dannes, må de være spesielle, elementet som det kombineres med må ha en elektronegativitet lavere enn zirkonium, eller det må binde seg til et molekyl; som det skjer med det anioniske komplekset [Zr (CO)6]to-, hvor seks CO-molekyler koordinerer med et Zr-senterto-.
Zirkonium er et betydelig rikelig element i jordskorpen og havene. Hovedmalmen er mineral zirkon (toppbilde), hvis kjemiske sammensetning er ZrSiO4 eller ZrOtoSiOto; og i mindre grad, på grunn av sin knapphet, mineralet baddeleyite, som består nesten utelukkende av zirconia, ZrOto.
Zirkonium viser en sterk geokjemisk tendens til å assosiere seg med silisium og titan, og det er derfor det beriker sanden og grusene til havstrender, alluviale forekomster og innsjøbunn, samt magmatiske bergarter som ikke er erodert..
Derfor må zirkonkrystallene skilles fra rutil- og ilmenittkrystallene, TiOto, og også de av kvarts, SiOto. For dette samles sanden og plasseres i spiralkonsentratorer, hvor mineralene deres ender med å skille seg, avhengig av forskjellene i tettheten..
Titanoksydene skilles deretter fra ved å påføre et magnetfelt til det gjenværende faste stoffet bare består av zirkon (ikke lenger TiOto ei heller SiOto). Når dette er gjort, brukes klorgass som et reduksjonsmiddel for å transformere ZrOto til ZrCl4, som det gjøres med titan i Kroll-prosessen:
ZrOto + 2Clto + 2C (900 ° C) → ZrCl4 + 2CO
Og til slutt, ZrCl4 redusert med smeltet magnesium:
ZrCl4 + 2Mg (1100 ° C) → 2MgClto + Zr
Årsaken til at direkte reduksjon fra ZrO ikke utføresto det er fordi karbider kan dannes, som er enda vanskeligere å redusere. Den genererte zirkoniumsvampen vaskes med saltsyreoppløsning og smeltes under en inert atmosfære av helium for å skape metalliske zirkoniumstenger..
Zirkonium har en lav prosentandel (fra 1 til 3%) hafnium i sammensetningen, på grunn av den kjemiske likheten mellom atomene..
Dette alene er ikke et problem for de fleste av applikasjonene dine; imidlertid er hafnium ikke gjennomsiktig for nøytroner, mens zirkonium er det. Derfor må metallisk zirkonium renses fra hafnium-urenheter for å kunne brukes i atomreaktorer..
For å oppnå dette brukes blandingsseparasjonsteknikker, slik som krystallisering (av fluorsalter) og fraksjonert destillasjon (av tetraklorider), og væske-væske-ekstraksjon ved bruk av løsningsmidlene metylisobutylketon og vann..
Zirkonium finnes på jorden som en blanding av fire stabile isotoper og en radioaktiv, men med så lang halveringstid (t1/2= 2,0 1019 år), som er praktisk talt like stabil som den andre.
Disse fem isotoper, med deres respektive overflod, er oppført nedenfor:
-90Zr (51,45%)
-91Zr (11,22%)
-92Zr (17,15%)
-94Zr (17,38%)
-96Zr (2,80%, den radioaktive nevnt ovenfor)
Å være den gjennomsnittlige atommassen på 91 224 u, som ligger nærmere 90Zr hva av 91Zr. Dette viser "vekten" til isotopene med høyest atommasse når de tas i betraktning i beregningen av det vektede gjennomsnittet..
Bortsett fra 96Zr eksisterer i naturen en annen radioisotop: 93Zr (t1/2= 1,53 · 106 år). Imidlertid finnes den i spormengder, så dens bidrag til den gjennomsnittlige atommassen, 91,244 u, er ubetydelig. Derfor er zirkonium langt fra klassifisert som et radioaktivt metall..
I tillegg til de fem naturlige isotoper av zirkonium, og radioisotopen 93Zr, andre kunstige er opprettet (28 så langt), hvorav 88Zr (t1/2= 83,4 dager), den 89Zr (t1/2= 78,4 timer) og 110Zr (30 millisekunder).
Zirkonium er et relativt stabilt metall, så ingen av reaksjonene er kraftige; med mindre det er funnet som et findelt pulver. Når overflaten på et zirkoniumdioksidskrape er ripet med sandpapir, avgir det glødende gnister på grunn av dets pyrophoricity; men disse slukkes straks i luften.
Det som imidlertid representerer en potensiell brannfare, er å varme opp zirkoniumpulver i nærvær av oksygen: det brenner med en flamme som har en temperatur på 4460 ° C; en av de hotteste som er kjent for metaller.
Radioaktive isotoper av zirkonium (93Zr og 96Zr), avgir stråling med så lav energi at de er ufarlige for levende vesener. Når det er sagt, kan det for øyeblikket sies at metallisk zirkonium er et ikke-giftig element..
Zirkoniumioner, Zr4+, de kan bli spredt vidt i naturen i visse matvarer (grønnsaker og full hvete) og organismer. Menneskekroppen har en gjennomsnittlig konsentrasjon på 250 mg zirkonium, og så langt er det ingen studier som har knyttet den til symptomer eller sykdommer på grunn av et lite overskudd av forbruket..
Zr4+ det kan være skadelig avhengig av medfølgende anioner. For eksempel ZrCl4 ved høye konsentrasjoner har det vist seg å være dødelig for rotter, som også rammer hunder, da det reduserer antall røde blodlegemer.
Zirkoniumsalter irriterer øynene og halsen, og det er opp til individet om de kan irritere huden eller ikke. Når det gjelder lungene, er det få abnormiteter rapportert hos de som har innåndet dem ved et uhell. På den annen side er det ingen medisinske studier som bekrefter at zirkonium er kreftfremkallende..
Med dette i tankene kan det sies at metallzirkoniumdioksid, eller dets ioner, utgjør en alarmerende helserisiko. Imidlertid er det zirkoniumforbindelser som inneholder anioner som kan ha negativ innvirkning på helse og miljø, spesielt hvis de er organiske og aromatiske anioner..
Zirkonium, som et metall i seg selv, finner forskjellige bruksområder takket være dets egenskaper. Dens høye motstandsdyktighet mot korrosjon og mot angrep av sterke syrer og baser, så vel som andre reaktive stoffer, gjør det til et ideelt materiale for produksjon av konvensjonelle reaktorer, rør og varmevekslere..
På samme måte er det laget zirkonium og dets legeringer ildfaste materialer som må tåle ekstreme eller delikate forhold. De brukes for eksempel til å lage støpeformer, finér og turbiner til skip og romfartøy, eller inerte kirurgiske innretninger slik at de ikke reagerer med kroppsvev.
På den annen side brukes dens pyrophoricity til å lage våpen og fyrverkeri; siden de veldig fine partiklene av zirkonium kan brenne veldig lett og gi glødende gnister. Den bemerkelsesverdige reaktiviteten med oksygen ved høye temperaturer brukes til å fange den i vakuumforseglingsrør og inne i lyspærer.
Imidlertid er den viktigste bruken fremfor alt å tjene som et materiale for kjernefysiske reaktorer, siden zirkonium ikke reagerer med nøytronene som frigjøres i radioaktivt forfall..
Det høye smeltepunktet (2715 ° C) av zirkoniumdioksid (ZrOto) gjør det til et enda bedre alternativ til zirkonium for fremstilling av ildfaste materialer; for eksempel smeltedigler som motstår plutselige temperaturendringer, tøff keramikk, kniver skarpere enn de som er laget av stål, glass, blant andre.
En rekke zirkoner kalt 'cubic zirconia' brukes i smykker, da de kan brukes til å lage perfekte kopier av glitrende fasetterte diamanter (toppbilde).
Uorganiske eller organiske zirkoniumsalter, så vel som andre forbindelser, har utallige anvendelser, blant hvilke vi kan nevne:
-Blå og gule pigmenter for glasskeramikk og falske perler (ZrSiO4)
-Karbondioksidabsorber (LitoZrO3)
-Belegg i papirindustrien (zirkoniumacetater)
-Antiperspiranter (ZrOClto og blandinger av komplekse salter av zirkonium og aluminium)
-Maling og trykkfarger [Zr (CO3)3(NH4)to]
-Nyredialysebehandling og for fjerning av forurensninger i vannet (fosfater og zirkoniumhydroksid)
-Lim [Zr (NO3)4]
-Katalysatorer for organisk aminering, oksidasjon og hydrogeneringsreaksjoner (enhver zirkoniumforbindelse som viser katalytisk aktivitet)
-Tilsetningsstoffer for å øke flytbarheten til sement
-Alkaliiongjennomtrengelige faste stoffer
Zirkoniumatomer som Zr-ioner4+ kan danne koordineringsbindinger med oksygen, ZrIV-Eller på en slik måte at den kan samhandle uten problemer med de oksygenerte organiske ligandene; det vil si at zirkonium er i stand til å danne forskjellige organometalliske forbindelser.
Disse forbindelsene, ved å kontrollere synteseparametrene, kan brukes til å lage organometalliske rammer, bedre kjent som organiske metallrammer (MOFs): Metal-Organic Framework). Disse materialene skiller seg ut for å være svært porøse og ha attraktive tredimensjonale strukturer, slik som zeolitter..
Dens anvendelser avhenger sterkt av hvilke organiske ligander som er valgt for å koordinere med zirkonium, samt av optimalisering av synteseforholdene (temperatur, pH, omrøring og reaksjonstid, molforhold, løsningsmiddelvolum, etc.).
For eksempel kan vi nevne UiO-66 blant MOF-er av zirkonium, som er basert på Zr-tereftalat-interaksjoner (fra tereftalsyre). Dette molekylet, som fungerer som en ligand, koordinerer med Zr4+ gjennom sine -COO-grupper-, danner fire Zr-O obligasjoner.
Forskere fra University of Illinois, ledet av Kenneth Suslick, observerte at UiO-66, under intense mekaniske krefter, gjennomgår strukturell deformasjon når to av de fire Zr-O-bindingene går i stykker..
Følgelig kunne UiO-66 brukes som et materiale designet for å spre mekanisk energi, og til og med være i stand til å motstå et trykk som tilsvarer detonasjonen av en TNT før de får molekylære brudd..
Ved å bytte ut tereftalsyre mot trimesinsyre (en benzenring med tre -COOH-grupper i posisjon 2, 4, 6), dukker det opp et nytt organometallisk stillas for zirkonium: MOFs-808.
Dens egenskaper og evne til å fungere som et hydrogenlagringsmateriale er studert; det vil si molekylene Hto ende opp med å være vert for porene til MOFs-808, og trekk dem ut når det er nødvendig.
Og til slutt har vi MOF-ene MIP-202, fra Institute of Porous Materials i Paris. Denne gangen brukte de asparaginsyre (en aminosyre) som bindemiddel. Igjen, Zr-O-bindingene til Zr4+ og oksygene av aspartat (deprotonert -COOH-grupper), er retningskreftene som former den tredimensjonale og porøse strukturen til dette materialet.
MIP-202 viste seg å være en utmerket protonleder (H+), som beveger seg gjennom porene, fra ett rom til et annet. Derfor er det en kandidat som skal brukes som fabrikasjonsmateriale for protonutvekslingsmembraner; som er essensielle for utvikling av fremtidige hydrogenbatterier.
Ingen har kommentert denne artikkelen ennå.