Zirkoniumgeschichte, Eigenschaften, Struktur, Risiken, verwendet

Er Zirkonium Es ist ein metallisches Element, das sich in Gruppe 4 des Periodenabschieds befindet und durch das chemische ZR -Symbol dargestellt wird. Es gehört derselben Titangruppe, die darunter und über dem Hafnio steht.

Sein Name hat nichts mit dem "Zirkus" zu tun, sondern mit der goldenen oder attriferen Farbe der Mineralien, in denen er zum ersten Mal erkannt wurde. In der Erdkruste und in den Ozeanen sind ihre mit Ionen geschnittenen Atome mit Silizium und Titan verbunden, daher eine Bestandteil von Sand und Kies.

Metallic Zirchon Bar. Quelle: Danny Peng [CC BY-SA 3.0 (https: // creativecommons.Org/lizenzen/by-sa/3.0)]]

Es kann jedoch auch in isolierten Mineralien gefunden werden; Unter ihnen den Zirkon, ein Orthosilikat von Circonio. Wir können auch die Baddeleyita erwähnen, die dem formalen Mineralogischen Oxid ZRO entspricht₂, Circum genannt. Es ist natürlich, dass diese Namen: 'Circonio', 'Circón' und 'Circona' vermischt und Verwirrung verursachen.

Sein Entdecker war 1789 Martin Heinrich Klaproth; Während die erste Person, die ihn in unrein und amorphem Isolat isolierte, 1824 Jöns Jakob Berzelius war. Jahre später wurden Prozesse improvisiert, um mehr Reinheitsproben zu erhalten, und ihre Anwendungen nahmen zu, als sie ihre Eigenschaften vertieften.

Das Zirkonium ist ein silbernes weißes Metall (überlegenes Bild), das eine hohe Korrosionsbeständigkeit und eine hohe Stabilität gegen die meisten Säuren aufweist. außer fluorhorhorisch und heißer Schwefelsäure. Es handelt.

Aus dem Zirkonium, seinem Oxid und seinen Legierungen, Materialien wie Crosolen, Gussformen, Messer, Uhren, Rohre, Reaktoren, falschen Diamanten wurden unter anderem hergestellt. Es ist daher zusammen mit dem Titan, einem speziellen Metall und einem guten Kandidaten zum Zeitpunkt der Entwerfen von Materialien, die feindlichen Bedingungen widerstehen müssen.

Andererseits war es auch aus dem Zirkonium möglich, Materialien für raffiniertere Anwendungen zu entwerfen. Zum Beispiel: Organometallische Rahmen oder organische Metallrahmen, die unter anderem als heterogen, absorbierende, Molekülespeicher, durchlässige Feststoffe dienen können.

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Geschichte

Erkennung

Alte Zivilisationen kannten bereits die Zirkoniummineralien, insbesondere den Zirkon, der als goldene Edelsteine ​​einer Farbe ähnlich wie Gold präsentiert wird. Von dort aus leitete er seinen Namen aus dem Wort "Zargun" ab, was aufgrund des Gergon -Minerals, das aus Zirkon (einem Orthosilikat des Zählers) besteht, zum ersten Mal erkannt wurde.

Diese Anerkennung wurde vom deutschen Chemiker Martin Klaproth im Jahr 1789 gemacht, als er eine Probe von Sir Lanka (bis dahin Isla de Ceilán genannt) untersuchte und mit Alkali aufgelöst wurde. Dieses Oxid gab den Namen Circona und stellte fest, dass es 70% des Minerals ausmachte. Er scheiterte jedoch bei seinen Versuchen, es auf seine Metallform zu reduzieren.

Isolation

Sir Humphrey Davy versuchte es auch. Erst 1824 erhielt der schwedische Chemiker Jacob Berzelius amorph und unrein, um eine Mischung aus seinem Kaliumfluorid zu erhitzen (k)₂ZRF₆) Mit metallischem Kalium.

Berzelius Umfang war jedoch ein schlechter Elektrizitätstreiber und war auch ein ineffektives Material für die Verwendung, die andere Metalle an Ort und Stelle bieten konnten.

Kristalliner Balkenprozess

Das Zirkonium blieb ein Jahrhundert lang vergessen, bis 1925 die niederländischen Wissenschaftler Anton Eduard Van Arkel und Jan Hendrik de Boer den Prozess der kristallinen Stange entwickelten, um eine metallische Umgebung von größerer Reinheit zu erhalten.

Dieser Prozess bestand aus dem Erhitzen des Circonium Tetrayoduro₄, Auf einem Glühwolfram -Filament, so dass das ZR⁴⁺ schließlich reduzierte sich auf ZR; Und das Ergebnis war, dass ein kristalliner Stab mit zirkoner Kristall den Wolfram (ähnlich dem des ersten Bildes) bedeckte).

Krollprozess

Schließlich wurde das Krollprozess 1945 angewendet, um einen metallischen Zirku zu erhalten₄, Anstelle von Tetrayoduro.

Physikalische und chemische Eigenschaften

Aussehen

Glänzende Oberfläche und silberne Farbe. Wenn es oxidiert ist, wird es dunkelgrau. Fein geteilt ist ein grauer und amorpher Staub (oberflächlich gesehen).

Ordnungszahl

40

Molmasse

91,224 g/mol

Schmelzpunkt

1855 ºC

Siedepunkt

4377 ºC

Selbstdirektionstemperatur

330 ºC

Dichte

Bei Raumtemperatur: 6,52 g/cm³

Am Schmelzpunkt: 5,8 g/cm³

Fusionshitze

14 kJ/mol

Verdampfungswärme

591 kJ/mol

Molarenwärmekapazität

25.36 j/(mol · k)

Elektronegativität

1.33 auf der Paulingskala

Ionisationsenergien

-Erstens: 640.1 kJ/mol (zr⁺ gasförmig)

-Zweitens: 1270 kJ/mol (zr²⁺ gasförmig)

-Dritter: 2218 kJ/mol (zr³⁺ gasförmig)

Wärmeleitfähigkeit

22,6 W/(m · k)

Elektrischer widerstand

421 nω · m bei 20 ° C

Mohs Härte

5.0

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Reaktivität

Das Zirkonium ist in fast allen starken Säuren und Basen unlöslich; verdünnt, konzentriert oder heiß. Dies liegt an der Oxid -Schutzschicht, die schnell gebildet wird, wenn sie der Atmosphäre ausgesetzt ist, das Metall bedeckt und verhindert, dass es läuft. Es ist jedoch in Fluorhorsäure sehr löslich und in heißer Schwefelsäure leicht löslich.

Es reagiert nicht unter normalen Bedingungen mit Wasser, sondern bei hohen Temperaturen, um Wasserstoff freizusetzen:

Zr + 2 h₂O → zro₂ + 2 h₂

Und reagiert auch direkt mit Halogenen bei hohen Temperaturen.

Elektronische Struktur und Konfiguration

Metallverbindung

Dank ihrer metallischen Bindung, die von ihren Valenzelektronen bestimmt wird, interagieren Circonium -Atome miteinander und entsprechen ihrer elektronischen Konfiguration in den 4D- und 5S -Orbitalen:

[Kr] 4d² 5s²

Daher verfügt das Zirkonium über vier Elektronen zur Bildung von Valencia S- und D -Bändern, Produkte der Überlappung der 4D- bzw. 5S -Orbitale aller Ze -Atome des Glass. Beachten Sie, dass dies mit der Tatsache übereinstimmt.

Das Ergebnis dieses „Meeres Meeresmeer“, die sich ausbreiten und in alle Richtungen des Glass verlegt haben.

Kristalline Phasen

Ebenso ist diese Kraft oder metallische Bindung für die Bestellung von ZR -Atomen verantwortlich, um eine kompakte hexagonale Struktur (HCP) zu definieren. Dies ist die erste seiner beiden kristallinen Phasen, die als α-ZR bezeichnet wird.

In der Zwischenzeit erscheint die zweite kristalline Phase β-ZR der kubischen Struktur im Körper (BCC), wenn der Zirchon auf 863 ºC erhitzt wird. Wenn der Druck zunimmt, wird die BCC-Struktur von β-ZR am Ende verzerrt. Es verformt sich beim Verdichten und verkürzt den Abstand, der die ZR -Atome trennt.

Oxidationszahlen

Die elektronische Set -Konfiguration zeigt einmal, dass sein Atom bis zu vier Elektronen verlieren kann, wenn es mit mehr elektronegativen Elementen kombiniert wird als sie. Wenn also die Existenz des Zr -Kationen angenommen wird⁴⁺, Deren ionische Lastdichte sehr hoch ist, dann beträgt der Anzahl oder der Oxidationsstatus +4 oder Zr (IV).

Tatsächlich ist dies die Haupt- und stabilste seiner Oxidationszahlen. Zum Beispiel haben die folgenden Reihe von Verbindungen das Zirkonium als +4: zro₂ (Zr⁴⁺ENTWEDER₂^2-), Zr (wo₄)₂,  Zrbr₄ (Zr⁴⁺Br₄^-) und Zri₄ (Zr⁴⁺Yo₄^-).

Das Zirkonium kann auch andere positive Oxidationszahlen haben: +1 (Zr⁺), +2 (zr²⁺) und +3 (zr³⁺); Ihre Verbindungen sind jedoch sehr selten, daher werden sie fast nicht berücksichtigt, wenn dieser Punkt diskutiert wird.

Viel weniger werden als Zirkonium mit negativen Oxidationszahlen angesehen: -1 (zr^-) und -2 (zr^2-) unter der Annahme der Existenz von "Circumlis solche" Anionen.

Damit die Bedingungen besonders sind, muss das Element, mit dem es kombiniert wird, eine geringere Elektronegativität als das des Zirkoniums haben oder mit einem Molekül verbunden sein; Wie beim anionischen Komplex [Zr (CO)₆]^2-, in denen sechs CO -Moleküle mit einem ZR -Zentrum koordiniert werden^2-.

Wo ist es und erhalten

Zirkon

In Quarz eingebettet. Quelle: Rob Lavinsky, Irocks.com-c-by-sa-3.0 [CC BY-SA 3.0 (https: // creativecommons.Org/lizenzen/by-sa/3.0)]]

Das Zirkonium ist ein erheblich reichlich vorhandenes Element in der Erdkruste und der Meere. Sein Haupterz ist das Circón Mineral (überlegenes Bild), dessen chemische Zusammensetzung Zrsio ist₄ oder zro₂· SiO₂; Und in geringerem Maße aufgrund seines Mangels das Baddeleyita Mineral, das fast vollständig komponiert ist₂.

Das Zirkonium zeigt eine starke geochemische Tendenz, sich mit Silizium und Titan zu verbinden, so.

KROLL -Behandlung und -prozess

Daher müssen Circóns Kristalle zuerst von denen von Rutilo und Ilmenita, Onkel, trennen₂, Und auch von denen von Quartz, Siio₂. Dafür werden die Sande gesammelt und in Spiralkonzentratoren gelegt, wo ihre Mineralien nach den Unterschieden in ihren Dichten trennt.

Dann werden Titanoxide durch Auftragen eines Magnetfeldes getrennt, bis der verbleibende Feststoff nur aus Zirch besteht (bereits ohne Kerl₂ Weder Sio₂). Damit wird gasöses Chlor als Reduktionsmittel verwendet, um das ZRO zu transformieren₂ zu zrcl₄, Wie beim Titan im Krollprozess:

Zro₂ + 2cl₂ + 900 ° C) → ZRCL₄ + 2co

Und schließlich die ZRCL₄ Es ist mit geschmolzenem Magnesium reduziert:

ZRCL₄ + 2 mg (1100 ° C) → 2 mgcl₂ + Zr

Der Grund, warum die direkte Reduzierung nicht vom ZRO erfolgt₂ Es liegt daran, dass Carbide gebildet werden können, die noch schwieriger zu reduzieren sind. Der erzeugte Zirkoniumschwamm wird mit Salzsäurelösung gewaschen und schmilzt unter einer inerten Heliumatmosphäre, um metallische Zirkoniastangen zu erzeugen.

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Trennung des Zirkoniums Hafnium

Das Zirkonium hat aufgrund der chemischen Ähnlichkeit zwischen seinen Atomen einen niedrigen Prozentsatz (1 bis 3%) in seiner Zusammensetzung.

Dies allein ist für die meisten Anwendungen kein Problem. Das Hafnio ist jedoch nicht transparent mit Neutronen, während der Zirchon Ja. Daher muss das metallische Zirkonium von Hafnios Verunreinigungen gereinigt werden, um in Kernreaktoren eingesetzt zu werden.

Um dies zu erreichen.

Isotope

Das Zirkonium ist auf der Erde als Mischung aus vier stabilen Isotopen und einem radioaktiven, jedoch mit einem so großen halben LebensT_1/2= 2,0 · 10¹⁹ Jahre), was praktisch gleich stabil ist wie die anderen.

Diese fünf Isotope mit ihren jeweiligen Häufigkeiten sind unten aufgeführt:

-⁹⁰ZR (51,45%)

-⁹¹ZR (11,22%)

-⁹²ZR (17,15%)

-⁹⁴ZR (17,38%)

-⁹⁶ZR (2,80%, der oben erwähnte radioaktive)

Die durchschnittliche Atommasse von 91.224 u zu sein, die sich näher zu befinden ⁹⁰Zr als ⁹¹Zr. Dies zeigt das "Gewicht", dass ihre Isotope einer größeren Atommasse bei der Berechnung des gewichteten Durchschnitts berücksichtigt werden.

Außer, abgesondert, ausgenommen ⁹⁶Zr existiert in der Natur ein weiteres Radioisotop: die ⁹³Zr (T_1/2= 1,53 · 10⁶ Jahre). Es liegt jedoch in Spuren, sodass sein Beitrag zur durchschnittlichen Atommasse 91.224 oder verabscheuungswürdig ist. Deshalb ist das Zirkonium weit davon entfernt, wie ein radioaktives Metall zu katalogisieren.

Zusätzlich zu den fünf natürlichen Isotopen des Zirkoniums und des Radioisotops ⁹³ZR, andere künstliche, wurden geschaffen (bisher 28), von denen die ⁸⁸Zr (T_1/2= 83,4 Tage), die ⁸⁹Zr (T_1/2= 78,4 Stunden) und die ¹¹⁰ZR (30 Millisekunden).

Risiken

Metall

Das Zirkonium ist ein relativ stabiles Metall, daher ist keine seiner Reaktionen kräftig. Es sei denn, Sie sind wie fein geteilten Staub. Wenn die Oberfläche eines Umfangsblechs mit einem Sandpapier abgekratzt wird, lehnt sie aufgrund seiner Pyroporität Glühlampen ab. Diese werden jedoch sofort in der Luft gelöscht.

Was jedoch ein potenzielles Brandrisiko darstellt, besteht darin, das Zirkoniumpulver in Gegenwart von Sauerstoff zu erhitzen: Verbrennt mit einer Flamme mit einer Temperatur von 4460 ° C; Eine der heißesten für Metalle, die bekannt ist.

Radioaktive Zirkoniumisotope (⁹³Zr und ⁹⁶Zr), strahlen so niedriger Energie aus, die für Lebewesen harmlos ist. All das oben genannte, kann es durch die Momente bestätigt werden, dass das metallische Zirkonium ein ungiftiges Element ist.

Ionen

Zirkoniumionen, zr⁴⁺, Sie können in bestimmten Lebensmitteln (Gemüse und Vollkorn) und Organismen in der Natur weit verbreitet werden. Der menschliche Körper hat eine durchschnittliche Konzentration von 250 mg Zirkonium, und bisher gibt es keine Studien, die ihn aufgrund eines leichten Überredens mit Symptomen oder Krankheiten in Verbindung gebracht haben.

Der zr⁴⁺ Dies kann je nach Ihren dazugehörigen Anionen schädlich sein. Zum Beispiel die ZRCL₄ Bei hohen Konzentrationen hat es sich für Ratten als tödlich erwiesen und auch Hunde betrifft, da es die Anzahl ihrer roten Blutkörperchen verringert.

Zirkoniumsalze reizen für Augen und Hals und hängen vom Einzelnen ab, ob sie die Haut reizen können oder nicht. In Bezug auf die Lungen werden bei denen, die sie versehentlich eingeatmet haben, nur wenige Anomalien gemeldet. Andererseits gibt es keine medizinischen Studien, die bestätigen, dass das Zirkonium krebserregend ist.

Wenn man dies im Vordergrund gibt, kann man sagen, dass metallisches Zirkonium und seine Ionen ein alarmierendes Gesundheitsrisiko darstellen. Es gibt jedoch Zirkoniumverbindungen, die Anionen enthalten, die negative Auswirkungen auf Gesundheit und Umwelt haben können, insbesondere wenn sie organische und aromatische Anionen sind.

Anwendungen

- Metall

Das Zirkonium als Metall für sich findet dank seiner Eigenschaften verschiedene Anwendungen. Seine hohe Korrosionsbeständigkeit und der Angriff starker Säuren und Basen sowie anderer reaktiver Substanzen machen es zu einem idealen Material für die Herstellung herkömmlicher Reaktoren, Rohre und Wärmetauscher.

Auch mit dem Zirkonium und seinen Legierungen werden feuerfeste Materialien hergestellt, die extreme oder empfindliche Bedingungen unterstützen müssen. Zum Beispiel werden sie verwendet, um Gussformen, Platten und räumliche Fahrzeuge oder inerte chirurgische Geräte herzustellen, damit sie nicht mit Körpergeweben reagieren.

Andererseits wird seine Pyroporität zur Schaffung von Waffen und Feuerwerkskörpern verwendet. Da können die sehr feinen Zirkoniumpartikel leicht verbrennen und glühende Funken sagen. Seine bemerkenswerte Reaktivität mit Sauerstoff bei hohen Temperaturen wird verwendet, um sie innerhalb der vakuumversiegelten Röhrchen und in den Lampen zu fangen.

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Vor allem die wichtigste Verwendung besteht jedoch darin, als Material für Kernreaktoren zu dienen, da das Zirkonium nicht mit den in radioaktiven Rückgängen freigesetzten Neutronen reagiert.

- Umgeben

Kubikzirkonie Diamant. Quelle: Pixabay.

Der hohe Schmelzpunkt (2715 ° C) des Umfangs₂) Es macht eine Alternative, die noch besser ist als das gleiche Zirkonium für die Herstellung von feuerfesten Materialien; Zum Beispiel Crosolen, die abrupten Temperaturveränderungen, hartnäckiger Keramik, scharfer Messer als Stahl, Glas unter anderem widerstehen.

Eine Vielzahl des Zirkons namens "Kubikumsträger" wird in Schmuck verwendet, da sie mit ihm perfekte Replikate von Diamanten mit routilierenden Facetten machen können (überlegenes Bild).

- Salze und andere

Circonium, anorganische oder organische Salze sowie andere Verbindungen haben unzählige Anwendungen, unter denen wir erwähnen können:

-Blaue und gelbe Pigmente zu Emaille Keramik und falschen Edelsteinen (Zrsio₄)

-Kohlendioxid -Absorption (li₂Zro₃)

-Beschichtungen in der Papierindustrie (Zirkoniumacetate)

-Antitranspirantien (Zrocl₂ und Gemische aus komplexer Surround- und Aluminiumsalze)

-Gemälde und Tinten für Impressionen [ZR (CO)₃)₃(NH₄)₂]

-Nierendialysebehandlung und zur Entfernung von Wasserverschmutzungen (Phosphaten und Zirkoniumhydroxid)

-Klebstoffe [zr (nein₃)₄]

-Katalysatoren für organische Reaktionen von Amination, Oxidation und Hydrierung (jede Zirkoniumverbindung, die eine katalytische Aktivität zeigt)

-Additive zur Erhöhung der Zementfluidität

-Durchlässige alkalische Ionen Feststoffe

- Organometallische Rahmen

Zirkoniumatome wie ZR -Ionen⁴⁺ Sie können Koordinationsverbindungen mit Sauerstoff, Zr, bilden^Iv-Oder so, dass es ohne Probleme mit sauerstoffhaltigen organischen Liganden interagieren kann; Das heißt, das Umfang ist in der Lage, mehrere organometallische Verbindungen zu bilden.

Diese Verbindungen, die Syntheseparameter kontrollieren, können verwendet werden, um organometallische Rahmen zu erstellen, die besser als organische Metallrahmen (MOFS) bekannt sind Metall-organische Rahmen). Diese Materialien sind von sehr porös und attraktiver dreidimensionaler Strukturen wie bei den Zeolitas auf.

Ihre Anwendungen hängen stark von den ausgewählten organischen Liganden ab, die sich mit dem Zirch sowie mit der Optimierung der Synthesebedingungen abhalten können (Temperatur, pH, Agitation und Reaktionszeit, molare Beziehungen, Lösungsmittelvolumina usw.).

UIO-66

Zum Beispiel können wir unter den MOFs des Zirkoniums die UIO-66 erwähnen, die auf den Zr-Tterephthalat-Wechselwirkungen basiert (der Tereftallsäure). Dieses Molekül, das als Verknüpfung wirkt, koordiniert mit dem ZR⁴⁺ Durch Ihre Gruppen -coo^-, vier ZR-O-Links bilden.

Forscher der Universität von Illinois unter der Leitung von Kenneth Suslick beobachteten, dass der UIO-66 unter intensiven mechanischen Kräften eine strukturelle Deformation erleidet, wenn zwei der vier ZR-O-Bindungen gebrochen sind.

Infolgedessen könnte der UIO-66 als Material verwendet werden, das mechanische Energie ablösen soll, und kann sogar einem Druck standhalten, der der Detonation eines TNT entspricht.

MOFS-808

Ändern der Teftallsäure für die Trimhescon -Säure (ein Benzener Ring mit drei CooH -Gruppen in den Positionen 2, 4, 6), einem neuen organometallischen Gerüst für das Zirconometall für das Zirkonium: Die MOFS -808.

Die Eigenschaften und seine Fähigkeit, als Wasserstoffspeichermaterial zu dienen, wurden untersucht. Das heißt, die M -Moleküle₂ Sie bleiben am Ende die Poren des MOFS-808 und extrahieren sie dann bei Bedarf.

MIP-202

Und schließlich haben wir MOFS MIP-202 vom Poros Poros Materials Institute. Diesmal verwendeten sie Asparaginsäure (eine Aminosäure) als Bindung. Wieder Links ZR-O Links⁴⁺ und der Sauerstoff des Aspartats (der unangenehmen Gruppen) sind die Richtungskräfte, die die dreidimensionale und poröse Struktur dieses Materials modellieren.

Der MIP-202 erwies sich als ausgezeichneter Protonentreiber (h⁺), die sich durch ihre Poren bewegen, von einem Abteil zum anderen. Daher ist er ein Kandidat, der als Produktionsmaterial für Protonenaustauscher verwendet werden kann. die für die Entwicklung zukünftiger Wasserstoffbatterien unverzichtbar sind.

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