De zirkonium Det är ett metallelement som finns i grupp 4 i det periodiska systemet och som representeras av den kemiska symbolen Zr. Det tillhör samma grupp som titan, ligger under detta och ovanför hafnium.
Dess namn har inget att göra med "cirkusen" utan med den guld- eller guldfärgen på mineralerna där den först erkändes. I jordskorpan och i oceanerna är dess atomer i form av joner associerade med kisel och titan och är därför en del av sand och grus..
Det kan dock också hittas i isolerade mineraler; inklusive zirkon, ett zirkoniumortosilikat. Likaså kan vi nämna baddeleyite, vilket motsvarar den mineralogiska formaliteten hos dess oxid, ZrOtvå, kallas zirkonia. Det är naturligt att dessa namn: 'zirkon', 'zirkon' och 'zirconia' blandas och orsakar förvirring.
Dess upptäckare var Martin Heinrich Klaproth 1789; medan den första personen som isolerade den, i en oren och amorf form, var Jöns Jakob Berzelius, 1824. År senare improviserades processer för att erhålla prover av zirkonium med högre renhet, och dess tillämpningar ökade när dess egenskaper fördjupades.
Zirkonium är en silvervit metall (toppbild) som har hög korrosionsbeständighet och hög stabilitet mot de flesta syror. utom fluor- och hetsvavelsyra. Det är ett giftfritt element, även om det lätt kan ta eld på grund av dess pyroforicitet, och det anses inte heller skadligt för miljön.
Material som deglar, gjutformar, knivar, klockor, rör, reaktorer, falska diamanter har blivit tillverkade av zirkonium, dess oxid och dess legeringar. Det är därför tillsammans med titan en speciell metall och en bra kandidat när man utformar material som måste tåla fientliga förhållanden..
Å andra sidan har det från zirkonium också varit möjligt att designa material för mer förfinade applikationer; till exempel: organometalliska ramar eller organiska metallramar, som kan fungera som heterogena katalysatorer, absorbenter, lagring av molekyler, permeabla fasta ämnen, bland andra.
Artikelindex
Forntida civilisationer visste redan om zirkoniummineraler, särskilt zirkon, som presenteras som gyllene pärlor i en färg som liknar guld; därifrån fick det sitt namn, från ordet 'zargun' som betyder 'gyllene färg', eftersom det från mineralet jergón, som består av zirkon (ett zirkoniumortosilikat), erkändes oxid för första gången.
Detta erkännande gjordes av den tyska kemisten Martin Klaproth 1789, när han studerade ett palettprov som togs från Sir Lanka (då kallat ön Ceylon) och som han upplöstes med alkali. Han gav denna oxid namnet zirkoniumoxid och fann att den utgjorde 70% av mineralet. Han misslyckades dock i sina försök att reducera den till sin metallform..
Sir Humphrey Davy försökte också reducera zirkoniumoxid utan framgång 1808 med samma metod som han kunde isolera metalliskt kalium och natrium. Det var först 1824 som den svenska kemisten Jacob Berzelius erhöll amorft och orent zirkonium genom att värma en blandning av kaliumfluoriden (KtvåZrF6) med metalliskt kalium.
Berzelius zirkonium var emellertid en dålig elektriskt ledare, liksom ett ineffektivt material för all användning som kunde erbjuda andra metaller i stället..
Zirkonium förblev glömt i ett sekel, tills 1925 de holländska forskarna Anton Eduard van Arkel och Jan Hendrik de Boer, utformade processen med den kristallina baren för att erhålla ett metalliskt zirkonium med högre renhet.
Denna process bestod av uppvärmning av zirkoniumtetraiodid, ZrI4, på ett glödande volframfilament, så att Zr4+ slutade med att reduceras till Zr; och resultatet var att en kristallin zirkoniumstång belagde volframet (liknande det i den första bilden).
Slutligen applicerades Kroll-processen 1945 för att erhålla metalliskt zirkonium med ännu högre renhet och till en lägre kostnad, där zirkoniumtetraklorid, ZrCl, används.4, istället för tetraiodid.
Metall med glänsande yta och silverfärg. Om det rostar blir det mörkgrått. Fin uppdelad är det ett gråaktigt och amorft pulver (ytligt sett).
40
91,244 g / mol
1855 ºC
4377 ºC
330 ºC
Vid rumstemperatur: 6,52 g / cm3
Vid smältpunkt: 5,8 g / cm3
14 kJ / mol
591 kJ / mol
25,36 J / (mol K)
1,33 på Pauling-skalan
-Först: 640,1 kJ / mol (Zr+ gasformig)
-Andra: 1270 kJ / mol (Zrtvå+ gasformig)
-Tredje: 2218 kJ / mol (Zr3+ gasformig)
22,6 W / (mK)
421 nΩm vid 20 ° C
5.0
Zirkonium är olösligt i nästan alla starka syror och baser; utspädd, koncentrerad eller varm. Detta beror på dess skyddande oxidskikt, som bildas snabbt när det utsätts för atmosfären, belägger metallen och förhindrar att den fräts ut. Det är emellertid mycket lösligt i fluorvätesyra och lätt lösligt i het svavelsyra..
Det reagerar inte med vatten under normala förhållanden, men det reagerar med ångorna vid höga temperaturer för att frigöra väte:
Zr + 2 HtvåO → ZrOtvå + 2 timmartvå
Och det reagerar också direkt med halogener vid höga temperaturer.
Zirkoniumatomer interagerar med varandra tack vare deras metallbindning, som styrs av deras valenselektroner, och enligt deras elektroniska konfiguration finns dessa i 4d- och 5s-orbitalerna:
[Kr] 4dtvå 5stvå
Därför har zirkonium fyra elektroner för att bilda valensband s och d, produkten av överlappningen av 4d- och 5s-orbitalerna av alla Zr-atomerna i kristallen. Observera att detta överensstämmer med det faktum att zirkonium är placerat i grupp 4 i det periodiska systemet.
Resultatet av detta "hav av elektroner", som förökas och avlägsnas i alla riktningar av kristallen, är en sammanhållningskraft som reflekteras i zirkoniums relativt höga smältpunkt (1855 ° C) jämfört med andra metaller..
På samma sätt är denna kraft eller metallbindning ansvarig för att beordra Zr-atomerna att definiera en kompakt sexkantig struktur (hcp); detta är den första av dess två kristallina faser, betecknad som a-Zr.
Under tiden visas den andra kristallina fasen, β-Zr, med en kubisk struktur centrerad i kroppen (bcc), när zirkonium värms upp till 863 ºC. Om trycket ökar kommer bcc-strukturen hos β-Zr att förvrängas; deformeras när avståndet mellan Zr-atomerna komprimeras och förkortas.
Elektronkonfigurationen av zirkonium avslöjar genast att dess atom kan förlora upp till fyra elektroner om den kombineras med element som är mer elektronegativa än den. Således, om förekomsten av katjonen Zr antas4+, vars jonladdningstäthet är mycket hög, då blir dess antal eller oxidationstillstånd +4 eller Zr (IV).
I själva verket är detta det viktigaste och mest stabila av dess oxidationsnummer. Till exempel har följande serie föreningar zirkonium som +4: ZrOtvå (Zr4+ELLERtvåtvå-), Zr (WO4)två, ZrBr4 (Zr4+Br4-) och ZrI4 (Zr4+Jag4-).
Zirkonium kan också ha andra positiva oxidationsnummer: +1 (Zr+), +2 (Zrtvå+) och +3 (Zr3+); Emellertid är dess föreningar mycket sällsynta, så de beaktas knappast när man diskuterar denna punkt.
Mycket mindre betraktas som zirkonium med negativa oxidationsnummer: -1 (Zr-) och -2 (Zrtvå-), förutsatt att det finns "zirkonid" -anjoner.
För att förhållanden ska kunna bildas måste de vara speciella, elementet med vilket det kombineras måste ha en elektronegativitet som är lägre än zirkonium, eller så måste den bindas till en molekyl; som det händer med det anjoniska komplexet [Zr (CO)6]två-, där sex CO-molekyler samordnar med ett Zr-centrumtvå-.
Zirkonium är ett väldigt rikligt element i jordskorpan och haven. Dess huvudsakliga malm är mineral zirkon (toppbild), vars kemiska sammansättning är ZrSiO4 eller ZrOtvåSiOtvå; och i mindre utsträckning, på grund av sin brist, mineralet baddeleyite, som nästan helt består av zirkoniumoxid, ZrOtvå.
Zirkonium visar en stark geokemisk tendens att associera med kisel och titan, varför det berikar sand och grus på havsstränder, alluviala avlagringar och sjögolv, samt magartiga stenar som inte har eroderats..
Därför måste zirkonkristallerna separeras först från rutil- och ilmenitkristallerna, TiOtvå, och även de av kvarts, SiOtvå. För detta samlas sanden och placeras i spiralkoncentratorer, där deras mineraler slutar separera beroende på skillnader i deras densitet..
Titanoxiderna separeras sedan genom att applicera ett magnetfält tills det återstående fasta ämnet består av endast zirkon (inte längre TiOtvå inte heller SiOtvå). När detta väl är gjort används klorgas som reduktionsmedel för att transformera ZrOtvå till ZrCl4, som görs med titan i Kroll-processen:
ZrOtvå + 2Cltvå + 2C (900 ° C) → ZrCl4 + 2CO
Och slutligen, ZrCl4 reducerad med smält magnesium:
ZrCl4 + 2Mg (1100 ° C) → 2MgCltvå + Zr
Anledningen till direkt reduktion från ZrO utförs intetvå det beror på att karbider kan bildas, vilket är ännu svårare att minska. Den genererade zirkoniumsvampen tvättas med saltsyralösning och smältes under en inert atmosfär av helium för att skapa metalliska zirkoniumstavar..
Zirkonium har en låg andel (från 1 till 3%) hafnium i sin sammansättning på grund av den kemiska likheten mellan dess atomer..
Detta ensamma är inte ett problem för de flesta av dina applikationer; dock är hafnium inte transparent för neutroner, medan zirkonium är det. Därför måste metalliskt zirkonium renas från hafniumföroreningar för att kunna användas i kärnreaktorer..
För att uppnå detta används blandningsseparationstekniker, såsom kristallisation (av deras fluoridsalter) och fraktionerad destillation (av deras tetraklorider) och vätske-vätske-extraktion med lösningsmedlen metylisobutylketon och vatten..
Zirkonium finns på jorden som en blandning av fyra stabila isotoper och en radioaktiv, men med en så lång halveringstid (t1/2= 2,0 1019 år), vilket är praktiskt taget lika stabilt som det andra.
Dessa fem isotoper, med deras respektive överflöd, listas nedan:
-90Zr (51,45%)
-91Zr (11,22%)
-92Zr (17,15%)
-94Zr (17,38%)
-96Zr (2,80%, ovan nämnda radioaktiva)
Att vara den genomsnittliga atommassan på 91 224 u, som ligger närmare 90Zr vad av 91Zr. Detta visar ”vikten” på dess isotoper med den högsta atommassan när de beaktas vid beräkningen av det vägda genomsnittet..
Förutom 96Zr finns i naturen en annan radioisotop: 93Zr (t1/2= 1,53 · 106 år). Det finns dock i spårmängder, så dess bidrag till den genomsnittliga atommassan, 91,244 u, är försumbar. Det är därför zirkonium långt ifrån klassificeras som en radioaktiv metall..
Förutom de fem naturliga isotoperna av zirkonium och radioisotopen 93Zr, andra konstgjorda har skapats (28 hittills), varav 88Zr (t1/2= 83,4 dagar), den 89Zr (t1/2= 78,4 timmar) och 110Zr (30 millisekunder).
Zirkonium är en relativt stabil metall, så ingen av dess reaktioner är kraftiga; såvida det inte finns som ett fint uppdelat pulver. När ytan på ett zirkoniumoxidskikt repas med sandpapper avger det glödande gnistor på grund av dess pyroforicitet; men dessa släcks omedelbart i luften.
Vad som emellertid representerar en potentiell brandrisk är att värma zirkoniumpulver i närvaro av syre: det brinner med en eld som har en temperatur på 4460 ° C; en av de hetaste kända metallerna.
Radioaktiva isotoper av zirkonium (93Zr och 96Zr), avger strålning med så låg energi att de är ofarliga för levande varelser. Efter att ha sagt allt ovan kan det för tillfället sägas att metalliskt zirkonium är ett giftfritt element..
Zirkoniumjoner, Zr4+, de kan hittas mycket spridda i naturen inom vissa livsmedel (grönsaker och helvete) och organismer. Människokroppen har en genomsnittlig koncentration på 250 mg zirkonium, och hittills finns det inga studier som har kopplat den till symtom eller sjukdomar på grund av ett litet överskott av dess konsumtion..
Zr4+ det kan vara skadligt beroende på dess medföljande anjoner. Till exempel ZrCl4 vid höga koncentrationer har det visat sig vara dödligt för råttor, vilket också påverkar hundar, eftersom det minskar antalet röda blodkroppar.
Zirkoniumsalter irriterar ögonen och halsen och det är upp till individen huruvida de kan irritera huden eller inte. När det gäller lungorna rapporteras få abnormiteter hos dem som har inandat dem av misstag. Å andra sidan finns det inga medicinska studier som intygar att zirkonium är cancerframkallande..
Med detta i åtanke kan man säga att metallzirkoniumoxid, eller dess joner, utgör en alarmerande hälsorisk. Det finns dock zirkoniumföreningar som innehåller anjoner som kan ha negativ inverkan på hälsa och miljö, särskilt om de är organiska och aromatiska anjoner..
Zirkonium, som en metall själv, hittar olika applikationer tack vare dess egenskaper. Dess höga motståndskraft mot korrosion och mot attacker av starka syror och baser, liksom andra reaktiva ämnen, gör det till ett idealiskt material för tillverkning av konventionella reaktorer, rör och värmeväxlare..
På samma sätt tillverkas eldfasta material med zirkonium och dess legeringar som måste klara extrema eller känsliga förhållanden. De används till exempel för att göra gjutformar, faner och turbiner för fartyg och rymdfordon eller inerta kirurgiska anordningar så att de inte reagerar med kroppsvävnader.
Å andra sidan används dess pyroforicitet för att skapa vapen och fyrverkerier; eftersom de mycket fina partiklarna av zirkonium kan brinna mycket lätt och avge glödande gnistor. Dess anmärkningsvärda reaktivitet med syre vid höga temperaturer används för att fånga den i vakuumtätningsrör och inuti glödlampor.
Men dess viktigaste användning är framför allt att tjäna som ett material för kärnreaktorer, eftersom zirkonium inte reagerar med neutronerna som frigörs i radioaktiva sönderfall..
Den höga smältpunkten (2715 ° C) för zirkoniumoxid (ZrOtvå) gör det till ett ännu bättre alternativ till zirkonium för tillverkning av eldfasta material; till exempel deglar som motstår plötsliga temperaturförändringar, tuff keramik, knivar vassare än bland annat stål, glas.
En mängd olika zirkoner som kallas "cubic zirconia" används i smycken eftersom de kan användas för att göra perfekta repliker av gnistrande fasetterade diamanter (toppbild).
Oorganiska eller organiska zirkoniumsalter, liksom andra föreningar, har otaliga tillämpningar, bland vilka vi kan nämna:
-Blå och gula pigment för glasglaskeramik och falska ädelstenar (ZrSiO4)
-Koldioxidabsorbent (LitvåZrO3)
-Beläggningar i pappersindustrin (zirkoniumacetater)
-Antiperspiranter (ZrOCltvå och blandningar av komplexa salter av zirkonium och aluminium)
-Färger och tryckfärger [Zr (CO3)3(NH4)två]
-Njurdialysbehandling och för avlägsnande av föroreningar i vattnet (fosfater och zirkoniumhydroxid)
-Lim [Zr (NO3)4]
-Katalysatorer för organisk aminerings-, oxidations- och hydrogeneringsreaktioner (vilken zirkoniumförening som helst som visar katalytisk aktivitet)
-Tillsatser för att öka flytbarheten hos cement
-Alkalijonpermeabla fasta ämnen
Zirkoniumatomer som Zr-joner4+ kan bilda koordinationsbindningar med syre, ZrIV-Eller på ett sådant sätt att det kan interagera utan problem med de syresatta organiska liganderna; det vill säga zirkonium kan bilda olika organometalliska föreningar.
Dessa föreningar kan, genom att kontrollera syntesparametrarna, användas för att skapa organometalliska ramar, bättre kända som organiska metallramar (MOF): Metall-organisk ram). Dessa material sticker ut för att vara mycket porösa och ha attraktiva tredimensionella strukturer, såsom zeoliter..
Dess tillämpningar beror mycket på vilka organiska ligander som väljs för att samordna med zirkonium, samt på optimeringen av syntesförhållandena (temperatur, pH, omrörning och reaktionstid, molförhållanden, lösningsmedelsvolymer etc.).
Bland MOF: erna för zirkonium kan vi till exempel nämna UiO-66, som är baserad på Zr-tereftalatinteraktioner (från tereftalsyra). Denna molekyl, som fungerar som en ligand, samordnar med Zr4+ genom sina -COO-grupper-, bildar fyra Zr-O-bindningar.
Forskare från University of Illinois, ledd av Kenneth Suslick, observerade att UiO-66, under intensiva mekaniska krafter, genomgår strukturell deformation när två av de fyra Zr-O-bindningarna bryts..
Följaktligen kan UiO-66 användas som ett material som är utformat för att sprida mekanisk energi och till och med kunna motstå ett tryck som motsvarar detoneringen av en TNT innan det lider av molekylära frakturer..
Genom att byta ut tereftalsyra mot trimesinsyra (en bensenring med tre -COOH-grupper i positionerna 2, 4, 6) framträder en ny organometallisk ställning för zirkonium: MOFs-808.
Dess egenskaper och förmåga att fungera som vätelagringsmaterial har studerats; det vill säga molekylerna Htvå hamna porerna i MOFs-808 och extrahera dem vid behov.
Och slutligen har vi MOF: erna MIP-202, från Institutet för porösa material i Paris. Den här gången använde de asparaginsyra (en aminosyra) som bindemedel. Återigen, Zr-O-bindningarna av Zr4+ och oxygener från aspartat (deprotonerade -COOH-grupper) är riktningskrafterna som formar den tredimensionella och porösa strukturen hos detta material.
MIP-202 visade sig vara en utmärkt protonledare (H+), som rör sig genom dess porer, från ett fack till ett annat. Därför är det en kandidat att användas som ett tillverkningsmaterial för protonbytarmembran; som är väsentliga för utvecklingen av framtida vätebatterier.
Ingen har kommenterat den här artikeln än.