Zirkonium (Zr), kemiskt element, metall i grupp 4 (IVb) i det periodiska systemet, som används som strukturmaterial för kärnreaktorer.
Elementegenskaper
| atomnummer | 40 |
|---|---|
| atomvikt | 91,22 |
| smältpunkt | 1,852 ° C (3 366 ° F) |
| kokpunkt | 3,578 ° C (6,472 ° F) |
| Specifik gravitation | 6,49 vid 20 ° C (68 ° F) |
| oxidationstillstånd | 4 |
| elektronkonfiguration | [Kr] 4d 2 5s 2 |
Egenskaper, förekomst och användning
Zirkonium, otydligt före slutet av 1940-talet, blev ett betydande konstruktionsmaterial för kärnenergitillämpningar eftersom det är mycket transparent för neutroner. Elementet identifierades (1789) i zirkon, ZrSiO 4 (zirkoniumortosilikat), från dess oxid av den tyska kemisten Martin Heinrich Klaproth, och metallen isolerades (1824) i oren form av den svenska kemisten Jöns Jacob Berzelius. Den orena metallen, även om 99 procent är ren, är hård och spröd. Den vita, mjuka, formbara och duktila metallen med högre renhet framställdes först i kvantitet (1925) av de holländska kemisterna Anton E. van Arkel och JH de Boer genom termisk sönderdelning av zirkoniumtetraiodid, ZrI 4. I början av 1940-talet, William Justin Kroll Luxemburg utvecklade sin billigare process för att göra metallen baserat på minskningen av zirkoniumtetraklorid, ZrCl 4 genom magnesium. I början av 2000-talet inkluderade ledande producenter av zirkonium Australien, Sydafrika, Kina och Indonesien; Mosambik, Indien och Sri Lanka var ytterligare producenter.
Zirkonium är relativt rikligt i jordskorpan, men inte i koncentrerade avlagringar, och observeras karakteristiskt i stjärnor av S-typ. Mineralzirkonen, som vanligtvis finns i alluviala avlagringar i strömbäddar, havstränder eller gamla sjöbäddar, är den enda kommersiella källan till zirkonium. Baddeleyite, som i huvudsak är ren zirkoniumdioxid, ZrO 2, är det enda andra viktiga zirkoniummineralet, men den kommersiella produkten återvinns billigare från zirkon. Zirkonium produceras enligt samma process som den som används för titan. Dessa zirkoniummineraler har i allmänhet ett hafniuminnehåll som varierar från några tiondelar av 1 procent till flera procent. För vissa ändamål är separering av de två elementen inte viktig: zirkonium som innehåller cirka 1 procent av hafnium är lika acceptabelt som rent zirkonium.
Den viktigaste användningen av zirkonium är i kärnreaktorer för beklädnad av bränslestavar, för legering med uran och för reaktorkärnstrukturer på grund av dess unika kombination av egenskaper. Zirkonium har god hållfasthet vid förhöjda temperaturer, motstår korrosion från de snabbt cirkulerande kylvätskorna, bildar inte mycket radioaktiva isotoper och tål mekanisk skada från neutronbombardement. Hafnium, som finns i alla zirkoniummalmer, måste avlägsnas noggrant från metallen avsedd för reaktoranvändning eftersom hafnium starkt absorberar termiska neutroner.
Separation av hafnium och zirkonium åstadkommes vanligtvis genom en vätske-vätska motströms-extraktionsförfarande. I förfarandet löses rå zirkoniumtetraklorid i en vattenlösning av ammoniumtiocyanat, och metylisobutylketon leds motströms till den vattenhaltiga blandningen, med resultatet att hafnium-tetraklorid företrädesvis extraheras.
Atomradierna för zirkonium och hafnium är 1,45 respektive 1,44 Å medan radierna för jonerna är Zr 4+, 0,74 Å och Hf 4+, 0,75 Å. Den virtuella identiteten hos atomära och joniska storlekar, som härrör från lanthanoidkontraktionen, har effekten att göra dessa två elementers kemiska beteende mer lik än för något annat känt element. Även om hafniums kemi har studerats mindre än för zirkonium, är de två så lika att endast mycket små kvantitativa skillnader - till exempel i lösligheter och flyktigheter av föreningar - kan förväntas i fall som inte faktiskt har undersökts.
Zirkonium absorberar syre, kväve och väte i häpnadsväckande mängder. Vid ca 800 ° C (1500 ° F) den kombinerar kemiskt med syrgas för att ge den oxid, ZrO 2. Zirkonium reducerar sådana eldfasta degelmaterial som oxiderna av magnesium, beryllium och thorium. Denna starka affinitet för syre och andra gaser står för dess användning som en getter för att avlägsna restgaser i elektronrör. Vid normala temperaturer i luften är zirkonium passivt på grund av bildandet av en skyddande film av oxid eller nitrid. Även utan denna film är metallen resistent mot verkan av svaga syror och sura salter. Det är bäst att lösa upp i fluorvätesyra, i vilket förfarande bildandet av anjoniska fluorkomplex är viktigt för att stabilisera lösningen. Vid normala temperaturer är den inte särskilt reaktiv men blir ganska reaktiv med olika icke-metaller vid förhöjda temperaturer. På grund av dess höga korrosionsbeständighet har zirkonium funnits utbrett användning vid tillverkning av pumpar, ventiler och värmeväxlare. Zirkonium används också som ett legeringsmedel vid framställning av vissa magnesiumlegeringar och som tillsats i tillverkningen av vissa stål.
Naturligt zirkonium är en blandning av fem stabila isotoper: zirkonium-90 (51,46 procent), zirkonium-91 (11,23 procent), zirkonium-92 (17,11 procent), zirkonium-94 (17,40 procent), zirkonium-96 (2,80 procent). Två allotroper finns: under 862 ° C (1,584 ° F), en hexagonal nära packad struktur, över den temperaturen en kroppscentrerad kubik.
