Circonium History, Egenskaper, struktur, risikoer, bruker

Han zirkonium Det er et metallisk element som er lokalisert i gruppe 4 i det periodiske tabellen, og som er representert av ZR Chemical Symbol. Det tilhører den samme titangruppen, under dette, og over Hafnio.

Navnet hans har ingenting å gjøre med "sirkuset", men med den gyldne eller atriferfargen på mineralene der han ble gjenkjent for første gang. I jordskorpen, og i havene, er deres ion -formede atomer assosiert med silisium og titan, derfor en komponent av sand og graveller.

Metallisk Zirchon Bar. Kilde: Danny Peng [CC BY-SA 3.0 (https: // creativecommons.Org/lisenser/by-SA/3.0)]

Imidlertid kan det også finnes i isolerte mineraler; Blant dem zirkonet, et ortosilikat av Circonio. Vi kan også nevne Baddeleyita, som tilsvarer den formelle mineralogiske av oksydet, ZRO₂, kalt Circum. Det er naturlig at disse navnene: 'Circonio', 'Circón' og 'Circona' Intermingle og forårsaker forvirring.

Hans oppdager var Martin Heinrich Klaproth, i 1789; Mens den første personen som isolerte ham, i uren og amorf, var Jöns Jakob Berzelius, i 1824. År senere ble prosesser improvisert for å få flere renhetskonkurranser, og applikasjonene deres økte når de utdypet egenskapene.

Zirkoniet er et sølvhvit metall (overlegen bilde) som har høy korrosjonsmotstand og høy stabilitet mot de fleste syrer; unntatt fluorhorhoric og varm svovelsyre. Det er et ikke -toksisk element, selv om det lett kan skyte gitt dens pyroporisitet, og det blir heller ikke ansett som skadelig for miljøet.

Fra zirkoniumet er oksydet og dets legeringer, materialer som crosols, støpeformer, kniver, klokker, rør, reaktorer, falske diamanter, blant andre, blitt produsert. Det er således sammen med titanet, et spesielt metall og en god kandidat på tidspunktet for utforming av materialer som må motstå fiendtlige forhold.

På den annen side, fra zirkoniet, har det også vært mulig å designe materialer for mer raffinerte applikasjoner; For eksempel: organometalliske rammer eller organiske metallrammer, som kan tjene som heterogen, absorberende, molekyler lagring, permeable faste stoffer, blant andre, blant andre.

[TOC]

Historie

Anerkjennelse

Gamle sivilisasjoner kjente allerede zirkoniummineralene, spesielt zirkonet, som presenteres som gyldne perler i en farge som ligner på gull; Derfra avledet han navnet sitt, fra ordet 'Zargun' som betyr 'gylden farge', på grunn av Gergon -mineralet, sammensatt av zirkon (et ortosilikat av circumcircpeium), ble oksydet hans anerkjent for første gang.

Denne anerkjennelsen ble gjort av den tyske kjemikeren Martin Klaproth i 1789, da han studerte en prøveprøve fra Sir Lanka (da kalt Isla de Ceilán), og som oppløste med alkali. Dette oksidet ga navnet på sirkonen, og fant ut at det utgjorde 70% av mineralet. Imidlertid mislyktes han i sine forsøk på å redusere den til metallform.

Isolering

Sir Humphrey Davy prøvde også. Det var først i 1824 da den svenske kjemikeren Jacob Berzelius fikk amorf og uren omsetning, og oppvarmet en blanding av kaliumfluoridet hans (K₂Zrf₆) Med metallisk kalium.

Imidlertid var Berzelius omkretser en dårlig strømdriver, i tillegg til å være et ineffektivt materiale for all bruk som andre metaller kunne tilby på plass.

Krystallinsk stangprosess

Zirkoniet forble glemt i et århundre, inntil i 1925 utarbeidet nederlandske forskere Anton Eduard Van Arkel og Jan Hendrik de Boer prosessen med den krystallinske baren for å oppnå en metallisk omgivelser med større renhet.

Denne prosessen besto av oppvarming av Circonium Tetrayoduro₄, På en glødende wolframfilament, slik at ZR⁴⁺ Endte opp med å redusere til ZR; Og resultatet var at en Circonio Crystalline Bar dekket wolfram (lik den for det første bildet).

Kroll -prosess

Til slutt ble Kroll -prosessen anvendt i 1945 for å få en metallisk Circu₄, I stedet for Tetrayoduro.

Fysiske og kjemiske egenskaper

Fysisk utseende

Skinnende overflate og sølvfarge. Hvis oksidert, blir det mørkegråaktig. Fin delt er et grått og amorft støv (overfladisk sett).

Atomnummer

40

Molmasse

91 224 g/mol

Smeltepunkt

1855 ºC

Kokepunkt

4377 ºC

Selvordemperatur

330 ºC

Tetthet

Ved romtemperatur: 6,52 g/cm³

På smeltepunktet: 5,8 g/cm³

Fusjonsvarme

14 kJ/mol

Fordampningsvarme

591 kJ/mol

Molar varmekapasitet

25,36 J/(mol · K)

Elektronegativitet

1.33 på Pauling -skalaen

Ioniseringsenergier

-Først: 640,1 kJ/mol (ZR⁺ gassform)

-For det andre: 1270 kJ/mol (ZR²⁺ gassform)

-Tredje: 2218 kJ/mol (ZR³⁺ gassform)

Termisk ledningsevne

22.6 W/(M · K)

Elektrisk resistivitet

421 nΩ · m ved 20 ° C

Mohs hardhet

5.0

Det kan tjene deg: natriumbromid (NABR)

Reaktivitet

Zirkoniet er uoppløselig i nesten alle sterke syrer og baser; utvannet, konsentrert eller i varmt. Dette skyldes dets oksydbeskyttende lag, som raskt dannes når det blir utsatt for atmosfæren, dekker metallet og forhindrer det i å løpe. Imidlertid er den veldig løselig i fluorhorinsyre, og litt oppløselig i varm svovelsyre.

Den reagerer ikke med vann under normale forhold, men med sine damper ved høye temperaturer for å frigjøre hydrogen:

Zr + 2 H₂O → ZRO₂ + 2 h₂

Og reagerer også direkte med halogener ved høye temperaturer.

Elektronisk struktur og konfigurasjon

Metallkobling

Circonium -atomer samhandler med hverandre takket være deres metalliske binding, som styres av deres valenselektroner, og i henhold til deres elektroniske konfigurasjon finnes de i 4D- og 5S -orbitalene:

[Kr] 4d² 5s²

Derfor har zirkoniet fire elektroner for å danne Valencia S og D -bånd, produkt av overlappingen av henholdsvis 4D og 5S orbital. Merk at dette er i samsvar med det faktum at zirkoniet er plassert i gruppe 4 i det periodiske tabellen.

Resultatet av dette "hav av elektroner", spredt og flyttet i alle glassretninger, er en samhørighetskraft som gjenspeiles i det relativt høye smeltepunktet (1855 ºC) av zirkoniet, sammenlignet med andre metaller.

Krystallinske faser

På samme måte er denne kraften eller metallbindingen ansvarlig for å bestille ZR -atomer for å definere en kompakt sekskantet struktur (HCP); Dette er den første av de to krystallinske fasene, betegnet som α-Zr.

I mellomtiden vises den andre krystallinske fasen, β-ZR, av kubisk struktur sentrert i kroppen (BCC), når zirchon blir oppvarmet til 863 ºC. Hvis trykket øker, vil BCC-strukturen til ß-Zr ende opp med å forvrenge; Det deformeres når den komprimeres og forkortes avstanden som skiller Zr -atomene.

Oksidasjonstall

Den elektroniske settkonfigurasjonen avslører en gang at atomet er i stand til å miste opptil fire elektroner hvis det er kombinert med mer elektronegative elementer enn det. Således, hvis eksistensen av ZR -kationen antas⁴⁺, Hvis ioniske belastningstetthet er veldig høy, vil antallet eller oksidasjonsstatusen være +4 eller Zr (IV).

Dette er faktisk det viktigste og mest stabile av oksidasjonstallene. For eksempel har følgende serier med forbindelser zirkoniet som +4: ZRO₂ (Zr⁴⁺ENTEN₂^2-), Zr (wo₄)₂,  Zrbr₄ (Zr⁴⁺Br₄^-) og Zri₄ (Zr⁴⁺Yo₄^-).

Zirkoniet kan også ha andre positive oksidasjonstall: +1 (ZR⁺), +2 (ZR²⁺) og +3 (ZR³⁺); Forbindelsene deres er imidlertid veldig sjeldne, så de blir nesten ikke vurdert når dette punktet blir diskutert.

Mye mindre regnes som zirkonium med negative oksidasjonstall: -1 (ZR^-) og -2 (Zr^2-), forutsatt at eksistensen av "circumlis slike" anioner.

For at forholdene skal være spesielle, må elementet det kombineres ha en lavere elektronegativitet enn det for zirkoniumet, eller det må kobles til et molekyl; Som med det anioniske komplekset [ZR (CO)₆]^2-, der seks CO -molekyler er koordinert med et ZR -senter^2-.

Hvor er det og skaffer seg

Zirkon

Robuste circum -krystaller innebygd i kvarts. Kilde: Rob Lavinsky, Irocks.COM-CC-BY-SA-3.0 [CC By-SA 3.0 (https: // creativecommons.Org/lisenser/by-SA/3.0)]

Zirkoniet er et betydelig rikelig element i jordskorpen og havene. Hovedmalmen er Circón Mineral (overlegen bilde), hvis kjemiske sammensetning er Zrsio₄ eller ZRO₂· SiO₂; Og i mindre grad, på grunn av mangelen, er Baddeleyita -mineralet, som nesten er fullstendig sammensatt₂.

Zirkoniet viser en sterk geokjemisk tendens til å assosiere med silisium og titan, så det beriker sandene og gravellene til de oseaniske strendene, alluviale forekomster og jordens jord, så vel som de stollende bergartene som ikke er erodert.

Kroll -behandling og prosess

Derfor må Circóns krystaller først skille seg fra Rutilo og Ilmenita, onkel₂, Og også fra kvarts, sio₂. For dette blir sandene samlet og plassert i spiraltkonsentratorer, der deres mineraler ender opp med å skille seg etter forskjellene i deres tettheter.

Deretter skilles titanoksider ved å bruke et magnetfelt, til det gjenværende faststoffet er sammensatt av bare Zirch (allerede uten fyr₂ Verken Sio₂). Gjort dette, gassaktig klor brukes som et reduksjonsmiddel for å transformere ZRO₂ til Zrcl₄, Som med titanet i Kroll -prosessen:

Zro₂ + 2cl₂ + 2C (900 ° C) → ZRCL₄ + 2co

Og til slutt ZRCL₄ Det reduseres med smeltet magnesium:

Zrcl₄ + 2 mg (1100 ° C) → 2 mgcl₂ + Zr

Årsaken til at direkte reduksjon ikke er laget av ZRO₂ Det er fordi karbider kan dannes, noe som er enda vanskeligere å redusere. Den genererte zirkoniumsvampen vaskes med saltsyreoppløsning, og smelter under en inert heliumatmosfære for å kunne skape metalliske zirkoniske stolper.

Kan tjene deg: Molekylær geometri: Konsept, typer og eksempler

Separasjon av zirkonium hafnium

Zirkoniet har en lav prosentandel (1 til 3%) i sammensetningen, på grunn av den kjemiske likheten mellom atomene.

Dette alene representerer ikke noe problem for de fleste av applikasjonene; Hafnio er imidlertid ikke gjennomsiktig med nøytroner, mens Zirchon ja. Derfor må det metalliske zirkoniet renses av Hafnios urenheter for å kunne brukes i kjernefysiske reaktorer.

For å oppnå dette, blandingsseparasjonsteknikker, så som krystallisering (av fluorsalter) og destillasjon (av deres tetraklorider), brukes deres tetraklorider), og væske-væskeekstraksjon brukes ved bruk av metyl-isobutil-keton og vannoppløsningsmidler.

Isotoper

Zirkoniumet finnes på jorden som en blanding av fire stabile isotoper og en radioaktiv, men med en så stor halvliv (t_1/2= 2,0 · 10¹⁹ år), som praktisk talt er like stabil som de andre.

Disse fem isotopene, med sine respektive forekomster, er listet opp nedenfor:

-⁹⁰ZR (51,45%)

-⁹¹Zr (11,22%)

-⁹²ZR (17,15%)

-⁹⁴Zr (17,38%)

-⁹⁶ZR (2,80%, den radioaktivt nevnt over)

Å være den gjennomsnittlige atommassen på 91 224 u, som ligger nærmere ⁹⁰Zr enn ⁹¹Zr. Dette demonstrerer "vekten" som deres isotoper av større atommasse har når de blir tatt i betraktning i beregningen av det vektede gjennomsnittet.

Bortsett fra ⁹⁶Zr eksisterer i naturen en annen radioisotop: den ⁹³Zr (t_1/2= 1,53 · 10⁶ år). Imidlertid er det i spormengder, så dets bidrag til den gjennomsnittlige atommassen, 91 224 eller, er foraktelig. Det er grunnen til at zirkoniumet langt fra katalogiserer som et radioaktivt metall.

I tillegg til de fem naturlige isotoper av zirkoniet, og radioisotopen ⁹³Zr, andre kunstige er blitt opprettet (28 så langt), hvorav ⁸⁸Zr (t_1/2= 83,4 dager), ⁸⁹Zr (t_1/2= 78,4 timer) og ¹¹⁰Zr (30 millisekunder).

Risiko

Metall

Zirkoniet er et relativt stabilt metall, så ingen av reaksjonene er kraftig; Med mindre du er som fint delt støv. Når overflaten til et omkretsark skrapes med et sandpapir, avviser det glødende gnister på grunn av dens pyroporisitet; Men disse slukkes umiddelbart i luften.

Det som imidlertid representerer en potensiell brannrisiko er å varme opp zirkoniumpulveret i nærvær av oksygen: forbrenninger med en flamme som har en temperatur på 4460 ºC; En av de hotteste kjent for metaller.

Radioaktive sirkoniumisotoper (⁹³Zr og ⁹⁶Zr), avgir stråling av så lav energi, som er ufarlige for levende vesener. Sa alt dette ovenstående, det kan bekreftes av øyeblikkene at det metalliske zirkoniumet er et ikke -toksisk element.

Ioner

Circonium -ioner, Zr⁴⁺, De kan formidles mye i naturen i visse matvarer (grønnsaker og fullkorn) og organismer. Menneskekroppen har en gjennomsnittlig konsentrasjon på 250 mg zirkonium, og så langt er det ingen studier som har koblet den til med symptomer eller sykdommer på grunn av et lite overflødig forbruk.

Zr⁴⁺ Det kan være skadelig avhengig av dine medfølgende anioner. For eksempel ZRCL₄ Ved høye konsentrasjoner har det vist seg å være dødelig for rotter, og påvirker også hunder, da det reduserer antallet av deres røde blodlegemer.

Circonium salter er irriterende for øynene og halsen, og avhenger av individet om de kan irritere huden eller ikke. Når det gjelder lungene, er det få anomalier rapportert hos de som har inhalert dem ved et uhell. På den annen side er det ingen medisinske studier som bekrefter at zirkoniet er kreftfremkallende.

Å ha dette i bakhodet, kan det sies at metallisk zirkonium, heller ikke dens ioner representerer en alarmerende risiko for helse. Imidlertid er det zirkoniumforbindelser som inneholder anioner som kan gi negative innvirkninger på helse og miljø, spesielt hvis de er organiske og aromatiske anioner.

applikasjoner

- Metall

Zirkoniet, som metall i seg selv, finner forskjellige applikasjoner takket være dens egenskaper. Dens høye korrosjonsbestandighet, og angrepet av sterke syrer og baser, så vel som andre reaktive stoffer, gjør det til et ideelt materiale for fremstilling av konvensjonelle reaktorer, rør og varmevekslere.

Med zirkoniet og dets legeringer lages det ildfaste materialer som må støtte ekstreme eller delikate forhold. For eksempel brukes de til å produsere støpeformer, plater og romlige kjøretøyer, eller inerte kirurgiske enheter, slik at de ikke reagerer med kroppsvev.

På den annen side brukes pyroporisiteten til å skape våpen og fyrverkeri; Siden de veldig fine zirkoniumpartiklene lett kan brenne og si glødende gnister. Den bemerkelsesverdige reaktiviteten med oksygen ved høye temperaturer brukes til å fange den inne i vakuumforseglet rør, og inne i pærene.

Det kan tjene deg: Hva er vektlovene for kjemi? (Eksempler)

Imidlertid er den viktigste bruken fremfor alt å tjene som materiale for kjernefysiske reaktorer, siden zirkoniet ikke reagerer med nøytronene som frigjøres i radioaktive fall.

- Omgå

Cubic Zircony Diamond. Kilde: Pixabay.

Det høye smeltepunktet (2715 ºC) av omsetningen₂) det gjør et alternativ enda bedre enn det samme zirkoniet for fremstilling av ildfaste materialer; For eksempel krysoler som motstår brå endringer i temperatur, iherdig keramikk, mer skarpe kniver enn stål, glass, blant andre.

En rekke zirkonene som heter 'kubisk circums', brukes i smykker, siden de med det kan lage perfekte kopier av diamanter med rutilating fasetter (overlegen bilde).

- Salter og andre

Circonium, uorganiske eller organiske salter, så vel som andre forbindelser, har utallige bruksområder, blant dem vi kan nevne:

-Blå og gule pigmenter til emalje keramiske og falske perler (Zrsio₄)

-Karbondioksid absorberende (Li₂Zro₃)

-Belegg i papirindustrien (zirkoniumacetater)

-Antitranspiranter (Zrocl₂ og blandinger av komplekse surround- og aluminiumsalter)

-Malerier og blekk for inntrykk [ZR (CO₃)₃(NH₄)₂]

-Nyredialysebehandling og for fjerning av vannforurensninger (fosfater og zirkoniumhydroksyd)

-Lim [zr (nei₃)₄]

-Katalysatorer for organiske reaksjoner av aminering, oksidasjon og hydrogenering (enhver zirkoniumforbindelse som viser katalytisk aktivitet)

-Tilsetningsstoffer for å øke sementfluiditeten

-Gjennomtrengelig alkalisk ion faststoff

- Organometalliske rammer

Circonium -atomer som Zr -ioner⁴⁺ De kan danne koordinasjonsforbindelser med oksygen, Zr^IV-Eller på en slik måte at det kan samhandle uten problemer med oksygenrike organiske ligander; Det vil si at omskjæringen er i stand til å danne flere organometalliske forbindelser.

Disse forbindelsene, som kontrollerer synteseparametere, kan brukes til å lage organometalliske rammer, bedre kjent som organiske metallrammer (MOF) Metallorganisk rammeverk). Disse materialene skiller seg ut for å være svært porøse og ha attraktive tre -dimensjonale strukturer, som med zeolitas.

Deres anvendelser avhenger sterkt av hva som er de utvalgte organiske ligandene for å koordinere med Zirch, så vel som av optimalisering av syntese forhold (temperatur, pH, agitasjon og reaksjonstid, molforhold, løsningsmiddelvolumer, etc.).

UIO-66

Blant MOF-ene i sirkoniet kan vi for eksempel nevne UIO-66, som er basert på ZR-Terphthalate-interaksjonene (av tereftallic acid). Dette molekylet, som fungerer som kobling, koordinerer med ZR⁴⁺ Gjennom gruppene dine -Coo^-, danner fire ZR-O-lenker.

Forskere ved University of Illinois, ledet av Kenneth Suslick, observerte at UIO-66, under intense mekaniske krefter, lider av en strukturell deformasjon når to av de fire ZR-O-obligasjonene er ødelagte.

Følgelig kan UIO-66 brukes som et materiale som er ment å spre mekanisk energi, til og med å kunne motstå et trykkekvivalent med detonasjonen av en TNT før du lider molekylære brudd.

MOFS-808

Endring av tereftallsyre for trimhetsyre (en benzenisk ring med tre -coOH -grupper i posisjoner 2, 4, 6), oppstår et nytt organometallisk rammeverk for zirconometall for zirkoniet: MOFS -808.

Egenskapene og evnen til å tjene som hydrogenlagringsmateriale er studert; det vil si m -molekylene₂ De ender opp med å holde porene til MOFS-808, og trekker dem deretter ut når det er nødvendig.

MIP-202

Og til slutt har vi MOFS MIP-202, fra Poros Poros Materials Institute. Denne gangen brukte de asparaginsyre (en aminosyre) som en binding. Igjen, ZR-O-lenker⁴⁺ og oksygenet til aspartatet (av de ubehagelige -coOH -gruppene), er retningskreftene som modellerer den tre -dimensjonale og porøse strukturen til dette materialet.

MIP-202 viste seg å være en utmerket protondriver (h⁺), som beveger seg gjennom porene sine, fra ett rom til et annet. Derfor er han en kandidat som skal brukes som produksjonsmateriell for protonvekslere; som er uunnværlige for utvikling av fremtidige hydrogenbatterier.

Referanser

1. Shiver & Atkins. (2008). Uorganisk kjemi. (Fjerde utgave). Mc Graw Hill.
2. Wikipedia. (2019). Zirkonium. Hentet fra: i.Wikipedia.org
3. Sarah Pierce. (2019). Hva er zirkonium? - Bruk, fakta, egenskaper og oppdagelse. Studere. Gjenopprettet fra: Studie.com
4. John c. Jamieson. (1963). Krystallstrukturer av titan, zirkonium og hafnium ved høyt trykk. Vol. 140, utgave 3562, s. 72-73. Doi: 10.1126/vitenskap.140.3562.72
5. Stephen Emma. (25. oktober 2017). Zirkonium mof spenner under dynamitttrykk. Gjenopprettet fra: Chemistryworld.com
6. Wang Sujing et al. (2018). Et robust zirkonium aminosyremetallorganisk rammeverk for protonatferd. gjør jeg.org/10.1038/S41467-018-07414-4
7. Emsley John. (1. april 2008). Zirkonium. Kjemi i elementet. Gjenopprettet fra: Chemistryworld.com
8. Kawano Jordan. (s.F.). Zirkonium. Gjenopprettet fra: Kjemi.Pomona.Edu
9. Dr. Doug Stewart. (2019). Zirkoniumelementfakta. Chemicool. Gjenopprettet fra: Chemicool.com
10. Redaktørene av Enyclopaedia Britannica. (5. april 2019). Zirkonium. Encyclopædia Britannica. Gjenopprettet fra: Britannica.com
11. Nasjonalt senter for bioteknologiinformasjon. (2019). Zirkonium. PubChem -database. CID = 23995. Gjenopprettet fra: Pubchem.NCBI.NLM.NIH.Gov