Цирко́ний / Zirconium (Zr)
Атомный номер	40
Внешний вид	светло-серый, блестящий металл, устойчив к коррозии
Свойства атома
Атомная масса (молярная масса)	91,224 а. е. м. (г/моль)
Радиус атома	160 пм
Энергия ионизации (первый электрон)	659,7 (6,84) кДж/моль (эВ)
Электронная конфигурация	[Kr] 4d² 5s²
Химические свойства
Ковалентный радиус	145 пм
Радиус иона	(+4e)79 пм
Электроотрицательность (по Полингу)	1,33
Электродный потенциал	0
Степени окисления	0, +1, +2, +3, +4
Термодинамические свойства
Плотность	6,506 г/см³
Удельная теплоёмкость	0,281 Дж/(K·моль)
Теплопроводность	22,7 Вт/(м·K)
Температура плавления	2125 K
Теплота плавления	19,2 кДж/моль
Температура кипения	4650 K
Теплота испарения	567 кДж/моль
Молярный объём	14,1 см³/моль
Кристаллическая решётка
Структура решётки	гексагональная
Период решётки	3,230 Å
Отношение c/a	1,593
Температура Дебая	250,00 K

История и происхождение названия[]

Цирко́ний в виде двуокиси впервые был выделен в 1789 г. немецким химиком М. Г. Клапротом в результате анализа циркона. Элемент цирконий получил в 1829 швед Й. Я. Берцелиус, восстанавливая фторцирконат калия K₂[ZrF₆] металлическим натрием:

K₂[ZrF₆] + 4Na = Zr↓ + 2KF + 4NaF.

Этот цирконий имел много примесей. Чистый цирконий был получен в 1925 А. ван Аркелем.

Происхождение самого слова циркон неясно. Возможно, оно происходит от арабского zarkûn (киноварь) или от персидского zargun (золотистый цвет).

Нахождение в природе[]

Содержание в земной коре 0,02 % по массе. В свободном виде не встречается. Образует более 30 минералов, из которых важнейшими являются циркон ZrSiO₄, бадделеит ZrO₂ и эвдиалит (Na,Ca)₆ZrOH(Si₃O₉)₂(OH,Cl)₂.

Получение[]

Обогащенную циркониевую руду спекают при 600—700°C с фторсиликатом калия K₂SiF₆ (фторидный способ):

K₂SiF₆ + ZrSiO₄ = K₂ZrF₆ + 2SiO₂.

Далее фторцирконат калия K₂ZrF₆ (вместе с фторцирконатом гафния K₂HfF₆) выщелачивают водой, подвергают дробной кристаллизации (для очистки от примеси гафния). Затем в расплаве цирконий восстанавливают электролизом.

При хлоридном способе руду хлорируют в присутствии кокса, полученный тетрахлорид циркония ZrCl₄ очищают сублимационно-десублимационным методом, затем восстанавливают магнием:

ZrCl₄ + 2Mg = Zr + 2MgCl₂.

При использовании щелочного способа руду спекают с гидроксидом натрия NaOH, содой Na₂CO₃ или смесью карбоната кальция CaCO₃ и хлорида кальция. Затем проводят кислотное выщелачивание Na₂ZrO₃ или CaZrO₃. Чистый Zr получают термическим разложением тетраиодида ZrI₄ в парах.

Физико-химические свойства[]

Цирконий — серебристо-серый металл.

Существует в двух модификациях. Ниже 863 °C устойчива гексагональная a-модификация с параметрами элементарной ячейки a = 0,3231 нм, c = 0,5146 нм. Плотность a-Zr 6,51 кг/дм3. Выше 863 °C устойчива кубическая объемно-центрированная b-модификация с параметрами решетки а = 0,361 нм.

Чистый Zr пластичен, сваривается в инертной атмосфере. Наличие примесей кислорода, азота, углерода, водорода ухудшает пластичность, твердость, прочность на разрыв. При обычной температуре образует поверхностную оксидную пленку ZrO₂.

При 400—500°C Zr реагирует с кислородом:

Zr + O2 = ZrO₂.

С азотом при 400 °C образует нитрид циркония ZrN:

2Zr + N₂ = 2ZrN.

Тетрагалогениды циркония (ZrCl₄, ZrBr₄ и ZrI₄) образуются из простых веществ при нагревании до 200—400°C. При нагревании с сильными восстановителями металлическим порошкообразным цирконием тетрагалогениды циркония переходят в галогениды циркония низших степеней окисления (в ZrCl₃, ZrCl₂ и ZrCl).

При нагревании выше 250 °C Zr поглощает водород с образованием соединения переменного состава ZrH_х, выше 400 °C водород из этого соединения освобождается.

Цирконий взаимодействует с кислотами, если возможно образование его анионных комплексов. Так, мелко раздробленный цирконий растворяется в плавиковой кислоте:

Zr + 6HF = H₂[ZrF₆] + 2H₂↑,

в смеси азотной и плавиковой кислот:

3Zr + 4HNO₃ + 18HF = 3H₂[ZrF₆] + 4NO↑ + 8H₂O,

в царской водке:

3Zr + 4HNO₃ + 18HCl = 3H₂[ZrCl₆] + 4NO↑ + 8H₂O.

Цирконий устойчив к растворам щелочей.

Диоксид ZrO₂ не реагирует с водой, концентрированными соляной HCl и азотной HNO₃ кислотами. Взаимодействует с концентрированной плавиковой и серной кислотами. С расплавленными щелочами ZrO₂ реагирует с образованием солей — цирконатов:

ZrO2 + 2КOH = К₂ZrO₃ + H₂O.

При подкислении растворов цирконатов выделяется гидратированный гелеобразный оксид ZrO₂·xH₂O (гидроксид циркония):

Na₂ZrO₃ + HCl = NaCl + ZrO₂·xH₂O.

При нагревании ZrO₂·xH₂O теряет воду, превращаясь в ZrO₂.

Применение циркония и его соединений[]

В промышленности цирконий стал применяться с 30-х годов 20 века. Из-за высокой стоимости его применение ограничено.

Металлический цирконий и его сплавы[]

Ядерная энергетика[]

Цирконий имеет очень малое сечение захвата тепловых нейтронов. Поэтому металлический цирконий, не содержащий гафния, и его сплавы применяются в атомной энергетике для изготовления тепловыделяющих элементов, теплообменников и других конструкций ядерных реакторов.

Легирование[]

В металлургии применяется в качестве лигатуры. Хороший раскислитель и деазотатор, по эффективности превосходит Mn, Si, Ti. Легирование сталей цирконием (до 0,8 %) повышает их механические свойства и обрабатываемость. Делает также более прочными и жаростойкими сплавы меди при незначительной потере электропроводности.

Пиротехника[]

Цирконий обладает замечательной способностью сгорать в кислороде воздуха (температура самовоспламенения — 250 °C) практически без выделения дыма, с высокой скоростью и развивая наиболее высокую температуру из всех металлических горючих (4650 °C). За счет высокой температуры образующаяся двуокись циркония излучает значительное количество света, что используется очень широко в пиротехнике (производство салютов и фейерверков), производстве химических источников света применяемых в различных областях деятельности человека (факелы, осветительные ракеты, осветительные бомбы, ФОТАБ — фотоавиабомбы). В этой сфере повышеный интерес имеет не только металлический цирконий но и его сплавы с церием (значительно больший световой поток). Порошкообразный цирконий применяют в смеси с окислителями (бертолетова соль) как бездымное средство в сигнальных огнях пиротехники и в запалах, заменяя гремучую ртуть и азид свинца.

Сверхпроводник[]

Сверхпроводящий сплав 75 % Nb и 25 % Zr (сверхпроводимость при 4,2 K) выдерживает нагрузку до 100 000 А/см².

Конструкционный материал[]

В виде конструкционного материала идет на изготовление кислотостойких химических реакторов, арматуры, насосов. Цирконий применяют как заменитель благородных металлов.

Циркон «обезжелезненный» применяется в виде различных огнеупоров для футеровки стекловаренных и металлургических печей. Он также применятся в производстве строительной керамики, эмалей и глазурей для сантехнических изделий.

Медицина[]

Цирконий обладает высокой стойкостью к воздействию биологических сред, даже более высокой, чем титан, и отличной биосовместимостью, благодаря чему применяется для создания костных, суставных и зубных протезов, а также хирургического инструмента.

Быт[]

Цирконий применяется для изготовления разнообразной посуды, обладающей отличными гигиеническими свойствами благодаря высокой химической стойкости.

Соединения[]

Диоксид циркония(т. пл. 2700 °C). Область применения — производство огнеупоров-бакоров (бакор — бадделеит-корундовая керамика). Применяется в качестве заменителя шамота, так как в 3—4 раза увеличивает кампанию в печах для варки стекла и алюминия. Огнеупоры на основе стабилизированной двуокиси применяются в металлургической промышленности для желобов, стаканов при непрерывной разливке сталей, тиглей для плавки редкоземельных элементов. Также применяется в керметах — керамикометаллических покрытиях, которые обладают высокой твёрдостью и устойчивостью ко многим химическим реагентам, выдерживают кратковременные нагревания до 2750 °C. Двуокись — глушитель эмалей, придает им белый и непрозрачный цвет. На основе кубической модификации двуокиси циркония стабилизированной скандием, иттрием, редкими землями получают материал — фианит (от ФИАНа где он был впервые получен), фианит применяется в качестве оптического материала с большим коэффициентом преломления (линзы плоские), в медицине (хирургический инструмент), в качестве синтетического ювелирного камня (дисперсия, показатель преломления и игра цвета больше, чем у бриллианта), при получении синтетических волокон, и производстве некоторых видов проволоки (волочение). При нагревании диоксид циркония проводит ток, что иногда используется для получения нагревательных элементов устойчивых на воздухе при очень высокой температуре.

Диборид циркония — кермет. В различных смесях с нитридом тантала и карбидом кремния материал для производства резцов. Цены на металлический цирконий в 2006 году составили в среднем 120 долларов США за килограмм.

Карбид циркония (т. пл. 3530 °C) важнейший конструкционный материал для твердофазных ядерных реактивных двигателей.

Бериллид циркония чрезвычайно твёрд и устойчив к окислению на воздухе до 1650 °C, применяется в авиакосмической технике (двигатели, сопла, реакторы, радиоизотопные электрогенераторы).

Гидрид циркония применяется в качестве компонента ракетного топлива, в атомной технике как весьма эффективный замедлитель нейтронов. Также гидрид циркония служит для покрытия цирконием в виде тонких плёнок с помощью термического разложения его на различных поверхностях.

Биологическая роль и физиологическое действие[]

Цирконий не играет биологической роли в организме. Жителям России памятны пресловутые циркониевые браслеты, рекламируемые В.Кикабидзе, якобы снижающие артериальное давление, но реального терапевтического действия они не оказывают[1].

О воздействии соединений циркония на организм ничего не известно. Пыль циркония представляет собой вещество с большой пожаро- и взрывоопасностью, поскольку может самовоспламениться на воздухе.

Изотопы[]

В природной смеси содержится пять изотопов циркония (⁹⁰Zr, ⁹¹Zr, ⁹²Zr, ⁹⁴Zr и ⁹⁶Zr), причём ⁹⁶Zr слабо радиоактивен (двойной бета-распад с периодом полураспада 2,4×10¹⁹ лет).

Ссылки[]

**Периодическая система элементов**
H																	He
Li	Be											B	C	N	O	F	Ne
Na	Mg											Al	Si	P	S	Cl	Ar
K	Ca	Sc	Ti	V	Cr	Mn	Fe	Co	Ni	Cu	Zn	Ga	Ge	As	Se	Br	Kr
Rb	Sr	Y	Zr	Nb	Mo	Tc	Ru	Rh	Pd	Ag	Cd	In	Sn	Sb	Te	I	Xe
Cs	Ba	*	Hf	Ta	W	Re	Os	Ir	Pt	Au	Hg	Tl	Pb	Bi	Po	At	Rn
Fr	Ra	**	Rf	Db	Sg	Bh	Hs	Mt	Ds	Rg	Uub	Uut	Uuq	Uup	Uuh	Uus	Uuo

	*	La	Ce	Pr	Nd	Pm	Sm	Eu	Gd	Tb	Dy	Ho	Er	Tm	Yb	Lu
	**	Ac	Th	Pa	U	Np	Pu	Am	Cm	Bk	Cf	Es	Fm	Md	No	Lr

Выделить Цирконий и найти в:

Страница 0 - краткая статья
Страница 1 - энциклопедическая статья
Разное - на страницах: 2 , 3 , 4 , 5
Прошу вносить вашу информацию в «Цирконий 1», чтобы сохранить ее

Цирконий