Этот металл универсален: его свойства используют металлурги, ядерщики, ювелиры, стоматологи, ортопеды. Запасы циркония на планете внушительны, их хватит всем.
Что представляет собой
Цирконий – это пластичный серебристо-белый металл.
Благородно-приглушенный блеск, толика матовости позволяют отличить его от других металлов.
Элемент периодической системы Менделеева №40. Международное обозначение Zr (Zirconium).
По составу это пять природных изотопов.
Как был открыт
История открытия металла охватывает полтора столетия:
- Диоксид вещества первым получил немецкий химик Мартин Клапрот (1789 год). Исходником послужил минерал циркон.
- Почти через сорок лет его шведский коллега Иенс Берцелиус получил свободный, но загрязненный примесями цирконий.
- Образцы циркония как чистого металла удалось выделить к 1925 году голландцу Антону ван Аркелю.
Происхождение термина «циркон» толкуют две версии: от созвучных арабского либо фарси. Они означают, соответственно, «киноварь» и «золотистый».
Как представлен в природе
Цирконий не относится к редким металлам. Но крупных месторождений не образует, рассеявшись по массиву земной коры.
Тонна земной коры содержит 170-250 г вещества, литр воды – 0,00005 мг.
Главная форма нахождения в природе – четыре десятка минералов. Самые известные и распространенные: циркон, бадделеит, эвдиалит. Формула последнего содержит два десятка символов.
-
- Циркон
-
- Эвдиалит
В структуре всех минералов циркона присутствует гафний. Он же «сопровождает» цирконий на месторождениях.
Месторождения
Первая тройка стран по запасам сырья – Австралия, ЮАР, Россия. Крупными массивами породы располагают Бразилия, США, Индия.
На долю России приходится десятая часть глобальных запасов:
- Большинство сосредоточено на Европейской части (Мурманская, Тамбовская, Нижегородская области).
- За Уралом это Томская, Читинская области.
- Неисчерпаемый резерв представляют сиениты Хибин на Кольском полуострове.
В США и на Мадагаскаре находят образцы циркона ювелирных либо коллекционных кондиций. В Хибинах – эвдиалиты.
Технология получения
Промышленное производство нацелено на получение металлического циркония.
Для этого циркониевую руду обогащают до отметки 61-65% по диоксиду в составе. Концентрат преобразуют хлоридным, фторидным либо щелочным методами.
Способ получения технологически чистого вещества (ZrO2) основан на щелочном процессе. Концентрат спекают, выщелачивают, очищают, гидролизуют.
Физико-химические характеристики
Физические и химические свойства вещества зависят от состава:
- Освобожденный от примесей цирконий пластичен, легко обрабатывается при любой температуре (ковка, штамповка, прокат).
- Даже малые доли газов (азот, водород, кислород, углерод) в составе делают пластичный металл хрупким. Например, наличие более 0,2% кислорода исключает прессовку.
- При 200°C покрывается оксидной пленкой. Цвет металла меняется.
Примеси в составе ухудшают характеристики циркония.
| Свойства атома | |
|---|---|
| Название, символ, номер | Цирко́ний / Zirconium (Zr), 40 |
| Атомная масса (молярная масса) |
91,224(2) а. е. м. (г/моль) |
| Электронная конфигурация | [Kr] 4d2 5s2 |
| Радиус атома | 160 пм |
| Химические свойства | |
| Ковалентный радиус | 145 пм |
| Радиус иона | (+4e) 79 пм |
| Электроотрицательность | 1,33 (шкала Полинга) |
| Электродный потенциал | 0 |
| Степени окисления | 0, +1, +2, +3, +4 |
| Энергия ионизации (первый электрон) |
659,7 (6,84) кДж/моль (эВ) |
| Термодинамические свойства простого вещества | |
| Плотность (при н. у.) | 6,506 г/см³ |
| Температура плавления | 2125 K |
| Температура кипения | 4650 K |
| Уд. теплота плавления | 19,2 кДж/моль |
| Уд. теплота испарения | 567 кДж/моль |
| Молярная теплоёмкость | 25,3 Дж/(K·моль) |
| Молярный объём | 14,1 см³/моль |
| Кристаллическая решётка простого вещества | |
| Структура решётки | гексагональная |
| Параметры решётки | a = 3,231, c = 5,148 Å |
| Отношение c/a | 1,593 |
| Температура Дебая | 291 K |
| Прочие характеристики | |
| Теплопроводность | (300 K) 22,7 Вт/(м·К) |
| Номер CAS | 7440-67-7 |
Мелкодисперсный порошковый цирконий воспламеняется при «средней» температуре. Это единственный недостаток металла.
Где используется
Цирконий применяют самостоятельно, в сплавах и соединениях. Для многих сфер его применение избавляет от закупки дорогих благородных металлов.
Промышленность
Здесь нашли применение металл и сплавы:
- Металлургия. Материал огнеупоров для плавильных процессов. Легирующая присадка: 0,8% циркония в составе улучшает механические и утилитарные свойства сталей. Повышается порог прочности, термостойкости медных сплавов.
- Ядерная энергетика. Начинка реакторов на АЭС (например, оболочка тепловыводящих элементов – ТВЭЛов).
- Сверхпроводник. Сплав циркония с ниобием (1:3).
- Конструкционный материал. Арматура, насосы, химическое оборудование, устойчивое к кислотам.
Его добавляют к керамико-металлическим покрытиям для повышения их химической стойкости.
Фианиты
Кубическая модификация диоксида циркония плюс микродозы редкоземельных металлов – основа при производстве фианитов.
Материал создан в Советском Союзе (1960-е годы), назван по месту изобретения – Физический институт Академии наук СССР (ФИАН).
Фианит применяется для практических и эстетических целей:
- Линзы, другая оптика специального назначения.
- Хирургический инструментарий.
- Синтетические волокна, проволока.
Это финансово доступный заменитель натуральных бриллиантов в ювелирных изделиях. Создают камешки нужного цвета, размера, формы. Ювелиры оправляют фианиты золотом, платиной, серебром.
Другие сферы
Кроме «серьезных» отраслей, достоинства металла оценены в других сферах:
- Пиротехника. Бездымный, яркий фейерверк невозможен без этого металла. Его используют производители химических источников света (осветительные бомбы/ракеты, факелы). Еще больше света дает циркониево-цериевый сплав.
- Медицина. Оценена «нейтральность» вещества к биологическому воздействию. Из диоксида циркония делают хирургический инструментарий, протезы взамен утраченных костей, разрушенных суставов, зубов.
В стоматологии керамику на основе циркония ставят выше титановой: она служит пожизненно.
- Товары широкого потребления. Из циркония, сплавов изготавливают посуду. Химико-биологическая стойкость, другие свойства металла обеспечивают соответствие изделий санитарным стандартам.
Добавка вещества в эмаль делает ее матово-белой.
Влияние на человека
Цирконий не синтезируется биологическими организмами, но может поступать вовнутрь из воздуха либо с пищей.
Биологическое воздействие
Металл нашел применение медициной в следующих качествах:
- Антисептик – стимуляция заживления ран, защита от проникновения инфекций, гноения.
- Антиаллерген – сглаживает проявления аллергии.
- Защита от радиации.
Целители утверждают: серьги из металла в составе исцеляют кожу, гипертонию, артрозы, артриты.
Недостаток/избыток
«Отравиться» цирконием из продуктов питания невозможно: он содержится в микродозах.
Опасным может быть воздействие пыли металла на работников металлургических и добывающих предприятий.
Симптомы интоксикации:
- Раздражение кожных покровов.
- Пневмония.
- Болезни легких.
Металл аккумулируется мягкими тканями. Курс лечения предусматривает мероприятия по интоксикации организма.
Питание
Цирконием насыщены баранина, орехи (мускат, фисташки), бобовые. Он есть в перце чили, растительных маслах, крупах (овсяной, рисе, пшенной).
Ежесуточно человеку требуется 350 — 750 мкг элемента, в зависимости от возраста и массы тела.
Цена
Стоимость продукции из циркония определяется видом (руб./кг):
- Порошок – 7 500.
- Пруток – 7 760 – 9 750.
- Концентрат – 108 — 880.
- Фольга – 114 — 2 560.
Разброс цены объясняется характеристиками товара (марка изделия, степень обработки, величина партии).
Загрузка...
