Zirkónium

Z Wikipédie

40 ytrium ← zirkónium → niób Ti ↑ Zr ↓ Hf Periodická tabuľka - Rozšírená periodická tabuľka
Všeobecne
Názov, Značka, Číslo	zirkónium, Zr, 40
Séria	prechodné prvky
Skupina, Perióda, Blok	4, 5, d
Vzhľad	strieborno biely
Atómová hmotnosť	91,224(40)  g·mol−1
Elektrónová konfigurácia	[Kr] 4d2 5s2
Elektrónov na hladinu	2, 8, 18, 10, 2
Fyzikálne vlastnosti
Skupenstvo	pevné
Hustota (pri i.t.)	6,52  g·cm−3
Hustota tekutiny v b.t.	5,8  g·cm−3
Teplota topenia (tavenia)	2128 K (1855 °C, 3371 °F)
Teplota varu	4682 K (4409 °C, 7968 °F)
Teplo vyparovania	14  kJ·mol−1
Teplo tavenia	573  kJ·mol−1
Tepelná kapacita	(25 °C) 25,36  J·mol−1·K−1
Tlak pary P(Pa) 1 10 100 1 k 10 k 100 k pri T(K) 2639 2891 3197 3575 4053 4678
Atómové vlastnosti
Kryštálová štruktúra	hexagonálna
Oxidačné stupne	4 (amfoterický oxid)
Elektronegativita	1,33 (Paulingova stupnica)
Ionizačné energie (viac)	1.:  640,1  kJ·mol−1
	2.:  1270  kJ·mol−1
	3.:  2218  kJ·mol−1
Atómový polomer	155  pm
Atómový polomer (vyp.)	206  pm
Kovalentný polomer	148  pm
Rôzne
Elektrický odpor	(20 °C) 421 n Ω·m
Tepelná vodivosť	(300 K) 22,6  W·m−1·K−1
Tepelná roztiažnosť	(25 °C) 5,7  µm·m−1·K−1
Rýchlosť zvuku (úzka tyč)	(20 °C) 3800 m/s
Youngov modul	68  GPa
Pružnosť v šmyku	33  GPa
Poissonova konštanta	0,34
Mohsova tvrdosť	5,0
Vickersova tvrdosť	903  MPa
Brinellova tvrdosť	650  MPa
Registračné číslo CAS	7440-67-7
Vybrané izotopy
Hlavný článok: Izotopy zirkónia izotop NA t1/2 ZM ER (MeV) PR 88Zr syn 83,4 d ε - 88Y γ 0,392D - 89Zr syn 78,4 h ε - 89Y β+ 0,902 89Y γ 0,909D - 90Zr 51,45% Zr je stabilný s 50 neutrónmi 91Zr 11,22% Zr je stabilný s 51 neutrónmi 92Zr 17,15% Zr je stabilný s 52 neutrónmi 93Zr syn 1,53×106y β- 0,060 93Nb 94Zr 17,38% Zr je stabilný s 54 neutrónmi 96Zr 2,8% >3,9×1020y β-β-  ? 96Mo
Referencie

Zirkónium (zirconium) je chemický prvok v Periodickej tabuľke prvkov, ktorý má značku Zr a protónové číslo 40. Je to šedý až strieborno biely, kovový prvok, mimoriadne odolný voči korózii. Uplatňuje sa predovšetkým v jadrovej energetike, pretože vykazuje veľmi nízky účinný prierez pre záchyt neutrónov. Je tiež zložkou rôznych zliatin a protikoróznych ochranných vrstiev.

Obsah 1 Objav prvku 2 Základné fyzikálno-chemické vlastnosti 3 Výskyt 4 Výroba

[úprava] Objav prvku

Objaviteľom zirkónia je Martin Heinrich Klaproth, ktorý ho v roku 1789 získal rozkladom minerálu jargon zo Srí Lanky, vtedajšieho Ceylónu.

Prvý úspešný pokus o izoláciu elementárneho zirkónia urobil v roke 1824 chemik Jöns Jakob Berzelius. Jeho produkt však nebol dokonalo čistý a skutočne čisté elementárne zirkónium bolo získané až v roke 1914.

[úprava] Základné fyzikálno-chemické vlastnosti

Zirkónium je šedý až strieborno biely, stredne tvrdý a pomerne ľahký kov.

Vyznačuje sa mimoriadnou chemickou stálosťou - úplne odoláva pôsobeniu vody a pôsobeniu väčšiny bežných minerálnych kyselín i roztokov alkalických hydroxidov. Na jeho rozpustenie je najúčinnejšia kyselina fluorovodíková HF, alebo jej zmes s inými minerálnymi kyselinami.

Zirkónium vykazuje veľmi vysokú afinitu ku kyslíku. Jemne rozptýlený kov preto môže na vzduchu samovoľne vzplanúť, najmä pri zvýšenej teplote. V kusovej podobe (odliatky, plechy, drôty..) je však na vzduchu úplne stále.

V zlúčeninách sa vyskytuje predovšetkým v mocenstve Zr⁺⁴, ale sú známe i zlúčeniny Zr⁺³ a Zr⁺².

[úprava] Výskyt

Zirkónium je v zemskej kôre pomerne hojne zastúpené, jeho obsah se odhaduje na 165-220 mg/kg. V morskej vode je vďaka svojej chemickej stálosti prítomné len v koncentrácii 0,000 022 mg/l. Vo vesmíre pripadá jeden atóm zirkónia na jednu miliardu atómov vodíka.

Zirkónium sa v prírode vyskytuje iba vo forme zlúčenin. Nachádza sa v mnohých mineráloch, ktoré sú vďaka svojim vlastnostiam (tvrdosť a vzhľadová podobnosť s diamantom) známe a používané od dávnoveku. Medzi najvýznamnejšie patrí kremičitan zirkón, ZrSiO₄ a oxid zirkónia baddeleyit, ZrO₂. Známe sú i rôzne komplexné zirkonáty ako zirkelit, obsahujúci vápnik, železo, titán a tórium alebo uhligit s obsahom vápnika, titánu a hliníka.

Medzi hlavné oblasti ťažby minerálov a hornín s výrazným zastúpením zirkónia patrí Austrália, Brazília, India, Rusko, a USA. Okrem toho sa na získavanie zirkónia často priemyselne používajú i rudy titánu ako ilmenit a rutil.

Výskyt zirkónia bol pomocou spektrálnej analýzy potvrdený i vo hviezdach podobným nášmu Slnku, je zložkou mnohých meteoritov a má významné zastúpenie v mesačných horninách.

[úprava] Výroba

Priemyslová výroba čistého zirkónia je pomerne nákladná, pretože podobne ako je to v prípade titánu, nie je možné použiť bežné metalurgické postupy ako je redukcia uhlíkom alebo vodíkom. Okrem toho, väčšina prírodných surovín je kontaminovaná hafniom, ktoré má podobné vlastnosti a ich vzájomná separácia je zložitá.

V súčasnosti sa pri priemyselnej výrobe zirkónia využíva predovšetkým tzv. Krollov proces. Pritom sa najprv pyrolýzou baddeleyitu uhlíkom a chlórom získa chlorid zirkoničitý ZrCl₄.

ZrO₂ + 2 Cl₂ + 2 C (900°C) --> ZrCl₄ + 2 CO

Frakčnou destiláciou sa potom oddelí chlorid železitý FeCl₃, ktorý vzniká z prísad železa, vyskytujúcich sa prakticky vo všetkých prírodných materiáloch. Ďalším krokom je redukcia horčíkom v inertnej argónovej atmosfére pri teplote okolo 800°C.

ZrCl₄ + 2 Mg --> Zr + 2 MgCl₂

Zirkónium vzniknuté touto reakciou obsahuje zbytky chloridu horečnatého a kovového horčíka, ktoré sa odstraňujú pôsobením kyseliny chlorovodíkovej HCl. Takto pripravené zirkónium obsahuje stále ešte okolo 1% hafnia, ktoré nie je prekážkou pri bežných aplikáciách zirkónia v zliatinách a pri povrchovej ochrane kovov. Pre využitie v jadrovej energetike je však potrebné toto hafnium oddeliť a tento krok zvyšuje približne 10x cenu výsledného zirkónia bez prímesí hafnia.