Zirkonium (Zr), kemisk element, metal fra gruppe 4 (IVb) i det periodiske system, brugt som strukturmateriale til atomreaktorer.
Elementegenskaber
| Atom nummer | 40 |
|---|---|
| atomvægt | 91,22 |
| smeltepunkt | 1.852 ° C (3.366 ° F) |
| kogepunkt | 3.578 ° C (6.472 ° F) |
| specifik tyngdekraft | 6,49 ved 20 ° C (68 ° F) |
| oxidationstilstand | 4 |
| elektronkonfiguration | [Kr] 4d 2 5s 2 |
Egenskaber, forekomst og anvendelser
Zirkonium, uklart før slutningen af 1940'erne, blev et betydningsfuldt teknisk materiale til anvendelse af kernenergi, fordi det er meget gennemsigtigt for neutroner. Elementet blev identificeret (1789) i zirkon, ZrSiO 4 (zirkoniumortosilikat), fra dets oxid af den tyske kemiker Martin Heinrich Klaproth, og metallet blev isoleret (1824) i uren form af den svenske kemiker Jöns Jacob Berzelius. Det urene metal er, selv når det er 99 procent rent, hårdt og sprødt. Det hvide, bløde, formbare og duktile metal af højere renhed blev først produceret i mængde (1925) af de hollandske kemikere Anton E. van Arkel og JH de Boer ved den termiske nedbrydning af zirkoniumtetraiodid, ZrI 4. I begyndelsen af 1940'erne, William Justin Kroll Luxembourg udviklede sin billigere processen med at gøre metallet baseret på reduktionen af zirconiumtetrachlorid, ZrCl 4, ved magnesium. I det tidlige 21. århundrede omfattede de førende producenter af zirkonium Australien, Sydafrika, Kina og Indonesien; Mozambique, Indien og Sri Lanka var yderligere producenter.
Zirkonium er relativt rigeligt i jordskorpen, men ikke i koncentrerede aflejringer og observeres karakteristisk i stjerner af S-type. Mineralzirkonen, som almindeligvis findes i alluviale aflejringer i strømbede, havstrande eller gamle søebed, er den eneste kommercielle kilde til zirkonium. Baddeleyite, der i det væsentlige er rent zirkoniumdioxid, ZrO 2, er det eneste andre vigtige zirkoniummineral, men det kommercielle produkt genvindes billigere fra zircon. Zirkonium produceres ved den samme proces som den, der bruges til titan. Disse zirkoniummineraler har generelt et hafniumindhold, der varierer fra et par tiendedele af 1 procent til flere procent. Til nogle formål er adskillelse af de to elementer ikke vigtig: zirkonium, der indeholder ca. 1 procent hafnium, er lige så acceptabel som rent zirkonium.
Den vigtigste anvendelse af zirkonium er i atomreaktorer til beklædning af brændstofstænger, til legering med uran og til reaktorkernestrukturer på grund af dens unikke kombination af egenskaber. Zirkonium har god styrke ved forhøjede temperaturer, modstår korrosion fra de hurtigt cirkulerende kølemidler, danner ikke stærkt radioaktive isotoper og tåler mekanisk skade fra neutronbombardement. Hafnium, der er til stede i alle zirconiummalm, skal fjernes omhyggeligt fra metallet beregnet til reaktorbrug, fordi hafnium stærkt absorberer termiske neutroner.
Adskillelse af hafnium og zirconium opnås generelt ved en modstrøm-ekstraktionsprocedure med væske-væske. I proceduren opløses rå zirconiumtetrachlorid i en vandig opløsning af ammoniumthiocyanat, og methylisobutylketon ledes modstrøms til den vandige blanding, med det resultat, at hafnium-tetrachlorid fortrinsvis ekstraheres.
Atomradierne for zirkonium og hafnium er henholdsvis 1,45 og 1,44 Å, medens ionernes radier er Zr 4+, 0,74 Å og Hf 4+, 0,75 Å. Den virtuelle identitet af atomære og ioniske størrelser, der er resultatet af lanthanoidkontraktionen, har den virkning, at disse to elementers kemiske opførsel ligner mere, end for nogen kendt andet par. Selvom hafniums kemi er blevet undersøgt mindre end zirkonium, er de to så ens, at der kun kunne forventes meget små kvantitative forskelle - for eksempel i opløseligheder og flygtighed af forbindelser - i tilfælde, der ikke er blevet undersøgt.
Zirkonium absorberer ilt, nitrogen og brint i forbløffende mængder. Ved ca. 800 ° C (1500 ° F) den kombinerer kemisk med oxygen til opnåelse af oxid, ZrO 2. Zirkonium reducerer sådanne ildfaste digelmaterialer som oxiderne af magnesium, beryllium og thorium. Denne stærke affinitet for ilt og andre gasser tegner sig for dens anvendelse som en getter til fjernelse af resterende gasser i elektronrør. Ved normale temperaturer i luften er zirkonium passivt på grund af dannelsen af en beskyttende film af oxid eller nitrid. Selv uden denne film er metallet modstandsdygtigt over for virkningen af svage syrer og sure salte. Det opløses bedst i fluoridsyre, i hvilken procedure dannelsen af anioniske fluorkomplekser er vigtig for at stabilisere opløsningen. Ved normale temperaturer er den ikke særlig reaktiv, men bliver ret reaktiv med en række forskellige ikke-metaller ved forhøjede temperaturer. På grund af sin høje korrosionsbestandighed har zirkonium fundet udbredt anvendelse til fremstilling af pumper, ventiler og varmevekslere. Zirkonium bruges også som et legeringsmiddel til fremstilling af nogle magnesiumlegeringer og som et additiv til fremstilling af visse stål.
Naturligt zirconium er en blanding af fem stabile isotoper: zirconium-90 (51,46 procent), zirconium-91 (11,23 procent), zirconium-92 (17,11 procent), zirconium-94 (17,40 procent), zirconium-96 (2,80 procent). Der findes to allotroper: under 862 ° C (1.584 ° F) en hexagonal tætpakket struktur, over denne temperatur en kropscentreret kubik.
