Цирконий — химический элемент ; он имеет символ Zr и атомный номер 40. Название цирконий происходит от названия минерала циркона , наиболее важного источника циркония. Слово родственно персидскому заргуну (циркон; зар-гун , «золотоподобный» или «как золото»). [7] Это блестящий , серо-белый, прочный переходный металл , очень напоминающий гафний и, в меньшей степени, титан .
Цирконий образует множество неорганических и металлоорганических соединений, таких как диоксид циркония и дихлорид цирконоцена соответственно. В природе встречаются пять изотопов , четыре из которых стабильны.
Цирконий в основном используется в качестве огнеупора и глушителя , хотя небольшие его количества используются в качестве легирующего агента из-за его высокой устойчивости к коррозии. Соединения циркония не имеют известной биологической роли.
Цирконий — блестящий , серовато-белый, мягкий, пластичный , ковкий металл, твердый при комнатной температуре, хотя при меньшей чистоте он твердый и хрупкий . [8] В порошковой форме цирконий легко воспламеняется, но твердая форма гораздо менее склонна к возгоранию. Цирконий обладает высокой устойчивостью к коррозии под действием щелочей, кислот, соленой воды и других агентов. [9] Однако он растворяется в соляной и серной кислоте , особенно в присутствии фтора . [10] Сплавы с цинком магнитны при температуре менее 35 К. [9]
Температура плавления циркония составляет 1855 °C (3371 °F), а точка кипения — 4409 °C (7968 °F). [9] Цирконий имеет электроотрицательность 1,33 по шкале Полинга. Из элементов d-блока с известной электроотрицательностью цирконий занимает пятое место по величине электроотрицательности после гафния , иттрия , лантана и актиния . [11]
При комнатной температуре цирконий имеет гексагональную плотноупакованную кристаллическую структуру α-Zr, которая при 863 °C меняется на β-Zr, объемноцентрированную кубическую кристаллическую структуру. Цирконий существует в β-фазе до температуры плавления. [12]
Природный цирконий состоит из пяти изотопов. 90 Zr, 91 Zr, 92 Zr и 94 Zr стабильны, хотя прогнозируется, что 94 Zr претерпит двойной бета-распад (не наблюдаемый экспериментально) с периодом полураспада более 1,10×10 17 лет. 96 Zr имеет период полураспада 2,4×10 19 лет и является самым долгоживущим радиоизотопом циркония. Из этих природных изотопов наиболее распространенным является 90 Zr, составляющий 51,45% всего циркония. 96 Zr является наименее распространенным и содержит всего 2,80% циркония. [13]
Синтезировано двадцать восемь искусственных изотопов циркония с атомной массой от 78 до 110. 93 Zr является самым долгоживущим искусственным изотопом с периодом полураспада 1,53×10 6 лет. 110 Zr, самый тяжелый изотоп циркония, является самым радиоактивным, его период полураспада составляет 30 миллисекунд. Радиоактивные изотопы с массовым числом 93 или выше распадаются за счет эмиссии электронов , тогда как те, что с массовым числом 89 или ниже, распадаются за счет эмиссии позитронов . Единственным исключением является 88 Zr, который распадается путем захвата электронов . [13]
Пять изотопов циркония также существуют в виде метастабильных изомеров : 83m Zr, 85m Zr, 89m Zr, 90m1 Zr, 90m2 Zr и 91m Zr. Из них 90 м2 Zr имеет самый короткий период полураспада — 131 наносекунду. 89m Zr является самым долгоживущим с периодом полураспада 4,161 минуты. [13]
Цирконий имеет концентрацию около 130 мг/кг в земной коре и около 0,026 мкг/л в морской воде . [14] Он не встречается в природе как самородный металл , что отражает его внутреннюю нестабильность по отношению к воде. Основным коммерческим источником циркония является циркон (ZrSiO 4 ), силикатный минерал [ 8] , который встречается в основном в Австралии, Бразилии, Индии, России, Южной Африке и США, а также в небольших месторождениях по всему миру. [15] По состоянию на 2013 год две трети добычи циркона приходится на Австралию и Южную Африку. [16] Ресурсы циркона во всем мире превышают 60 миллионов тонн [17] , а годовое мировое производство циркония составляет около 900 000 тонн. [14] Цирконий также встречается в более чем 140 других минералах, включая коммерчески полезные руды, бадделеит и эвдиалит . [18]
Циркония относительно много в звездах S-типа , он был обнаружен на Солнце и в метеоритах. Образцы лунных пород, доставленные из нескольких миссий Аполлона на Луну, имеют высокое содержание оксида циркония по сравнению с земными породами. [9]
ЭПР-спектроскопия использовалась при исследовании необычного валентного состояния циркония 3+. Спектр ЭПР Zr 3+ , который первоначально наблюдался как паразитный сигнал в легированных Fe монокристаллах ScPO 4 , был окончательно идентифицирован при получении монокристаллов ScPO 4 , легированных изотопно обогащенным (94,6%) 91 Zr. Также были выращены и исследованы монокристаллы LuPO 4 и YPO 4 , легированные как природным, так и изотопно обогащенным Zr. [19]
Цирконий — побочный продукт, образующийся после добычи и переработки титановых минералов ильменита и рутила , а также добычи олова . [20] С 2003 по 2007 год, в то время как цены на минерал циркон неуклонно росли с 360 до 840 долларов США за тонну, цена на необработанный металлический цирконий снизилась с 39 900 долларов США до 22 700 долларов США за тонну. Металлический цирконий намного дороже циркона , поскольку процессы восстановления являются дорогостоящими. [17]
Собранный в прибрежных водах цирконсодержащий песок очищается спиральными концентраторами для отделения более легких материалов, которые затем возвращаются в воду, поскольку являются естественными компонентами пляжного песка. С помощью магнитной сепарации из титановых руд удаляют ильменит и рутил .
Большая часть циркона используется непосредственно в коммерческих целях, но небольшой процент превращается в металл. Большая часть металлического циркония производится восстановлением хлорида циркония (IV) металлическим магнием в процессе Кролла . [9] Полученный металл спекают до тех пор, пока он не станет достаточно пластичным для металлообработки. [15]
Коммерческий металлический цирконий обычно содержит 1–3% гафния [21] , что обычно не является проблемой, поскольку химические свойства гафния и циркония очень похожи. Однако их поглощающие нейтроны свойства сильно различаются, что приводит к необходимости отделения гафния от циркония для ядерных реакторов. [22] Используются несколько схем разделения. [21] Жидкостно -жидкостная экстракция производных роданида -оксида использует тот факт, что производное гафния немного более растворимо в метилизобутилкетоне , чем в воде. Этот метод используется в основном в США. В Индии для разделения используется процесс экстракции растворителем ТБФ-нитрат.
Разделить Zr и Hf можно также фракционной кристаллизацией гексафторцирконата калия (K 2 ZrF 6 ), который менее растворим в воде, чем аналогичное производное гафния.
Фракционная перегонка тетрахлоридов, также называемая экстрактивной перегонкой , используется в основном в Европе.
Продукт четырехкратного процесса VAM (вакуумно-дуговой плавки) в сочетании с горячей экструзией и различными применениями прокатки отверждается с помощью газового автоклавирования под высоким давлением и при высокой температуре . В результате получается цирконий реакторного качества, который примерно в 10 раз дороже, чем коммерческий сорт, загрязненный гафнием.
Гафний необходимо удалить из циркония для ядерных применений, поскольку сечение поглощения нейтронов у гафния в 600 раз больше, чем у циркония. [23] Выделенный гафний может быть использован для стержней управления реактором . [24]
Как и другие переходные металлы , цирконий образует широкий спектр неорганических соединений и координационных комплексов . [25] Как правило, эти соединения представляют собой бесцветные диамагнитные твердые вещества, в которых цирконий имеет степень окисления +4. Известно гораздо меньше соединений Zr(III), а Zr(II) встречается очень редко.
Наиболее распространенным оксидом является диоксид циркония ZrO 2 , также известный как диоксид циркония . Это твердое вещество от прозрачного до белого цвета обладает исключительной вязкостью разрушения (для керамики) и химической стойкостью, особенно в кубической форме. [26] Эти свойства делают диоксид циркония полезным в качестве термобарьерного покрытия, [27] хотя он также является распространенным заменителем алмаза . [26] Моноксид циркония ZrO также известен, а звезды S-типа можно распознать по его эмиссионным линиям. [28]
Вольфрамат циркония обладает необычным свойством сжиматься во всех измерениях при нагревании, тогда как большинство других веществ при нагревании расширяются. [9] Цирконилхлорид представляет собой редкий водорастворимый комплекс циркония с относительно сложной формулой [Zr 4 (OH) 12 (H 2 O) 16 ]Cl 8 .
Карбид циркония и нитрид циркония являются тугоплавкими твердыми веществами. Твердый сплав используется для изготовления сверлильных инструментов и режущих кромок. Известны также фазы гидрида циркония.
Цирконат-титанат свинца (ЦТС) является наиболее часто используемым пьезоэлектрическим материалом, который применяется в таких областях, как ультразвуковые преобразователи, гидрофоны, форсунки Common Rail, пьезоэлектрические преобразователи и микроактюаторы.
Известны все четыре распространенных галогенида: ZrF 4 , ZrCl 4 , ZrBr 4 и ZrI 4 . Все они имеют полимерную структуру и гораздо менее летучи, чем соответствующие мономерные тетрагалогениды титана. Все они имеют тенденцию гидролизоваться с образованием так называемых оксигалогенидов и диоксидов.
Известны также соответствующие тетраалкоксиды . В отличие от галогенидов алкоксиды растворяются в неполярных растворителях. Гексафторцирконат дигидрогена используется в металлообрабатывающей промышленности в качестве травителя для улучшения адгезии краски. [29]
Цирконийорганическая химия является ключевой для катализаторов Циглера-Натта , используемых для производства полипропилена . В этом приложении используется способность циркония обратимо образовывать связи с углеродом. Дибромид цирконоцена ((C 5 H 5 ) 2 ZrBr 2 ), о котором в 1952 году сообщили Бирмингем и Уилкинсон , был первым циркониевым органическим соединением. [30] Реагент Шварца , полученный в 1970 году П.К. Уэйлсом и Х. Вейгольдом, [31] представляет собой металлоцен , используемый в органическом синтезе для превращений алкенов и алкинов . [32]
Большинство комплексов Zr(II) являются производными цирконоцена, одним из примеров является (C 5 Me 5 ) 2 Zr(CO) 2 .
Цирконийсодержащий минерал циркон и родственные ему минералы ( жаргун , гиацинт , или гиацинт, лигуре ) упоминались в библейских писаниях. [9] [22] Не было известно, что минерал содержит новый элемент до 1789 года, [33] когда Клапрот проанализировал жаргун с острова Цейлон (ныне Шри-Ланка). Он назвал новый элемент Цирконерде (цирконий). [9] Хамфри Дэви попытался изолировать этот новый элемент в 1808 году посредством электролиза , но потерпел неудачу. [8] Металлический цирконий был впервые получен в нечистом виде в 1824 году Берцелиусом путем нагревания смеси калия и калий-цирконий-фторида в железной трубке. [9]
Процесс кристаллического стержня (также известный как йодидный процесс ), открытый Антоном Эдуардом ван Аркелем и Яном Хендриком де Буром в 1925 году, был первым промышленным процессом коммерческого производства металлического циркония. Он включает в себя образование и последующее термическое разложение тетраиодида циркония ( ZrI 4 ), и в 1945 году его заменил гораздо более дешевый процесс Кролла , разработанный Уильямом Джастином Кроллом , в котором тетрахлорид циркония ( ZrCl 4 ) восстанавливается магнием: [15] [ 34]
В 1995 году было добыто около 900 000 тонн циркониевых руд, в основном в виде циркона. [21]
Большая часть циркона используется непосредственно при высоких температурах. Поскольку циркон огнеупорен, тверд и устойчив к химическому воздействию, он находит множество применений. Его основное применение — в качестве глушителя, придающего керамическим материалам белый непрозрачный вид. Благодаря своей химической стойкости циркон также используется в агрессивных средах, например, в формах для расплавленных металлов.
Диоксид циркония (ZrO 2 ) используется в лабораторных тиглях, металлургических печах и в качестве огнеупорного материала [9] . Поскольку он механически прочен и гибок, его можно спекать в керамические ножи и другие лезвия. [35] Циркон (ZrSiO 4 ) и фианиты (ZrO 2 ) ограняются на драгоценные камни для использования в ювелирных изделиях. Циркон также используется при датировании горных пород .
Диоксид циркония входит в состав некоторых абразивов , таких как шлифовальные круги и наждачная бумага . [33]
Небольшая часть циркона превращается в металл, который находит различные нишевые применения. Из-за превосходной устойчивости циркония к коррозии его часто используют в качестве легирующего агента в материалах, подвергающихся воздействию агрессивных сред, таких как хирургические инструменты, нити накаливания и корпуса часов. Высокая реакционная способность циркония по отношению к кислороду при высоких температурах используется в некоторых специализированных приложениях, таких как взрывчатые капсюли и газопоглотители в вакуумных трубках . Это же свойство (вероятно) является целью включения наночастиц Zr в качестве пирофорного материала во взрывное оружие, такое как бомба комбинированного действия BLU-97/B . Горящий цирконий использовался в качестве источника света в некоторых фотовспышках . Порошок циркония с размером ячеек от 10 до 80 изредка применяют в пиротехнических составах для образования искр . Высокая реакционная способность циркония приводит к образованию ярких белых искр. [36]
На оболочки топлив ядерных реакторов расходуется около 1% поставок циркония, [21] преимущественно в виде циркалоев . Желательными свойствами этих сплавов являются низкое сечение захвата нейтронов и устойчивость к коррозии при нормальных условиях эксплуатации. [15] [9] Для этой цели были разработаны эффективные методы удаления примесей гафния.
Одним из недостатков циркониевых сплавов является реакционная способность с водой с образованием водорода , что приводит к разрушению оболочки твэла :
Гидролиз протекает очень медленно при температуре ниже 100 °С, но быстро при температуре выше 900 °С. Большинство металлов вступают в подобные реакции. Окислительно-восстановительная реакция связана с нестабильностью топливных сборок при высоких температурах. [37] Эта реакция произошла в реакторах 1, 2 и 3 АЭС « Фукусима-1» (Япония) после того, как охлаждение реактора было прервано землетрясением и цунами 11 марта 2011 года, приведшими к ядерной аварии на «Фукусиме-1» . После выброса водорода в цехе технического обслуживания этих трех реакторов смесь водорода с кислородом воздуха взорвалась, серьезно повредив установки и, по крайней мере, одно из зданий защитной оболочки.
Цирконий является компонентом уран-цирконий-гидридного ядерного топлива (UZrH), используемого в реакторах TRIGA .
Материалы, изготовленные из металлического циркония и ZrO 2 , используются в космических аппаратах, где необходима термостойкость. [22]
Высокотемпературные детали, такие как камеры сгорания, лопатки и лопасти реактивных двигателей и стационарных газовых турбин , все чаще защищаются тонкими керамическими слоями и/или покрытиями, подлежащими окраске, обычно состоящими из смеси диоксида циркония и иттрия . [38] [39]
Цирконий также используется в качестве материала первого выбора для баков с перекисью водорода ( H 2 O 2 ), топливных магистралей, клапанов и двигателей в двигательных космических системах , подобных тем, которые используются в космическом самолете Dream Chaser компании Sierra Space [40], где тяга обеспечивается сгоранием керосина и перекиси водорода — мощного, но нестабильного окислителя . Причина в том, что цирконий обладает превосходной коррозионной стойкостью к H 2 O 2 и, прежде всего, не катализирует его самопроизвольный саморазложение, как это делают ионы многих переходных металлов . [40] [41]
Цирконийсодержащие соединения используются во многих биомедицинских целях, включая зубные имплантаты и коронки , замену коленного и тазобедренного сустава, реконструкцию цепи слуховых косточек среднего уха и другие восстановительные и протезные устройства. [42]
Цирконий связывает мочевину , и это свойство широко используется для лечения пациентов с хронической болезнью почек . [42] Например, цирконий является основным компонентом системы регенерации и рециркуляции диализата, зависящей от сорбентной колонки, известной как система REDY, которая была впервые представлена в 1973 году . С использованием сорбентной колонки в системе REDY было проведено более 2 000 000 диализных процедур. . [43] Хотя система REDY была заменена в 1990-х годах менее дорогими альтернативами, новые системы диализа на основе сорбентов проходят оценку и одобрение Управления по контролю за продуктами и лекарствами США (FDA). Компания Renal Solutions разработала технологию DIALISORB, портативную систему диализа с низким содержанием воды. Кроме того, в экспериментальные версии носимой искусственной почки включены технологии на основе сорбентов. [ нужна цитата ]
Циклосиликат натрия-циркония применяют внутрь при лечении гиперкалиемии . Это селективный сорбент, предназначенный для улавливания ионов калия в желудочно-кишечном тракте в первую очередь перед другими ионами . [44]
Смесь мономерных и полимерных комплексов Zr 4+ и Al 3+ с гидроксидом , хлоридом и глицином , называемая алюминий-цирконий-тетрахлоргидрекс-гли или АЗГ, используется в препарате в качестве антиперспиранта во многих дезодорантах . Его выбирают из-за его способности закупоривать поры кожи и предотвращать выход пота из организма.
Карбонат циркония (3ZrO 2 ·CO 2 ·H 2 O) использовался в лосьонах для лечения ядовитого плюща , но его использование было прекращено, поскольку иногда вызывало кожные реакции. [8]
Хотя цирконий не имеет известной биологической роли, в организме человека содержится в среднем 250 миллиграммов циркония, а ежедневное потребление составляет примерно 4,15 миллиграммов (3,5 миллиграммов с пищей и 0,65 миллиграммов с водой), в зависимости от пищевых привычек. [45] Цирконий широко распространен в природе и содержится во всех биологических системах, например: 2,86 мкг/г в цельной пшенице, 3,09 мкг/г в коричневом рисе, 0,55 мкг/г в шпинате , 1,23 мкг/г в яйцах, и 0,86 мкг/г в говяжьем фарше. [45] Кроме того, цирконий обычно используется в коммерческих продуктах (например, дезодорантах , аэрозольных антиперспирантах ), а также для очистки воды (например, контроль загрязнения фосфором , воды, загрязненной бактериями и пирогенами). [42]
Кратковременное воздействие порошка циркония может вызвать раздражение, но только попадание в глаза требует медицинской помощи. [46] Постоянное воздействие тетрахлорида циркония приводит к увеличению смертности у крыс и морских свинок и снижению уровня гемоглобина в крови и эритроцитов у собак. Однако в исследовании на 20 крысах, получавших стандартную диету, содержащую ~4% оксида циркония, не было отмечено никаких побочных эффектов на скорость роста, параметры крови и мочи или смертность. [47] Законный предел ( допустимый предел воздействия ) для воздействия циркония , установленный Управлением по охране труда США (OSHA) , составляет 5 мг/м 3 в течение 8-часового рабочего дня. Рекомендуемый Национальный институт охраны труда (NIOSH) предел воздействия ( REL ) составляет 5 мг/м 3 в течение 8-часового рабочего дня и краткосрочный предел 10 мг/м 3 . При уровне 25 мг/м 3 цирконий сразу опасен для жизни и здоровья . [48] Однако цирконий не считается промышленной опасностью для здоровья. [42] Кроме того, сообщения о побочных реакциях, связанных с применением циркония, редки, и, как правило, строгие причинно-следственные связи не установлены. [42] Не было подтверждено никаких доказательств того, что цирконий является канцерогенным или генотоксичным. [49]
Среди многочисленных радиоактивных изотопов циркония 93 Zr является одним из наиболее распространенных. Он выделяется в виде продукта ядерного деления 235 U и 239 Pu, главным образом , на атомных электростанциях и при испытаниях ядерного оружия в 1950-х и 1960-х годах. Он имеет очень длительный период полураспада (1,53 миллиона лет), при его распаде выделяется только низкоэнергетическое излучение, и он не считается особо опасным. [50]