циркон что за металл
Удельный вес циркония, его свойства, применение, таблица значений
| Цирконий | |
| Атомный номер | 40 |
| Внешний вид простого вещества | |
| 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 простого вещества | |
| Плотность | 6,506 /см³ |
| Молярная теплоёмкость | 25,3 Дж/(K·моль) |
| Теплопроводность | 22,7 /(·) |
| Температура плавления | 2125 |
| Теплота плавления | 19,2 кДж/моль |
| Температура кипения | 4650 |
| Теплота испарения | 567 кДж/моль |
| Молярный объём | 14,1 ³/моль |
| Кристаллическая решётка простого вещества | |
| Структура решётки | гексагональная |
| Параметры решётки | a=3,231 c=5,148 |
| Отношение c/a | 1,593 |
| Температура Дебая | 291 |
| Zr | 40 |
| 91,224 | |
| [Kr]4d25s2 | |
| Цирконий | |
— элемент побочной подгруппы четвёртой группы пятого периода периодической системы химических элементов, атомный номер 40. Обозначается символом
Zr
(лат.
Zirconium
). Простое вещество
цирконий
(CAS-номер: 7440-67-7) — блестящий металл серебристо-серого цвета. Обладает высокой пластичностью, устойчив к коррозии. Существует в двух кристаллических модификациях: α-Zr с гексагональной решёткой типа магния, β-Zr с кубической объёмноцентрированной решёткой типа α-Fe, температура перехода α↔β 863 °C.
Нахождение в природе
Соединения циркония широко распространены в литосфере. В природе распространены главным образом циркон (ZrSiO4), бадделеит (ZrO2) и различные сложные минералы. Во всех земных месторождениях цирконию сопутствует Hf, который входит в минералы циркона благодаря изоморфному замещению атома Zr.
Циркон является самым распространенным циркониевым минералом. Он встречается во всех типах пород, но главным образом в гранитах и сиенитах. В графстве Гиндерсон (шт. Сев. Каролина) в пегматитах были найдены кристаллы циркона длиной в несколько сантиметров, а на Мадагаскаре были обнаружены кристаллы, вес которых исчисляется килограммами.
Бадделеит был найден Юссаком в 1892 г в Бразилии. Основное месторождение находится в районе Посус-ди-Калдас (Бразилия). Там была найдена глыба бадделеита весом около 30 т, а в водных потоках и вдоль обрыва бадделеит встречается в виде аллювиальной гальки диаметром до 7,5 мм, известной под названием фавас (от португальского fava
— боб). Фавас обычно содержит свыше 90 % двуокиси циркония.
Что такое цирконий
Цирконием называют элемент zirconium (Zr). В таблице Менделеева указан его атомный вес 91,22 и номер 40. Входит в состав продуктов питания, камней, руд.
Соединение циркония с кислородом – это металл серебристо-серого цвета. Напоминает нержавеющую сталь, белое золото. До очистки нередко содержит радиоактивные примеси. После удаления должен соответствовать ГОСТу 21907-76. Он непрозрачный, ковкий, вязкий, устойчив к коррозии, не намагничивается, но притягивается сильным полем.
Цирконий в украшениях используется в виде металлических вставок и оправ, для изготовления сережек.
Его также применяют для синтеза фианитов. Это прозрачные камни с бриллиантовой чистотой и сиянием. Темно-серые, графитовые или черные искусственные самоцветы называют черным цирконием.
Фианиты также бывают:
Циркон отличается от металла тем, что это природный драгоценный камень группы силикатов. В его составе есть элемент Zr, отчего минерал используется для извлечения циркония. По окрасу бывает бесцветным (матарский алмаз), золотистым (сиамский), голубым (старлит) и бурым (малакон).
В дополнение смотрите видеообзор в продолжение описания металла:
Подробнее об отличиях циркона, циркония и фианита читайте в статье.
Физико-химические свойства
Цирконий — блестящий серебристо-серый металл. Существует в двух кристаллических модификациях: α-Zr с гексагональной решёткой типа магния (а = 3,231 Å; с = 5,146 Å; z = 2; пространственная группа P63/mmc
Плотность α-циркония (20 °C) 6,5107 г/см³; Tпл — 1855 °C; Tкип — 4409 °C; удельная теплоёмкость (25-100 °C) 0,291 кДж/(кг×К) [0,0693 кал/(г×°C)], коэффициент теплопроводности (50 °C) 20,96 вт/(м×К) [0,050 кал/(см×сек×°C)]; температурный коэффициент линейного расширения (20-400 °C) 6,9×10−6; удельное электрическое сопротивление циркония высокой степени чистоты (20 °C) 44,1 мкОм×см. температура перехода в состояние сверхпроводимости 0,7 К.
Внешняя электронная конфигурация атома циркония 4d25s2. Для циркония характерна степень окисления +4. Более низкие степени окисления +2 и +3 известны для циркония только в его соединениях с хлором, бромом и иодом.
Компактный цирконий медленно начинает окисляться в пределах 200—400 °C, покрываясь плёнкой циркония двуокиси ZrO2; выше 800 °C энергично взаимодействует с кислородом воздуха. Порошкообразный металл пирофорен — может воспламеняться на воздухе при обычной температуре. Цирконий активно поглощает водород уже при 300 °C, образуя твёрдый раствор и гидриды ZrH и ZrH2; при 1200—1300 °C в вакууме гидриды диссоциируют и весь водород может быть удалён из металла. С азотом цирконий образует при 700—800 °C нитрид ZrN. Цирконий взаимодействует с углеродом при температуре выше 900 °C с образованием карбида ZrC. Карбид и нитрид циркония
— твёрдые тугоплавкие соединения;
карбид циркония
— полупродукт для получения хлорида ZrCl4. Цирконий вступает в реакцию со фтором при обычной температуре, а с хлором, бромом и иодом при температуре выше 200 °C, образуя высшие галогениды ZrHal4 (где Hal — галоген). Цирконий устойчив в воде и водяных парах до 300 °C, не реагирует с соляной и серной (до 50 %) кислотами, а также с растворами щелочей (цирконий — единственный металл, стойкий в щелочах, содержащих аммиак). С азотной кислотой и царской водкой он взаимодействует при температуре выше 100 °C. Растворяется в плавиковой и горячей концентрированной (выше 50 %) серной кислотах. Из кислых растворов могут быть выделены соли соответствующих кислот разного состава, зависящего от концентрации кислоты. Так, из концентрированных сернокислых растворов циркония осаждается кристаллогидрат Zr(SO4)2•4H2O; из разбавленных растворов — основные сульфаты общей формулы xZrO2 • ySO3 • zH2O (где х : y > 1). Сульфаты циркония при 800—900 °C полностью разлагаются с образованием двуокиси циркония. Из азотнокислых растворов кристаллизуется Zr(NO3)4 • 5H2O или ZrO(NO3)2 • xH2O (где х = 2-6), из солянокислых растворов — ZrOCl2 • 8H2O, который обезвоживается при 180—200 °C.
История и происхождение названия[ | ]
Цирконий в виде диоксида впервые был выделен в 1789 году немецким химиком М. Г. Клапротом в результате анализа минерала циркона (природного силиката циркония).
В свободном виде цирконий впервые был выделен шведским химиком Берцелиусом в 1824 году[4]. Свободный от примесей чистый цирконий удалось получить лишь более чем через 100 лет (А. ван Аркель, 1925 год).[2]
Происхождение самого слова циркон
неясно. Возможно, оно происходит от арабского
zarkûn
(киноварь) или от персидского
zargun
(золотистый цвет).
Применение циркония и его соединений
В промышленности цирконий стал применяться с 30-х годов XX века. Из-за высокой стоимости его применение ограничено. Единственным предприятием, специализирующемся на производстве циркония в России (и на территории бывшего СССР), является Чепецкий механический завод (Глазов, Удмуртия).
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
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 % и 25 % Zr (сверхпроводимость при 4,2 ) 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.
применяется в виде различных огнеупоров для футеровки стекловаренных и металлургических печей. Он также применяется 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.
Цирконий применяется для изготовления разнообразной посуды, обладающей отличными гигиеническими свойствами благодаря высокой химической стойкости.
Соединения
(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. Нагретый цирконий способен проводить ионы кислорода как твердый электролит. Это свойство используется в промышленных анализаторах кислорода.
ZrB2 — 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.
(т. пл. 3530 °C) важнейший конструкционный материал для твердофазных ядерных реактивных двигателей[
источник не указан 232 дня
].
чрезвычайно твёрд и устойчив к окислению на воздухе до 1650 °C, применяется в авиакосмической технике (двигатели, сопла, реакторы, радиоизотопные электрогенераторы)[
источник не указан 232 дня
].
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.
Каркасы из стоматологических металлических сплавов
Каркас для металлокерамической конструкции делается из сплавов кобальта и хрома, никеля и хрома, используются и драгоценные металлы – золото, платина, палладий. Толщина основы составляет от 0,3 до 0,5 мм, вместе со слоем керамики толщина протеза составляет около 1,5-2 мм.
В отличие от композитных материалов, которые также применяются для реставрации коронок, и намного дешевле, керамика воспроизводит цвет и структуру натуральной зубной ткани, при этом она не тускнеет и не впитывает красящие вещества.
Металлокерамическая зубная коронка – хороший вариант, если необходимо восстанавливать жевательные зубы эстетично и надежно и у вас нет аллергии на металлы. Металлокерамические протезы имеет следующие преимущества:
Но металлокерамические зубные протезы имеют некоторые недостатки:
Избыток циркония в организме
Медики до сих пор не имеют данных о летальной дозе данного элемента для человеческого организма, хотя его передозировка может вызвать негативные последствия. Избыток вызывается при работе на соответствующих производствах, использовании средств индивидуальной гигиены или при проживании около источников, которые загрязняют окружающую среду.
Нужно отметить, что проявлениями передозировки являются следующие симптомы: фиброз легких, пневмония и раздражение покровов кожи. Цирконий – металл, который может накапливаться в органах, при этом оседая на тканях. Из продуктов получить такую большую дозу нереально.
Лечебные свойства камня
Циркониевый материал является биологически инертным и никак не влияет на здоровье людей. Благодаря такому показателю специалисты ценят этот металл больше, чем титан. Примерно 20 лет назад активно рекламировали циркониевый браслет. Но ученые доказали, что состояние здоровья от их ношения не меняется. Были единичные случаи, когда украшение помогало справиться с мигренями. Спустя некоторое время, выяснилось, что самочувствие улучшалось благодаря эффекту плацебо.
Свойство металла нагреваться помогает ему взаимодействовать с серными кислотами. Многих интересует, сколько элементов могут реагировать с циркониевым металлом. Как показывает практика, есть два основных: кислород и галоген.
Получение[ | ]
Информация должна быть проверяема, иначе она может быть поставлена под сомнение и удалена. Вы можете отредактировать эту статью, добавив ссылки на авторитетные источники. Эта отметка установлена 31 августа 2021 года
В промышленности исходным сырьём для производства циркония являются циркониевые концентраты с массовым содержанием диоксида циркония не менее 60—65 %, получаемые обогащением циркониевых руд.
Основные методы получения металлического циркония из концентратов — хлоридный, фторидный и щелочной процессы.
Хлоридный процесс основан на переводе циркония в летучий тетрахлорид ZrCl4 (T
Образовавшийся гексафторцирконат калия выщелачивают горячей водой и очищают фракционной перекристаллизацией от примеси гексафторгафната K2HfF6, после чего металлический цирконий получают электролизом расплава смеси гексафторцирконата калия и хлоридов калия и натрия.
Щелочной процесс является методом получения технически чистого диоксида циркония ZrO2, из которого металлический цирконий получают хлоридным или фторидным методом. В этом процессе цирконий переводится в растворимую форму спеканием концентрата с гидроксидом натрия при 600—650 °С, карбонатом натрия при 900—1100 °С либо со смесью карбоната и хлорида кальция при 1000—1300 °С, после чего образовавшиеся цирконаты натрия Na2ZrO3 или кальция CaZrO3 выщелачиваются соляной либо серной кислотами:
Водные растворы хлорида или сульфата цирконила далее очищаются и гидролизуются, осадок ZrO(OH)2 прокаливают и получают технический диоксид циркония ZrO2.
Цирконий – что это такое и какие у него свойства
Каждая женщина любит носить украшения с камнями, которые делают ее привлекательной – с ними дама приобретает новые черты. Такие ювелирные украшения 100-500 тысяч, а порой и миллионов рублей, поэтому, позволить их себе может далеко не каждый человек. По этой причине широкое распространение приобрели синтетические заменители камней, одним из которых является цирконий. С ним украшение будет выглядеть изысканно, но по сравнению с оригиналом стоимость изделия уменьшится в разы.
Общие сведения о цирконии
Этот элемент относится к побочной подгруппе 4-й группы 5-го периода периодической системы Д. И. Менделеева – атомный номер 40. Цирконий (Zirconium) в обычном виде – блестящий металл, который отличается серебристо-серым цветом, пластичен и устойчив к коррозии. Соединения этого вещества широко распространены в литосфере. В природе известны соединения циркония исключительно с кислородом в виде силикатов, окислов.
Невзирая на то, что цирконий – это рассеянный элемент, известно до 40 минеров, в которых это вещество присутствует в виде солей, окислов. Это универсальный драгоценный камень, но это мнение ошибочно. Хотя, по внешним признакам он схож даже с алмазом. Несколько фактов об этом веществе:
Многие люди путают и считают, что кубический цирконий, циркон, цирконий являются одним и тем же веществом. На деле они все разные, просто по составу схожи друг с другом:
История камня цирконий
По своей привлекательности этот камень не уступает многим драгоценным аналогам. Используется он с давних времен. Во времена доминирования Древней Персии все типы камней были почти обесценены за исключением прозрачных и тех, что имели характерный для алмаза блеск. В странах Азии камень стал талисманом для местных жителей и приезжих русских купцов, которые увозили изделия из циркония (особенно бусы) к себе домой, чтобы пополнить приданное дочерей.
В промышленной области этот тип камня стали использовать лишь с 30-х годов прошлого столетия – широкое применение было существенно ограничено высокой себестоимостью. На сегодня циркон и его различные соединения и сплавы применяются в строительстве, металлургии, медицине и даже ядерной энергетике. Из этого минерала изготавливают костные и зубные протезы, хирургические инструменты.
В прошлом столетии советским ученым, пытавшимся вырастить искусственный алмаз, удалось вырастить искусственный цирконий – его назвали «цирконом» или «фианитом». После сделанного открытия стоимость камня существенно снизилась, т.к. искусственное синтезирование всегда наносит серьезный урон по любой драгоценности. Zirconium по своим характеристикам не уступает многим драгоценным камням, но уже несколько десятилетий занимает нишу в средней ценовой категории.
Разновидности камня
Циркон справедливо считается одним из старейших драгоценных минералов Земли, т.к. ученые установили, что возраст этого элемента достигает 3-4 млрд лет. В настоящее время выделяется несколько видов циркония. Основным критерием такого разделения является разнообразие расцветок камня. Выделяют следующие разновидности:
Кроме того, цирконий бывает представлен в виде металла или порошка – сфера их применения нередко различается. Например, первый применяется для изготовления украшений, а второй – в медицинской, производственной области. Подробнее об этих разновидностях:
При нагреве Zirconium способен изменять цвет, благодаря чему ювелирам удается придать готовым изделиям разнообразные оттенки. Данный минерал бывает:
Физические и химические свойства циркония
В структуре минерала часто имеются примеси других элементов, к примеру, железа, меди, кальция, титана, цинка и др. Чаще циркон преобразуется в кристаллы пирамидальной или призматической формы. В минерале нередко присутствует уран, из-за чего попадаются экземпляры с высоким радиационным фоном. По твердости он уступает конкурентам своей группы – он непрочен на удары, разрыв. При небрежном хранении от камня будут отлетать сколы, что испортит изначальный эстетический вид. Физические и химические свойства:
Способы получения циркония
Камень с металлическим блеском и многообразием оттенков получают опытным путем в специализированных лабораториях. В основу его входит циркон, основные залежи которого находятся на территории Австралии, Бразилии, Вьетнама, Таиланда, Шри-Ланки и некоторых других стран мира. Синтетический камень получают одним из следующих способов:
Лечебные свойства циркония
Компании, специализирующиеся на изготовлении браслетов, стали добавлять в свои изделия частички элемента Zirconium для того, чтобы придать своим товарам лечебные качества с целью увеличения их продаж. Браслеты якобы снижают артериальное давление. Считается, что камень может придавать силу и бодрость на протяжении дня и обеспечить крепкий и здоровый сон ночью. Он не изменяет своих свойств при воздействии с кислотами, поэтому часто используется при изготовлении медицинских инструментов, оборудования. Подробнее о лечебных свойствах:
Многие разновидности камня, по словам специалистов из области литотерапии, положительным образом влияют на работу щитовидной железы и эндокринной системы. При этом разным цветам приписывают разные свойства:
Где применяется цирконий
Основная область применения минерала – это ювелирное дело. Изделия, которые украшены им, отличаются эстетичным и привлекательным видом, ведь по красоте он не уступает алмазу. Особенной востребованностью пользуются серьги и ожерелья с кубическим цирконием. Кроме того, этот камень нередко применяется в качестве муляжа на ювелирных прилавках. Другие области применения:
Цирконий в ювелирных изделиях
Важной для ювелиров особенностью циркония является его более низкая по сравнению с алмазом твердость – 7,5 единиц по шкале Мосса. При огранке минерала, вставка его в изделие производится аккуратно, т.к. неосторожное обращение приведет к появлению сколов и царапин на поверхности. По этой причине изделия с этим камнем требуют бережного отношения и при носке. Соответствующая огранка позволяет сделать этот минерал ничем не хуже баснословно дорогих бриллиантов.
Циркониевая группа камне встречается практически во всех современных ювелирных изделиях. Эти самоцветы часто обрамляют в перстнях и кольцах. Они блистают в диадеме, серьгах, кольев, свадебных ансамблях. Нередко их используют для украшения подвесок, кулонов. Львиная доля золотых украшений с циркониевыми самоцветами производится в Шри-Ланке, недалеко от одного из мест наибольшей концентрации минерала. Покупая изделие с цирконием, важно отличать подлинный камень, который обладает следующими качествами:
Магические свойства циркония
Широкое распространение приобрели амулеты, кулоны, талисманы и прочие украшения из камня Zirconium. Издавна он считался наделенным способностью приносить богатство и успех своему владельцу. В древние времена минерал был достоянием мудрецов, считалось, что он приносил им знание будущего, дар прозорливости и возможность проникать в мысли и внутренний мир других людей. Носимый как амулет циркон служил защитой от лжецов и недобрых людей, развивал наблюдательность и память.
Минерал Zirconium имеет множество магических свойств. В Древней Индии считалось, что он способен управлять солнцем и луной. Этот камень широко применяется в разных областях промышленного производства, к тому же, он считается идеальным талисманом для бизнесменов, работников умственного труда, путешественников. Он может служить даже защитным амулетом для влюбленных, укрепляя душевную и эмоциональную связь между людьми. Амулет из гиацинта поможет путешественникам и военным сохранить свое здоровье, жизнь.
Цирконий в астрологии
Всевозможные кулоны, украшения, талисманы с циркониевыми самоцветами подходят многим знакам зодиака. Он идеален для Овнов, Козерогов, Водолеев, а вот для Тельцов, Весов, Стрельцов, Раков он не подходит, подробнее: