цирконий для чего используется
Цирконий – полезные свойства и опасность металла
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:
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.
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:
В США и на Мадагаскаре находят образцы циркона ювелирных либо коллекционных кондиций. В Хибинах – эвдиалиты.
Технология получения
Промышленное производство нацелено на получение металлического циркония.
Кристаллы 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:
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:
Его добавляют к керамико-металлическим покрытиям для повышения их химической стойкости.
Фианиты
Кубическая модификация диоксида циркония плюс микродозы редкоземельных металлов – основа при производстве фианитов.
Фианит
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:
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:
В стоматологии керамику на основе циркония ставят выше титановой: она служит пожизненно.
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:
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.
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.
Стоимость продукции из циркония определяется видом (руб./кг):
Разброс цены объясняется характеристиками товара (марка изделия, степень обработки, величина партии).
Виды, значение и применение циркония
Цирконий свое название получил от минерала циркона, в составе которого он содержится. Его относят к рассеянным химэлементам, то есть не встречающимся в естественной среде. Как химический элемент был получен шведским химиком Берцелиусом в 1824 году.
Уникальные свойства циркония, удивительное сияние, сравнимое с блеском бриллиантов, поставили этот минерал в один ряд с самыми красивыми самоцветами. Ювелиры всего мира охотно используют его.
Свойства циркония
В чистом виде цирконий в природе не существует, он химически неустойчив. Сейчас его получают промышленным путем из оксидов.
Химические характеристики
Химические свойства циркония имеют много общего с гафнием. Застывший после выплавки металл на воздухе покрывается пленкой, образующейся в результате окисления поверхности циркония, и становится устойчивым к воздействию ряда кислот и щелочей. Правда, нагреваясь, он утрачивает эту устойчивость, и с разной скоростью начинает взаимодействовать с царской водкой (смесью азотной и соляной кислотами), в отдельности с каждым из указанных веществ, с серной, ортофосфорной, щавелевой кислотами. При нагревании выше 250 ⁰С поглощает водород с образованием гидридов, которые проявляют металлические свойства.
При взаимодействии с галогенами образуются галогениды циркония. При температуре более 500 ⁰С получаются оксиды (Zr6O, Zr3O, ZrO2), по этой причине плавление циркония осуществляется в условиях вакуума или в инертном газе аргоне.
Физические свойства циркония
Цирконий — вещество пластичное, допускающее механическую обработку, он легко плавится в безвоздушной атмосфере (в условиях вакуума или при наличии инертных газов).
В следующей таблице показаны физические свойства циркония:
| Температура плавления | 1855 °С |
| Температура кипения | около 4350 °С |
| Теплопроводность | 23,86 Вт/(м x К) |
| Модуль упругости | 95–97 ГПа |
| Температура рекристаллизации | 750 °С |
| Жесткость по Виккерсу | 600–1700 МПа |
| Относительное удлинение при t 20 °С), | 0.25 |
| Относительное сжатие (20 °С). | 0.45 |
Минералы с содержанием циркония
По глубине залежей ученые пришли к выводу, что цирконий — почти ровесник Земли. Он образовался 3–4 млрд лет назад, и его соединения распространены в литосфере. Химически неустойчивый металл цирконий под действием определенных условий соединился с другими элементами — силикатами, широко распространенными в структуре земли, или с кислородом, образовав многочисленные устойчивые вещества — соли и оксиды.
Серьги с цирконием
Циркон (ZrSiO4) — это камень, в котором содержатся атомы химического элемента циркония, или циркониевая соль ортокремниевой кислоты. В природе встречаются такие цирконии:
Прозрачность и оттенок камня во многом зависят от примесей, содержащихся в нем. Цирконий — это драгоценный камень, блеском своим напоминающий бриллиант. Некоторые полупрозрачные камни также находят применение в ювелирной отрасли. А в основном они, а также непрозрачные, используются в промышленности в качестве руды.
Бадделеит (ZrO2) — оксид циркония. Применяется в качестве добавки при изготовлении керамики и огнеупорных строительных материалов. Впервые был обнаружен на Шри-Ланке. В России добывается в Мурманской области. Этот сравнительно недорогой минерал служит сырьем для выращивания искусственных алмазов — фианитов. Синтетические алмазы получают двумя способами:
Искусственные алмазы нашли применение преимущественно в производстве режущих инструментов. Сейчас 97 % алмазов, применяемых в приборо- и станкостроении, — фианиты.
Ювелиры тоже проявили интерес к новому материалу, почти не отличающемуся от натуральных алмазов. Они стали применять фианиты в изготовлении относительно недорогих ювелирных украшений.
Эвдиалит (Na4(CaSeFeMn)2ZrSi6O17(OHCl)2) — минерал с более сложной химической структурой, содержащий десяток различных химических элементов. Еще его называют цирконосиликатом. На Кольском полуострове, где он добывается, получил название «лопарская кровь».
Кольцо с цирконием
Применяется в качестве руды для получения циркония или редкоземельных металлов. Ювелиры используют этот минерал в изготовлении кабошонов — шлифованных выпуклых камней, вставляемых в оправу при изготовлении браслетов, брошей, ожерелий, перстней и др.
Лечебные свойства
Малакон, одна из разновидностей циркония, обладает слабой радиационной активностью, помогает при головных болях, нормализует артериальное давление, снимает умственную усталость, дает возможность сосредоточиться, избавляет от костных воспалений. Считается, что малакон — это камень ученых. В природе встречаются камни от темно-коричневого до оливкового цвета. Есть и черный малакон.
Виды циркония
В зависимости от соединений, оказавшихся в кристаллической решетке отдельных минералов, циркон имеет разную окраску и оттенки.
Так, в природе встречаются камни красные, зеленые, коричневые, малиновые, оранжевые и др. Различные цвета придают содержащиеся примеси меди, алюминия, титана, цинка и железа. Почти во всех камнях присутствуют соединения гафния, соседствующего с цирконием в одной химической группе.
Известны следующие разновидности цирконов:
Амулеты и талисманы
Использование амулетов и талисманов восходит к глубокой древности. Издавна было замечено, что изделия из циркония обладают магической и целебной силой.
Можно предположить, что магические и целебные свойства цирконов связаны именно с радиационным излучением. Нельзя исключать того, что с помощью этих камней или магических шаров, изготовленных из разновидностей циркона, маги воздействовали на волю людей. Цирконий — это камень священников и правителей. Великий магистр одного из масонских орденов обязан носить на пальце перстень с цирконом.
Как отличить подделку от настоящего циркона?
Анализ драгоценных камней и металлов осуществляется в геммологическом центре. Наличие сертификата этой организации служит гарантией подлинности ювелирных материалов. Такой документ может быть у ювелиров, закупающих камни для своей работы. Но как понять, что приобретаемое изделие изготовлено из того материала, который назван в сертирификате, и оно соответствует заявленной цене?
Ни для кого не секрет, что некоторые недобросовестные ювелиры нередко фианиты выдают за натуральные алмазы и цирконы, а ограненные цирконы продают как бриллианты. Прозрачные цирконы — большая редкость, и они ненамного дешевле бриллиантов, поэтому их редко выдают за «короля камней». Зато фианит в этом отношении — отличный материал.
Это только на первый взгляд камни абсолютно идентичны. Если присмотреться внимательнее, в цирконе можно заметить вкрапления и пустоты. В отличие от бриллианта и фианита, даже у самого прозрачного циркона блеск камней имеет желтовато-золотистый оттенок за счет этих образований. Именно поэтому в Персии его назвали золотистым. Фианит имеет ровную структуру и ровный блеск. В отличие от него, у циркона небольшая плотность и, соответственно, более легкий вес.
Природные камни, содержащие цирконий, в большинстве своем радиоактивны. Например, зеленые цирконы и черные эвдиалиты нельзя носить на груди и на шее. Сережки из этих камней также могут представлять опасность для здоровья.
У прозрачного и золотистого циркона радиоактивность минимальна, однако прибор ее ощущает и может указать как на отличие от «нулевого» фианита.
Как ухаживать за цирконием?
В отличие от бриллиантов, царапающих даже стекло, циркон — камень мягкий. Поэтому украшения с ним необходимо оберегать от механических повреждений. Желательно их хранить отдельно от других украшений. Цирконы весьма чувствительны к бытовой химии. Мыть их можно только слабо мыльным раствором и протирать мягкими салфетками или фланелевой тканью.
Множество разновидностей циркониев позволят выбрать тот камень, который больше нравится. Только придется оберегать изделия с ним от агрессивной среды и соприкосновений с чем-то твердым.
Цирконий металл. Описание и свойства циркония
Описание и свойства циркония
В природе этот металл распространен в виде химических природных соединений – окислов или солей, которых известно более сорока. В 1789 г. немецкий химик Клапрот из камня гиацинта – драгоценной разновидности циркона, выделил окисел циркония. Долгое время ученым не удавалось получить чистый металл, и лишь в 20-х годах XX века опыты увенчались успехом.
Металлический цирконий был получен методом «наращивания», при котором он откладывался в чистом виде на вольфрамовой раскаленной нити. Цена металла цирконий, полученного таким способом, оказалось довольно высокой. Был разработан более дешевый промышленный способ – метод Кролля, при котором вначале происходит хлорирование двуокиси циркония, а затем восстановление металлическим магнием.
Полученную в результате циркониевую губку переплавляют в прутки и направляют потребителю. Кроме хлоридного способа, существуют и другие основные промышленные способы добычи циркония – щелочной и фторидный. Оказалось, что металл цирконий свойства имеет очень интересные. Как типичный представитель своей группы металлов он обладает довольно высокой химической активностью, только проявляется она не в открытой форме.
Под воздействием воды цирконий не поддается окислению, как многие металлы, а покрывается нерастворимой пленкой, предохраняющей его от коррозии. Компактный цирконий металл фото отличается высокой жаростойкостью, устойчивостью к воздействию аммиака, кислот, щелочей, хорошо задерживает радиацию. Совсем по-другому проявляют себя на воздухе циркониевые стружка и порошок. Эти вещества даже при комнатной температуре могут легко самовоспламениться и нередко взрываются.
Цирконий образует сплавы со многими металлами. Добавления его в небольшом количестве значительно улучшает их характеристики – увеличивает прочность, стойкость к коррозии. В то же время добавки других металлов к цирконию только ухудшают его свойства и поэтому применяются крайне редко.
Месторождения и добыча циркония
Рудные залежи циркония рассеяны в разных местах планеты. Он встречается в виде аморфных окислов, солей, а также больших монокристаллов, вес которых иногда бывает свыше одного килограмма. Богатые запасы руды расположены в Австралии, Северной Америке, Западной Африке, Индии, ЮАР, Бразилии. В России существенные запасы циркониевого сырья сосредоточены на Урале и в Сибири.
Наиболее значительное использование в промышленности имеют циркон, силикат циркония, двуокись циркония, бадделеит. Самым распространенным циркониевым минералом на планете является циркон. Он знаком человечеству с древнейших времен. В Средние века ювелиры нередко изготавливали украшения из «несовершенных алмазов» – так называли в те времена цирконы. После огранки они были более мутными, сияли и переливались не так, как натуральные алмазы.
Встречаются опасные радиоактивные цирконы, ношение украшений из которых очень плохо влияет на здоровье. Более безопасными считаются камни небольших размеров, слабо окрашенные и относительно прозрачные. Цирконы бывают различной окраски. Так, гиацинт может быть медово-желтого, красного, розового цвета, старлайт – небесно-голубого.
Часто в руде цирконий соседствует с гафнием, который по свойствам близок к нему. Отдельно каждый из этих металлов имеет привлекательные характеристики, но совместное присутствие делает их непригодными для использования. Чтобы их разделить, используют многоступенчатую очистку, которая значительно удорожает производство пластичного циркония.
Применение циркония
Цирконий металл лечебные свойства
Для лечения переломов костей в клиниках травматологии применяют имплантаты из циркониевых сплавов. По сравнению с титановыми и нержавеющими они обладают значительными преимуществами: биологической совместимостью (отсутствием аллергической реакции и отторжения), высокой коррозионной стойкостью, прочностью, пластичностью, легкостью.
В челюстно-лицевой хирургии используют циркониевые инструменты и имплантаты, такие как скобы, пластины, сверла, винты, зубные протезы, кровоостанавливающие зажимы, нити для наложения швов. Цирконий и его сплавы не вызывают раздражения при воздействии на кости и ткани.
Цирконий металл в ювелирных изделиях благотворно влияет на общее состояние организма человека. Установлено, что ношении циркониевых сережек после прокалывания уха способствует быстрому заживлению ранки и никогда не вызывает ее загнивания.
При регулярном ношении изделия из циркония оказывают положительное действие на здоровье. Хорошие результаты дает ношение циркониевых браслетов и поясов при таких заболеваниях кожи, как экземы у детей и взрослых, дерматиты, псориазы. Наступает значительное улучшение состояния у больных, имеющих проблемы в опорно-двигательном аппарате.
Цена циркония
Металл продается на килограмм. Поставляется в виде трубы, прутка, полосы, проволоки, листа и др. Стоимость зависит от фирмы-изготовителя и марки изделия.
Цирконий — что за химический элемент
Что за химический элемент?
Цирконий входит в состав циркона. Некоторые минералоги считают, что свое имя он получил от своего «родителя». А другая группа ученых утверждает, что понятие цирконий восходит к арабскому языку. Его можно перевести как «киноварь» или серебряный цвет.
Цирконий считается рассеянным химическим элементом, так как отдельно он не встречается в естественной среде. В природе геологи его находят как силикат либо оксид. Существование циркония было доказано в начале XVIII века Берцелиусом – химиком из Швеции. Атомный номер циркония – 40. Химический элемент в таблице обозначен символом Zr (латинское название Zirconium).Киноварь как металл был получен в начале XX столетия в лабораторных условиях из циркона. Он представляет собой прутья серебристо-белого цвета.
Свойства металла
Цирконий, полученный искусственным путем – это серебристо-белый металл. Внешний вид киновари схож со сталью. Металл обладает уникальными свойствами, которых нет ни у одного природного образования.
Физические
Киноварь обладает такими физическими свойствами:
А еще металл серебряного цвета обладает пластичностью, он способен плавится в вакууме и в инертных газах.
Химические
Самое главное химическое свойство циркония – высокая устойчивость к коррозии даже при нахождении в кислотах и щелочах. Но эта способность снижается при воздействии высоких температур. Еще металл серебряного цвета может образовывать сплавы с другими химическими элементами.
Биологические
Киноварь имеет и биологические свойства. Она оказывает огромное положительное влияние на человеческий организм. Хорошая жизнедеятельность некоторых органов зависит от циркония, ведь он является биоэлементом и входит в структуру их клеток. Эти данные были получены отечественными физиологами совсем недавно во время проведения дополнительных исследований химического элемента. Все положительные качества циркония изучаются постепенно, практически ежегодно становятся известны новые факты о металле серебряного цвета.
Во многих ведущих клиниках, специализирующихся на челюстно-лицевой хирургии и травматологии, применяется новейший метод. Он заключается в применении специальных фиксаторов при множественных переломах костей. Эти приспособления скрепляют обломки, исключают сдвиги частей кости. Это способствует более быстрому срастанию тканей, следовательно, скорейшему заживлению переломов. Данные фиксаторы изготовляют из циркония. Так же сплавы из титана, нержавеющей стали, киновари используют при создании различных винтов, скоб, пластин, креплений, которые применяют в хирургии и даже при операциях на головном и спинном мозге.
Имплантанты из сплавов киновари имеют множество преимуществ перед другими материалами:
Сплавы благодаря своей уникальной структуре имеют невысокую плотность, поэтому изделия из них имеют облегченную массу. Это качество так же ценно при изготовлении фиксаторов. Ко всему вышеперечисленному можно добавить то, что пластичность металла серебряного цвета позволяет создавать приспособления, полностью соответствующие контуру поврежденной кости.
Киноварь не раздражает окружающие ее мягкие и косные ткани, а наоборот оказывает благотворное влияние на них. Медиками было установлено, что циркониевые сережки (вдетые сразу после проведения миниоперации) способствуют быстрому заживлению ранок на мочках уха после прокалывания. Процесс идет намного быстрее, чем при ношении изделий из золота.
Если постоянно носить украшения из металла серебряного цвета, то в скором времени отмечается улучшение общего физического состояния. А метеозависимые люди перестают остро реагировать на перепады температуры и магнитные бури. Уже опытным путем врачами установлено, что циркониевые изделия обладают такими лечебными свойствами:
Даже при зубном протезировании опытные стоматологи рекомендуют выбирать материалы из киновари.
Но не стоит забывать, что циркониевые изделия не являются панацеей от всех болезней. Обязательно надо выполнять все назначения лечащего врача и принимать лекарства. А киноварь усилит действие препаратов традиционной медицины.
Способы производства
Сырьем для промышленного производства металла серебряного цвета стал минерал циркон. Вначале полезное ископаемое проходит этап обогащения при помощи гравитационного способа, совмещенного с очищением руды сепарацией (электростатической и магнитной). Этот процесс заключается в спекании концентрата с известью, карбонатом кальция, содой при высоких температурах. Затем удаление из спека соединений кремния. Дальнейшее разложение соляной или серной кислотой, получение циркония из кислых растворов.
Существуют и другие способы получения киновари из цирконовых руд, но они нерентабельны из-за высокой себестоимости.
Применение циркония
Металл серебряного цвета используется в разных производственных отраслях.
Металл серебряного цвета применяется в медицине, о чем подробно было рассказано выше. А так же при изготовлении эксклюзивной посуды, которая стоит достаточно дорого. Но она обладает прекрасными гигиеническими свойствами. Всемирно известные модельеры создают авторские ткани, обладающие влагоотталкивающим свойством. Оказывается, его обеспечивают соли циркония, входящие в состав эмульсии, которой пропитывают материал. Киноварь применяют при изготовлении некоторых типографских красок и специальных лаков.
Цирконий нашел свое применение и в промышленном масштабном производстве, и в небольших мастерских, в которых мастера создают авторские вещи.
Минералы с содержанием циркония
Минералоги знакомы с полезными ископаемыми, содержащими киноварь:
В природе пока не обнаружено еще минералов, имеющих в своем составе цирконий. Совсем недавно было установлено, что морская вода так же содержит соединения циркония. Но ученые пока не научились выделять металл из жидкости.
Уход за цирконием
Киноварь требует к себе бережного отношения. На нее могут плохо воздействовать активные и абразивные вещества, содержащиеся в бытовой химии. Поэтому циркониевые изделия моют исключительно в мыльном растворе, а затем держат несколько минут под струей прохладной воды. Предметы не стоит держать под прямыми солнечными лучами. Поэтому их не рекомендуется брать с собой в поездку к морю.
Стоимость за грамм
Австралийский Союз и Южно-Африканская Республика уже давно являются основными поставщиками циркония на мировой рынок. Спрос на металл постоянно увеличивается. А количество поставляемого материала остается примерно на одном уровне. Поэтому его стоимость постоянно увеличивается.
На данный момент цена грамма киновари составляет около 100-200 рублей.
Цирконий знаком человеческому обществу уже столетие, но он до сих пор не открыл людям все свои тайны. Неясно, почему химический элемент получил свое имя, каково полное влияние металла на живой организм. Наверно известны не все серы, в которых можно применять удивительный металл серебряного цвета.