História cirónia, vlastnosti, štruktúra, riziká, použitie

On zirkón Je to kovový prvok, ktorý sa nachádza v skupine 4 periodickej tabuľky a ktorý je predstavovaný chemickým symbolom ZR. Patrí do rovnakej titánovej skupiny, ktorá je pod týmto a nad Hafnio.

Jeho meno nemá nič spoločné s „cirkusom“, ale so zlatou alebo Atriferovou farbou minerálov, kde bol prvýkrát rozpoznaný. V zemskej kôre a v oceánoch sú ich atómy tvare iónov spojené s kremíkom a titánom, preto je súčasťou pieskov a štrkov.

Kovový zirchonový bar. Zdroj: Danny Peng [CC BY-SA 3.0 (https: // creativeCommons.Org/licencie/By-SA/3.0)]

Môže sa však nachádzať aj v izolovaných mineráloch; Medzi nimi je zirkón, orthosilikát cironia. Môžeme tiež spomenúť Baddeleyita, ktorá zodpovedá formálnemu mineralogickému oxidu, Zro₂, nazývané okolnosti. Je prirodzené, že tieto mená: „Circonio“, „Circón“ a „Circona“ sa prelínajú a spôsobujú zmätok.

Jeho objaviteľom bol Martin Heinrich Klaproth v roku 1789; Zatiaľ čo ho prvým človekom, ktorý ho izoloval, v Imbure a Amorfous, bol Jöns Jakob Berzelius v roku 1824. O niekoľko rokov neskôr boli procesy improvizované, aby sa získali viac vzoriek čistoty a ich aplikácie sa zvýšili, keď prehĺbili svoje vlastnosti.

Zirkónom je strieborný biely kov (vynikajúci obraz), ktorý má vysokú odolnosť proti korózii a vysokú stabilitu proti väčšine kyselín; Okrem fluorhorórnej a horúcej kyseliny sírovej. Je to nettoxický prvok, aj keď môže ľahko vystreliť vzhľadom na svoju pyroporici.

Z zirkónium, jeho oxidu a jeho zliatiny, materiálov, ako sú Crosols, liate formy, nože, hodinky, potrubia, reaktory, falošné diamanty, boli vyrobené okrem iného. Preto spolu s titánom, špeciálnym kovom a dobrým kandidátom v čase navrhovania materiálov, ktoré musia odolávať nepriateľským podmienkam.

Na druhej strane, zo zirkónium bolo možné navrhnúť materiály pre vylepšené aplikácie; Napríklad: organometalické rámce alebo organické kovové rámce, ktoré môžu okrem iného slúžiť ako heterogénne, absorpčné, molekuly, priepustné tuhé látky, priepustné tuhé látky.

[TOC]

História

Uznanie

Staroveké civilizácie už poznali minerály zirkónia, najmä zirkón, ktorý je prezentovaný ako zlaté drahokamy farby podobnej zlata; Odtiaľ odvodil svoje meno zo slova „Zargun“, čo znamená „zlatú farbu“ kvôli minerálu Gergona, zloženého zo zirkónu (orthosilikát obriezky), bol jeho oxid rozpoznávaný prvýkrát.

Toto uznanie vykonalo nemecký chemik Martin Klaproth v roku 1789, keď študoval vzorku vzorky od Sir Lanka (vtedy nazývanú Isla de Ceilán) a ktorá sa rozpustila s alkaliou. Tento oxid dal meno Cirkona a zistil, že predstavuje 70% minerálu. Zlyhal však vo svojich pokusoch o jeho zredukovanie na svoju kovovú formu.

Izolácia

Sir Humphrey Davy sa tiež snažil. Až v roku 1824, keď švédsky chemik Jacob Berzelius získal amorfný a nečistý obvod, čím sa zahrieva zmes jeho fluoridu draselného (₂Zrf₆) S kovovým draslíkom.

Berzelius obvody však boli zlým vodičom elektrickej energie, okrem toho, že bol neúčinným materiálom pre akékoľvek použitie, ktoré by mohli ponúknuť ostatné kovy.

Proces kryštalického baru

Zirkónia zostalo zabudnuté na storočie, až do roku 1925 holandskí vedci Anton Eduard Van Arkel a Jan Hendrik de Boer vymysleli proces kryštalickej tyčinky na získanie kovového obklopovania väčšej čistoty.

Tento proces pozostával z zahrievania tetrayoduro cirónia₄, Na žiarovke volfrámu, takže ZR⁴⁺ nakoniec sa znížil na ZR; Výsledkom bolo, že volfrámu pokrývala krištáľový kryštalický pruh (podobne ako pri prvom obrázku).

Krupice

Nakoniec bol proces Kroll použitý v roku 1945 na získanie kovového obvodu₄, Namiesto tetrayoduro.

Fyzikálne a chemické vlastnosti

Fyzický vzhľad

Lesklý povrch a strieborná farba. Ak je oxidovaný, stáva sa tmavo šedú. Jemne rozdelený je šedý a amorfný prach (povrchne povedané).

Atómové číslo

40

Molárna hmota

91 224 g/mol

Bod topenia

1855 ° C

Bod varu

4377 ° C

Teplota

330 ° C

Hustota

Pri teplote miestnosti: 6,52 g/cm³

V bode topenia: 5,8 g/cm³

Fúzne teplo

14 kJ/mol

Odparovanie

591 kj/mol

Kapacita moláru

25,36 J/(mol · k)

Elektronegativita

1.33 v Pauling Scale

Ionizačné energie

-Prvé: 640,1 kJ/mol (ZR⁺ plyn)

-Po druhé: 1270 kJ/mol (ZR²⁺ plyn)

-Tretie: 2218 KJ/mol (ZR³⁺ plyn)

Tepelná vodivosť

22,6 w/(m · k)

Elektrický odpor

421 NΩ · m pri 20 ° C

Mohs tvrdosť

5.0

Môže vám slúžiť: bromid sodný (NABR)

Reaktivita

Zirkónom je nerozpustné takmer vo všetkých silných kyselinách a základoch; zriedené, koncentrované alebo v horúcom. Je to kvôli jej ochrannej vrstve oxidu, ktorá sa rýchlo formuje, keď je vystavená atmosfére, pokrýva kov a bráni jeho behu. Je však veľmi rozpustný v kyseline fluórhy a mierne rozpustný v kyseline sírovej.

Za normálnych podmienok nereaguje s vodou, ale s jej výparmi pri vysokých teplotách na uvoľnenie vodíka:

Zr + 2 h₂O → Zro₂ + 2 h₂

A tiež reaguje priamo s halogénmi pri vysokých teplotách.

Elektronická štruktúra a konfigurácia

Kovový odkaz

Atómy cirónia navzájom interagujú vďaka svojej kovovej väzbe, ktorá sa riadi ich valenčnými elektrónmi, a podľa ich elektronickej konfigurácie sa nachádzajú na orbitáloch 4D a 5S:

[KR] 4D² 5s²

Zirkónom má preto štyri elektróny, ktoré tvoria pásy Valencia S a D, produkt prekrývania orbitálov 4D a 5S, všetkých atómov ZE skla. Všimnite si, že je to v súlade so skutočnosťou, že zirkónom je umiestnené v skupine 4 periodickej tabuľky.

Výsledkom tohto „mora elektrónov“, šíreného a premiestneného vo všetkých smeroch skla, je súdržná sila, ktorá sa odráža v relatívne vysokom bode topenia (1855 ° C) zirkónium v ​​porovnaní s iným kovom.

Kryštalické fázy

Podobne je táto sila alebo kovová väzba zodpovedná za nariadenie atómov ZR na definovanie kompaktnej hexagonálnej štruktúry (HCP); To je prvá z jeho dvoch kryštalických fáz označených ako a-ZR.

Medzitým sa druhá kryštalická fáza, p-ZR, kubickej štruktúry vycentrovanej v tele (BCC), sa objaví, keď sa zirchón zahrieva na 863 ° C. Ak sa tlak zvyšuje, štruktúra BCC β-ZR skončí skreslenie; Deformuje sa pri zhutnení a skrátení vzdialenosť, ktorá oddeľuje atómy ZR.

Oxidácia

Konfigurácia elektronickej sady raz odhalí, že jeho atóm je schopný stratiť až štyri elektróny, ak je kombinovaný s viac elektronegatívnymi prvkami ako on. Ak sa predpokladá existencia katiónu ZR⁴⁺, Ktorej hustota iónového zaťaženia je veľmi vysoká, potom bude jeho počet alebo oxidačný stav +4 alebo Zr (IV).

V skutočnosti je to hlavný a najstabilnejší z jeho oxidačných čísel. Napríklad nasledujúca séria zlúčenín má zirkónom ako +4: zro₂ (Zr⁴⁺Ani₂^2-), Zr (wo₄)₂,  Zrbr₄ (Zr⁴⁺Br₄^-) a zri₄ (Zr⁴⁺Jo₄^-).

Zirkónom môže mať aj ďalšie pozitívne oxidačné čísla: +1 (ZR⁺), +2 (zr²⁺) a +3 (zr³⁺); Ich zlúčeniny sú však veľmi zriedkavé, takže sa takmer nezohľadňujú, keď sa diskutuje o tomto bode.

Oveľa menej sa považuje za zirkónia s negatívnymi oxidačnými číslami: -1 (ZR^-) a -2 (zr^2-), za predpokladu existencie takýchto „aniónov„ obvodu.

Aby boli podmienky špeciálne, prvok, s ktorým je kombinovaný, musí mať nižšiu elektronegativitu ako v zirkónii, alebo musí byť spojený s molekulou; Rovnako ako v prípade aniónového komplexu [ZR (CO)₆]^2-, v ktorom je šesť molekúl CO koordinovaných s centrom ZR^2-.

Kde je to a získajte

Zirkón

Robustné okolnosti vložené do kremeňa. Zdroj: Rob Lavinsky, Irocks.com-ccy-SA-3.0 [CC By-SA 3.0 (https: // creativeCommons.Org/licencie/By-SA/3.0)]

Zirkónia je značne hojným prvkom v zemskej kôre a mori. Jeho hlavnou rudou je Circón Mineral (Superior Image), ktorého chemické zloženie je Zrsio₄ alebo zro₂· SIO₂; Av menšej miere, kvôli jeho nedostatku, minerálu Baddeleyita, ktorý je takmer úplne zložený₂.

Zirkónom vykazuje silnú geochemickú tendenciu spájať sa s kremíkom a titánom, takže obohacuje piesky a štrky oceánskych pláží, aluviálne ložiská a pôdy jazerá, ako aj vyvratné horniny, ktoré neboli erodované.

Kroll liečba a proces

Preto sa Circón's Crystals musia najprv oddeliť od kryštálov Rutilo a Ilmenita, strýko₂, A tiež od tých z Quartz, SIO₂. Z tohto.

Potom sa oxidy titánu oddeľujú použitím magnetického poľa, až kým zostávajúca tuhá látka nebude zložená iba z Zirch (už bez chlapa₂ Ani SIO₂). Urobil to, plynný chlór sa používa ako redukčný činidlo na transformáciu ZRO₂ do ZRCL₄, Rovnako ako v prípade titánu v procese Kroll:

Zro₂ + 2cl₂ + 2c (900 ° C) → ZRCL₄ + 2co

A nakoniec, ZRCL₄ Zníži sa s roztaveným horčíkom:

ZrCl₄ + 2 mg (1100 ° C) → 2MGCL₂ + Zr

Dôvod, prečo sa priame redukcia nevykonáva zo ZRO₂ Je to preto, že sa môžu formovať karbidy, ktoré sa dajú ešte ťažšie znížiť. Generovaná špongia zirkónia sa premyje roztokom kyseliny chlorovodíkovej a topí sa pod inertnou atmosférou hélia, aby bola schopná vytvárať kovové zirkónové tyče.

Môže vám slúžiť: Molekulárna geometria: Koncept, typy a príklady

Oddelenie zirkónium hafnium

Zirkónom má vo svojom zložení nízke percento (1 až 3%) v dôsledku chemickej podobnosti medzi jeho atómami.

To samo o sebe nepredstavuje žiadny problém pre väčšinu svojich aplikácií; Hafnio však nie je transparentný s neutrónmi, zatiaľ čo Zirchon áno. Preto musí byť kovové zirkónia očistené z Hafnioových nečistôt, aby sa mohli použiť v jadrových reaktoroch.

Na dosiahnutie tohto cieľa sa frakcionované techniky separácie zmesí, ako je kryštalizácia (ich fluoridové soli) a destilácia (ich tetrachloridy) a extrakcia kvapaliny-kvapaliny sa používajú pomocou ketónu metylizobutil a vodných rozpúšťadiel.

Izotopy

Zirkónom sa nachádza na Zemi ako zmes štyroch stabilných izotopov a jeden rádioaktívny, ale s takým veľkým polovičným životom (tón_1/2= 2,0 · 10¹⁹ roky), čo je prakticky rovnako stabilné ako ostatné.

Týchto päť izotopov s ich výskytmi je uvedených nižšie:

-⁹⁰ZR (51,45%)

-⁹¹ZR (11,22%)

-⁹²ZR (17,15%)

-⁹⁴ZR (17,38%)

-⁹⁶ZR (2,80%, vyššie uvedené rádioaktívne)

Je priemerná atómová hmotnosť 91 224 U, ktorá sa nachádza bližšie k ⁹⁰Zr ako ⁹¹Zr. To ukazuje „váhu“, ktorú majú izotopy väčšej atómovej hmoty, keď sa berú do úvahy pri výpočte váženého priemeru.

Okrem ⁹⁶ZR existuje v prírode ďalší rádioizotop: ⁹³Zr (tón_1/2= 1,53 · 10⁶ roky). Je to však v stopách množstiev, takže jeho príspevok k priemernej atómovej hmotnosti, 91 224 alebo, je opovrhnutiahodné. Preto zirkónia nie je ani zďaleka katalogizácia ako rádioaktívny kov.

Okrem piatich prírodných izotopov zirkónia a rádioizotopu ⁹³Zr, ďalšie umelé boli vytvorené (doteraz 28), z ktorých ⁸⁸Zr (tón_1/2= 83,4 dní), ⁸⁹Zr (tón_1/2= 78,4 hodín) a ¹¹⁰Zr (30 milisekúnd).

Riziká

Kov

Zirkónom je relatívne stabilný kov, takže žiadna z jeho reakcií nie je energická; Pokiaľ nie ste ako jemne rozdelený prach. Keď je povrch obvodového hárku zoškrabaný brúsnym papierom, prepúšťa žiarovky z dôvodu jeho pyroporitnosti; Ale tieto sa okamžite zhasnú vo vzduchu.

Čo však predstavuje potenciálne riziko požiaru, je zahriatie prášku zirkónia v prítomnosti kyslíka: horí s plameňom, ktorý má teplotu 4460 ° C; Jeden z najhorúcejších známych pre kovy.

Rádioaktívne izotopy cirónia (⁹³Zr a ⁹⁶Zr), emit žiarenia takej nízkej energie, ktoré sú neškodné pre živé bytosti. Povedal, že všetko vyššie je možné potvrdiť momentmi, že kovové zirkónia je nettoxický prvok.

Ión

Circonium Ions, Zr⁴⁺, Môžu byť široko šírené v prírode v určitých potravinách (zelenina a celozrnná pšenica) a organizmy. Ľudské telo má priemernú koncentráciu 250 mg zirkónia a doteraz neexistujú žiadne štúdie, ktoré by ho spojili so symptómami alebo chorobami kvôli miernej nadmernej konzumácii.

Zr⁴⁺ Môže to byť škodlivé v závislosti od vašich sprievodných aniónov. Napríklad ZRCL₄ Pri vysokých koncentráciách sa ukázalo ako smrtiaca pre potkanov, tiež ovplyvňujúcich psov, pretože znižuje počet ich červených krviniek.

Soli Circonium dráždia oči a hrdlo a závisí od jednotlivca, či môžu kožu dráždiť alebo nie. Pokiaľ ide o pľúca, u tých, ktorí ich náhodou vdýchli, je hlásených málo anomálií. Na druhej strane neexistujú žiadne lekárske štúdie, ktoré potvrdzujú, že zirkónia je karcinogénne.

Vzhľadom na toto je možné povedať, že kovové zirkónia, ani jeho ióny nepredstavujú alarmujúce riziko zdravia. Existujú však zlúčeniny zirkónia, ktoré obsahujú anióny, ktoré môžu vyvolať negatívne vplyvy na zdravie a životné prostredie, najmä ak sú organické a aromatické anióny.

Žiadosti

- Kov

Zirkónia, ako kov sám osebe, nájde rôzne aplikácie vďaka svojim vlastnostiam. Jeho vysoká odolnosť proti korózii a útok silných kyselín a báz, ako aj iných reaktívnych látok z neho robí ideálny materiál na výrobu konvenčných reaktorov, rúrok a výmenníkov tepla.

Tiež so zirkónom a jeho zliatinami sa vyrábajú refraktérne materiály, ktoré musia podporovať extrémne alebo jemné podmienky. Napríklad sa používajú na výrobu odlievacích foriem, tanierov a priestorových vozidiel alebo inertných chirurgických zariadení, aby nereagovali s telesnými tkanivami.

Na druhej strane sa jeho pyroporicita používa na vytvorenie zbraní a ohňostrojov; Pretože veľmi jemné častice zirkónia môžu ľahko horieť a hovoria, že žiarivé iskry. Jeho pozoruhodná reaktivita s kyslíkom pri vysokých teplotách sa používa na jej zachytenie vo vákuových utesnených skúmavkách a vo vnútri žiaroviek.

Môže vám slúžiť: Aké sú zákony o hmotnosti chémie? (Príklady)

Jeho najdôležitejšie použitie však predovšetkým slúži ako materiál pre jadrové reaktory, pretože zirkónia nereaguje s neutrónmi uvoľnenými v rádioaktívnych poklesoch.

- Okruh

Kubický zirkónový diamant. Zdroj: Pixabay.

Vysoký bod topenia (2715 ° C) obvodu₂) robí alternatívu ešte lepšiu ako rovnaké zirkónium na výrobu refraktérnych materiálov; Napríklad crosoly, ktoré odolávajú náhlym zmenám teploty, húževnatej keramiky, ostrejších nože ako oceľ, sklo,.

Rôzne zirkón nazývané „kubické obvody“ sa používa v šperkoch, pretože s ním môžu robiť perfektné repliky diamantov s rutinujúcimi fazetami (vynikajúci obrázok).

- Soli

Circonium, anorganické alebo organické soli, ako aj iné zlúčeniny, majú nespočetné množstvo aplikácií, medzi ktorými môžeme spomenúť:

-Modré a žlté pigmenty na sklovinu keramiky a falošné drahokamy (Zrsio₄)

-Absorbent oxidu uhličitého (Li₂Zro₃)

-Povlaky v papierovom priemysle (octany zirkónia)

-Antitranspiranti (Zrocl₂ a zmesi komplexných solí a hliníkových solí)

-Maľby a atramenty pre dojmy [ZR (CO₃)₃(NH₄)₂]

-Ošetrenie dialýzy obličiek a odstránenie kontaminantov vody (fosfáty a hydroxid zirkónia)

-Lepidlá [ZR (nie₃)₄]

-Katalyzátory pre organické reakcie aminácie, oxidácie a hydrogenácie (akákoľvek zlúčenina zirkónia vykazujúcich katalytickú aktivitu)

-Prísady na zvýšenie plynulosti cementu

-Priepustné alkalické iónové tuhé látky

- Organometalické rámy

Atómy cirónia ako Zr ióny⁴⁺ Môžu tvoriť koordinačné väzby s kyslíkom, ZR^Iv-Alebo tak, že môže interagovať bez problémov s okysličenými organickými ligandami; To znamená, že obvody je schopné tvoriť niekoľko organometalických zlúčenín.

Tieto zlúčeniny, riadiace parametre syntézy, sa môžu použiť na vytvorenie organometalických snímok, známe ako organické kovové rámce (MOF) Kov-organický rámec). Tieto materiály sa vyznačujú tým, že sú vysoko pórovité a majú atraktívne trojrozmerné štruktúry, rovnako ako v prípade Zeolitas.

Ich aplikácie do značnej miery závisia od toho, aké sú vybrané organické ligandy koordinované so Zirchom, ako aj od optimalizácie podmienok syntézy (teplota, pH, miešanie a reakčný čas, molárne vzťahy, objemy rozpúšťadla atď.).

UIO-66

Napríklad medzi MOF cirónia môžeme spomenúť UIO-66, ktorý je založený na interakciách Zr -tereftalátu (kyseliny tereftalovej). Táto molekula, ktorá pôsobí ako prepojenie, sa koordinuje so ZR⁴⁺ Prostredníctvom vašich skupín -COO^-, formovanie štyroch odkazov ZR-O.

Vedci z University of Illinois, ktorú vedie Kenneth Suslick, poznamenali, že UIO-66 pod intenzívnymi mechanickými silami trpí štrukturálnou deformáciou, keď sú rozbité dve zo štyroch väzieb ZR-O.

V dôsledku toho by sa UIO-66 mohla použiť ako materiál určený na rozptyl mechanickej energie, dokonca aj schopný odolávať tlaku ekvivalentné detonácii TNT pred utrpením molekulárnych zlomenín.

MOFS-808

Zmena kyseliny tereftalovej pre kyselinu trimotovú (benzénny krúžok s tromi skupinami -COOH v pozíciách 2, 4, 6), nový organometalický rámec pre ZrCconommetall pre Zirconium: MOF -808.

Študovali sa jeho vlastnosti a schopnosť slúžiť ako materiál na skladovanie vodíka; to znamená, m molekuly₂ Nakoniec zostanú v póroch MOFS-808 a potom ich v prípade potreby extrahujú.

MIP-202

A nakoniec máme MOFS MIP-202 z Inštitútu materiálov Poros Poros Poros. Tentokrát použili kyselinu asparátovú (aminokyselina) ako väzbu. Opäť, odkazy ZR-O⁴⁺ a kyslík aspartátu (z nepríjemných skupín -COOH) sú smerové sily, ktoré modelujú trojrozmernú a pórovitú štruktúru tohto materiálu.

MIP-202 sa ukázal byť vynikajúcim vodičom protónov (h⁺), ktoré sa pohybujú po póroch, z jedného priehradky do druhého. Preto je kandidátom, ktorý sa má použiť ako výrobný materiál pre výmenníkov protónov; ktoré sú nevyhnutné pre vývoj budúcich vodíkových batérií.

Odkazy

1. Triasť a Atkins. (2008). Anorganická chémia. (Štvrté vydanie). MC Graw Hill.
2. Wikipedia. (2019). Zirkón. Zdroj: In.Wikipedia.orgán
3. Sarah Pierce. (2019). Čo je zirkónia? - Použitie, fakty, vlastnosti a objavovanie. Štúdium. Získané z: štúdie.com
4. John C. Jamieson. (1963). Krištáľové štruktúry titánu, zirkónium a hafnium pri vysokých tlakoch. Zvuk. 140, vydanie 3562, s. 72-73. Doi: 10.1126/veda.140.3562.72
5. Stephen Emma. (25. októbra 2017). Zirkónia MOF pracky pod dynamitom tlakom. Získané z: Chemistryworld.com
6. Wang Sujing a kol. (2018). Robustný zirkónový aminokyselinový kov-organický rámec pre protónové správanie. doi.org/10.1038/S41467-018-07414-4
7. Emsley John. (1. apríla 2008). Zirkón. Chémia vo svojom prvku. Získané z: Chemistryworld.com
8. Kawano Jordan. (s.F.). Zirkón. Získané z: chémie.Pomona.Edu
9. DR. Doug Stewart. (2019). Fakty zirkónia. Chemickolák. Získané z: Chemicool.com
10. Redaktori Enyclopaedia Britannica. (5. apríla 2019). Zirkón. Encyclopædia Britannica. Získané z: Britannica.com
11. Národné centrum pre biotechnologické informácie. (2019). Zirkón. Databáza pubchem. CID = 23995. Získané z: pubchem.Ncbi.NLM.NIH.Vláda