Цирконий

 
 
 
 
 

           Реферат по химии

                «Цирконий» 
 
 
 

                                          

                                                                           студент группы 1-ПГ

                                                                                 Ямалтдинов Д.С. 
 
 
 
 
 

    Цирко́ний (лат. Zirconium; обозначается символом Zr) — элемент побочной подгруппы четвёртой группы пятого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 40. 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

История и происхождение  названия

    Цирко́ний в виде двуокиси впервые был выделен в 1789 году немецким химиком М. Г. Клапротом в результате анализа минерала циркона.

Происхождение самого слова циркон неясно. Возможно, оно  происходит от арабского zarkûn (киноварь) или от персидского zargun (золотистый цвет).

Как получали и получают цирконий

   Выделенное  Клапротом вещество не было новым элементом, но было окислом нового элемента, который впоследствии занял в таблице Д.И. Менделеева сороковую клетку. Пользуясь современными символами, формулу вещества, полученного Клапротом, записывают так: ZrO2.

   Через 35 лет после опытов Клапрота известнейшему шведскому химику Йенсу Якобу Берцелиусу удалось получить металлический цирконий. Берцелиус восстановил фторцирконат калия металлическим натрием:

                       К2[ZrF6] + 4Na → Zr + 2KF + 2NaF

и получил серебристо-серый  металл.

    Цирконий, образовавшийся в  результате этой реакции, был хрупким из-за значительного содержания примесей. Металл не поддавался обработке  и не смог найти  практического применения. Но можно было предположить, что очищенный  цирконий, подобно  многим другим металлам, окажется достаточно пластичным.

    В XIX и начале XX в. многие ученые пытались получить чистый цирконий, но все попытки долгое время заканчивались неудачей. Не помог испытанный алюмотермический метод, не привели к цели опыты, авторы которых стремились получить металлический цирконий из растворов его солей. Последнее объясняется в первую очередь высоким химическим сродством циркония к кислороду.

    Для того чтобы можно  было получить какой-либо металл электролизом из раствора его соли, этот металл должен образовывать одноатомные  ионы. А цирконий таких ионов не образует. Сульфат  циркония Zr(SO4)2, например, существует только в концентрированной серной кислоте, а при разбавлении начинаются реакции гидролиза и комплексообразования. В конечном счете получается:

                  Zr(SO4)2 + Н2О → (ZrO)SO4 + H2SO4.

    В водном растворе гидролизуется и хлористый цирконий:

                       ZrCl4 + Н2О → ZrOCl2 + 2HCl.

Некоторые исследователи считали, что им удалось-таки получить цирконий электролизом растворов, но они  были введены в  заблуждение видом  продуктов, осевших  на электродах. В  одних случаях  это были действительно  металлы, но не цирконий, а никель или медь, примеси которых содержались в циркониевом сырье; в других – внешне похожая на металл гидроокись циркония.

Лишь  в 20-х годах нашего столетия (через 100 лет  после того, как  Берцелиус получил  первые образцы циркония!) был разработан первый промышленный способ получения этого  металла.

Это метод «наращивания», разработанный голландскими учеными ван Аркелем и де Буром. Суть его заключается в том, что летучее соединение (в данном случае тетрайодид циркония ZrI4) подвергается термическому распаду в вакууме и на раскаленной нити вольфрама откладывается чистый металл.

Этим  способом был получен  металлический цирконий, поддающийся обработке  – ковке, вальцовке, прокатке – примерно так же легко, как  медь.

Позже металлурги обнаружили, что пластические свойства циркония зависят  главным образом  от содержания в нем  кислорода. Если в  расплавленный цирконий проникнет свыше 0,7% кислорода, то металл будет хрупким  из-за образования  твердых растворов  кислорода в цирконии, свойства которых  сильно отличаются от свойств чистого  металла.

Метод наращивания получил  сначала некоторое  распространение, но высокая стоимость  циркония, полученного  этим методом, сильно ограничивала области  его применения. А  свойства циркония оказались  интересными. (О них  ниже.) Назрела необходимость  в разработке нового, более дешевого способа  получения циркония. Таким методом  стал усовершенствованный  метод Кролля.

Метод Кролля позволяет получать цирконий при вдвое меньших затратах, чем по методу наращивания. Схема этого производства предусматривает две основные стадии: двуокись циркония хлорируется, а полученный четыреххлористый цирконий восстанавливается металлическим магнием под слоем расплавленного металла. Конечный продукт – циркониевая губка переплавляется в прутки и в таком виде направляется потребителю. 

Месторождения

Наиболее  крупные месторождения  циркония расположены  на территории США, Австралии, Бразилии, Индии. [4]

В России, на долю которой  приходится 10% мировых  запасов циркония (3 место в мире после  Австралии и ЮАР), основными месторождениями являются: Ковдорское коренное бадделит-апатит-магнетитовое в Мурманской области, Туганское россыпное циркон-рутил-ильменитовое в Томской области, Центральное россыпное циркон-рутил-ильменитовое в Тамбовской области, Лукояновское россыпное циркон-рутил-ильменитовое в Нижегородской области, Катугинское коренное циркон-пирохлор-криолитовое в Читинской области и Улуг-Танзекское коренное циркон-пирохлор-колумбитовое

Стоимость

Стоимость циркония в конце 1990-х  — 20-26$ за килограмм.[источник не указан 394 дня].

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).

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.

Быт

Цирконий  применяется для  изготовления разнообразной  посуды, обладающей отличными гигиеническими свойствами благодаря  высокой химической стойкости.

Соединения

Диоксид циркония (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.

Диборид циркония ZrB2 — кермет. В различных смесях с нитридом тантала и карбидом кремния является материалом для производства резцов.

Карбид  циркония (температура плавления 3530 °C) — теоретически важнейший конструкционный материал для твердофазных ядерных реактивных двигателей[источник не указан 582 дня]. Бериллид циркония чрезвычайно твёрд и устойчив к окислению на воздухе до 1650 °C, применяется в авиакосмической технике в качестве двигателей, сопел, реакторов и радиоизотопных электрогенераторов[источник не указан 582 дня].

Гидрид  циркония применяется в качестве компонента ракетного топлива[источник не указан 582 дня], 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.

Нитрид  циркония материал для керамических покрытий, температура плавления около 2990 °C , гидролизуется в царской водке. Нашёл применение в качестве покрытий в стоматологии и ювелирном деле.

Биологическая роль и физиологическое  действие

Цирконий  не играет биологической  роли в организме. Жителям России памятны  пресловутые циркониевые  браслеты, рекламируемые  В.Кикабидзе, якобы снижающие артериальное давление, но не оказывающие реального терапевтического действия[7].

О воздействии соединений циркония на организм ничего не известно. Пыль циркония представляет собой вещество с  большой пожаро- и взрывоопасностью, поскольку может самовоспламениться на воздухе.