Zirconium

Egenskaber, forekomst og anvendelser . Elementet blev identificeret (1789) i zirkon, ZrSiO4 (zirconiumortosilikat), fra dets oxid af den tyske kemiker Martin Heinrich Klaproth, og metallet blev isoleret (1824) i uren form af den svenske kemiker Jöns Jacob Berzelius. Det urene metal er, selv når det er 99 procent rent, hårdt og skørt. Det hvide, bløde, formbare og duktile metal med højere renhed blev først produceret i mængde (1925) af de hollandske kemikere Anton E. van Arkel og J.H. de Boer ved termisk nedbrydning af zirconiumtetraiodid, ZrI4. I begyndelsen af 1940erne udviklede William Justin Kroll fra Luxembourg sin billigere proces til fremstilling af metallet baseret på reduktion af zirconiumtetrachlorid, ZrCl4, med magnesium. I det tidlige 21. århundrede omfattede førende producenter af zirconium Australien, Sydafrika, Kina og Indonesien; Mozambique, Indien og Sri Lanka var yderligere producenter.

Zirconium er relativt rigeligt i jordens skorpe, men ikke i koncentrerede aflejringer og observeres karakteristisk i stjerner af S-typen. Mineralet zircon, som generelt findes i alluviale aflejringer i strømme, havstrande eller gamle søbede, er den eneste kommercielle kilde til zirconium. Baddeleyite, som i det væsentlige er ren zirconiumdioxid, ZrO2, er det eneste andet vigtige zirconiummineral, men det kommercielle produkt udvindes billigere fra zircon. Zirconium fremstilles ved samme proces som den, der anvendes til titanium. Disse zirconiummineraler har generelt et hafniumindhold, der varierer fra nogle få tiendedele af 1 procent til flere procent. For nogle formål er det ikke vigtigt at adskille de to grundstoffer: zirconium indeholdende ca. 1 procent hafnium er lige så acceptabelt som rent zirconium.

Den vigtigste anvendelse af zirconium er i atomreaktorer til beklædning af brændstofstænger til legering med uran og til reaktorkerne strukturer på grund af dets unikke kombination af egenskaber. Zirconium har god styrke ved forhøjede temperaturer, modstår korrosion fra de hurtigt cirkulerende kølemidler, danner ikke stærkt radioaktive isotoper og tåler mekanisk skade fra neutronbombardement. Hafnium, der findes i alle zirconiummalme, skal fjernes nøje fra metallet beregnet til reaktorbrug, fordi hafnium stærkt absorberer termiske neutroner.

Få et Britannica Premium-abonnement og få adgang til eksklusivt indhold. Abonner nu

Adskillelse af hafnium og zirconium opnås generelt ved en væske-væske-modstrømsekstraktionsprocedure. I fremgangsmåden opløses rå zirconiumtetrachlorid i en vandig opløsning af ammoniumthiocyanat, og methylisobutylketon ledes modstrøm til den vandige blanding med det resultat, at hafniumtetrachlorid fortrinsvis ekstraheres.

Atomradierne af zirconium og hafnium er henholdsvis 1,45 og 1,44 Å, mens ionernes radier er Zr4 +, 0,74 Å og Hf4 +, 0,75 Å. Den virtuelle identitet af atom- og ionstørrelser, der skyldes lanthanoid-sammentrækning, har den virkning at gøre den kemiske opførsel af disse to grundstoffer mere ens end for ethvert andet kendt elementpar. Selvom kemien i hafnium er blevet undersøgt mindre end zirkoniums, er de to så ens, at kun meget små kvantitative forskelle – for eksempel i forbindelsers opløselighed og flygtighed – kunne forventes i tilfælde, der faktisk ikke er blevet undersøgt. p>

Zirconium absorberer ilt, nitrogen og brint i forbløffende mængder. Ved ca. 800 ° C (1.500 ° F) kombineres det kemisk med ilt for at give oxid, ZrO2. Zirconium reducerer sådanne ildfaste digelmaterialer som oxiderne af magnesium, beryllium og thorium. Denne stærke affinitet for ilt og andre gasser tegner sig for dets anvendelse som en getter til fjernelse af resterende gasser i elektronrør. Ved normale temperaturer i luften er zirconium passivt på grund af dannelsen af en beskyttende film af oxid eller nitrid. Selv uden denne film er metallet modstandsdygtigt over for virkningen af svage syrer og sure salte. Det opløses bedst i flussyre, i hvilken procedure dannelsen af anioniske fluorkomplekser er vigtig for at stabilisere opløsningen. Ved normale temperaturer er den ikke særlig reaktiv, men bliver ganske reaktiv med en række ikke-metaller ved forhøjede temperaturer. På grund af sin høje korrosionsbestandighed har zirconium fundet udbredt anvendelse til fremstilling af pumper, ventiler og varmevekslere.Zirconium bruges også som legeringsmiddel til fremstilling af nogle magnesiumlegeringer og som et additiv til fremstilling af visse stål.