Ominaisuudet, esiintyminen ja käyttötarkoitukset
Ennen 1940-luvun loppua hämärtyneestä zirkoniumista tuli merkittävä tekninen materiaali ydinenergiasovelluksissa, koska se on erittäin läpinäkyvä neutronien suhteen . Saksalaisen kemisti Martin Heinrich Klaproth tunnisti elementin (1789) zirkonista, ZrSiO4: stä (zirkoniumortosilikaatti) oksidista, ja ruotsalaisen kemian Jöns Jacob Berzelius eristää metallin epäpuhtaassa muodossa (1824). Epäpuhdas metalli on myös kovaa ja hauras, vaikka se olisi 99-prosenttisesti puhdasta. Enemmän puhtaan valkoista, pehmeää, muokattavaa ja sitkeää metallia tuotti määrällisesti (1925) hollantilaiset kemistit Anton E. van Arkel ja J.H. de Boer zirkoniumtetraiodidin, ZrI4, lämpöhajoamisen avulla. 1940-luvun alkupuolella luxemburgilainen William Justin Kroll kehitti halvemman metallinvalmistusmenetelmänsä perustuen zirkoniumtetrakloridin, ZrCl4, pelkistykseen magnesiumilla. 2000-luvun alussa johtavia zirkoniumin tuottajia olivat Australia, Etelä-Afrikka, Kiina ja Indonesia; Mosambik, Intia ja Sri Lanka olivat ylimääräisiä tuottajia.
Dschwen
Zirkoniumia on suhteellisen paljon maapallolla kuori, mutta ei keskittyneissä kerrostumissa, ja sitä havaitaan tyypillisesti S-tyypin tähdissä. Mineraalinen zirkoni, jota esiintyy yleensä virtaussängyissä, valtamerirannoissa tai vanhoissa järvipohjissa esiintyvissä tulvavesiöissä, on ainoa zirkoniumin kaupallinen lähde. Baddeleyite, joka on olennaisesti puhdasta zirkoniumdioksidia, ZrO2, on ainoa tärkeä zirkoniummineraali, mutta kaupallinen tuote saadaan halvemmalla talteen zirkonista. Zirkoniumia tuotetaan samalla prosessilla kuin titaanilla. Näillä zirkoniummineraaleilla on yleensä hafniumpitoisuus, joka vaihtelee muutamasta kymmenesosasta prosentista useaan prosenttiin. Joissakin tarkoituksissa näiden kahden elementin erottaminen ei ole tärkeää: zirkonium, joka sisältää noin 1 prosentti hafniumia, on yhtä hyväksyttävää kuin puhdas zirkonium.
Zirkoniumin tärkein käyttö on ydinreaktorissa polttoainesauvojen päällystämiseen, seostamiseen. uraanin kanssa ja reaktorisydämen rakenteisiin sen ainutlaatuisen ominaisuuksien yhdistelmän vuoksi. Zirkoniumilla on hyvä lujuus korotetuissa lämpötiloissa, se kestää nopeasti kiertävien jäähdytysnesteiden korroosiota, ei muodosta erittäin radioaktiivisia isotooppeja ja kestää neutronipommitusten aiheuttamia mekaanisia vaurioita. Hafnium, joka on läsnä kaikissa zirkoniummalmeissa, on poistettava tarkasti reaktorikäyttöön tarkoitetusta metallista, koska hafnium absorboi voimakkaasti lämpöneutoneita.
Hafniumin ja zirkoniumin erottaminen tapahtuu yleensä neste-neste-vastavirtauuttomenettelyllä. Menettelyssä raakaa zirkoniumtetrakloridia liuotetaan ammoniumtiosyanaatin vesiliuokseen, ja metyyli-isobutyyliketoni johdetaan vastavirtaan vesiseokseen, jolloin hafniumtetrakloridi uutetaan ensisijaisesti.
Atomisäteet zirkoniumin ja hafniumin pitoisuudet ovat vastaavasti 1,45 ja 1,44 Å, kun taas ionien säteet ovat Zr4 +, 0,74 Å ja Hf4 +, 0,75 Å. Lantanoidin supistumisesta johtuva atomi- ja ionikokojen virtuaalinen identiteetti tekee näiden kahden alkuaineen kemiallisesta käyttäytymisestä samanlaisen kuin minkä tahansa muun tunnetun alkuparin kohdalla. Vaikka hafniumin kemiaa on tutkittu vähemmän kuin zirkoniumia, nämä kaksi ovat niin samanlaisia, että vain hyvin pieniä määrällisiä eroja – esimerkiksi yhdisteiden liukoisuudessa ja haihtuvuudessa – voidaan odottaa tapauksissa, joita ei ole todellisuudessa tutkittu.
Zirkonium imee happea, typpeä ja vetyä hämmästyttävinä määrinä. Noin 800 ° C: ssa (1500 ° F) se yhdistyy kemiallisesti hapen kanssa, jolloin saadaan oksidi Zr02. Zirkonium pelkistää sellaisia tulenkestäviä upokkaita kuin magnesiumin, berylliumin ja toriumin oksidit. Tämä vahva affiniteetti happeen ja muihin kaasuihin selittää sen käytön parantimena jäännöskaasujen poistamiseksi elektroniputkista. Normaaleissa ilman lämpötiloissa zirkonium on passiivinen, koska muodostuu suojaava oksidi- tai nitridikalvo. Jopa ilman tätä kalvoa metalli on vastustuskykyinen heikkojen happojen ja happamien suolojen vaikutukselle. Se on parhaiten liuotettu fluorivetyhappoon, jossa menettelyssä anionisten fluorikompleksien muodostuminen on tärkeää liuoksen stabiloimiseksi. Normaaleissa lämpötiloissa se ei ole erityisen reaktiivinen, mutta siitä tulee melko reaktiivinen erilaisten ei-metallien kanssa korotetuissa lämpötiloissa. Korkean korroosionkestävyytensä vuoksi zirkoniumia on käytetty laajasti pumppujen, venttiilien ja lämmönvaihtimien valmistuksessa.Zirkoniumia käytetään myös seosaineena joidenkin magnesiumseosten tuotannossa ja lisäaineina tiettyjen terästen valmistuksessa.