Egenskaper, forekomst og bruk
Zirkonium, uklart før slutten av 1940-tallet, ble et betydelig teknisk materiale for kjernekraftapplikasjoner fordi det er svært gjennomsiktig for nøytroner . Elementet ble identifisert (1789) i zirkon, ZrSiO4 (zirkoniumortosilikat), fra oksidet av den tyske kjemikeren Martin Heinrich Klaproth, og metallet ble isolert (1824) i uren form av den svenske kjemikeren Jöns Jacob Berzelius. Det urene metallet, selv når det er 99 prosent rent, er hardt og sprøtt. Det hvite, myke, formbare og duktile metallet med høyere renhet ble først produsert i mengde (1925) av de nederlandske kjemikerne Anton E. van Arkel og J.H. de Boer ved termisk nedbrytning av zirkoniumtetraiodid, ZrI4. På begynnelsen av 1940-tallet utviklet William Justin Kroll fra Luxembourg sin billigere prosess for å lage metall basert på reduksjon av zirkoniumtetraklorid, ZrCl4, med magnesium. Tidlig på det 21. århundre inkluderte Australia, Sør-Afrika, Kina og Indonesia ledende produsenter av zirkonium; Mosambik, India og Sri Lanka var flere produsenter.
Dschwen
Zirconium er relativt rikelig i jordens skorpe, men ikke i konsentrerte avleiringer, og er karakteristisk observert i stjerner av S-typen. Mineralsirkonen, som vanligvis finnes i alluviale forekomster i bekkesenger, havstrender eller gamle innsjøbed, er den eneste kommersielle kilden til zirkonium. Baddeleyite, som i det vesentlige er rent zirkoniumdioksid, ZrO2, er det eneste andre viktige zirkoniummineralet, men det kommersielle produktet utvinnes billigere fra zirkon. Zirkonium produseres ved samme prosess som den som brukes til titan. Disse zirkoniummineraler har generelt et hafniuminnhold som varierer fra noen tideler på 1 prosent til flere prosent. For noen formål er separasjon av de to elementene ikke viktig: zirkonium som inneholder omtrent 1 prosent hafnium er like akseptabelt som rent zirkonium.
Den viktigste bruken av zirkonium er i atomreaktorer for kledning av drivstoffstenger, for legering med uran, og for reaktorkjernestrukturer på grunn av sin unike kombinasjon av egenskaper. Zirkonium har god styrke ved høye temperaturer, motstår korrosjon fra de raskt sirkulerende kjølevæskene, danner ikke sterkt radioaktive isotoper, og tåler mekanisk skade fra nøytronbombardement. Hafnium, som finnes i alle zirkoniummalmer, må fjernes nøye fra metallet som er beregnet på reaktorbruk, fordi hafnium sterkt absorberer termiske nøytroner.
Separasjon av hafnium og zirkonium oppnås vanligvis ved en prosedyre med motstrøm og ekstraksjon av væske-væske. I prosedyren oppløses rå zirkoniumtetraklorid i en vandig løsning av ammoniumtiocyanat, og metylisobutylketon føres motstrøm til den vandige blandingen, med det resultat at hafniumtetraklorid fortrinnsvis ekstraheres.
Atomeradiene av zirkonium og hafnium er henholdsvis 1,45 og 1,44 Å, mens radiene til ionene er Zr4 +, 0,74 Å og Hf4 +, 0,75 Å. Den virtuelle identiteten til atom- og ionestørrelser, som følge av lantanoid-sammentrekning, har den effekten at den kjemiske oppførselen til disse to elementene blir mer lik enn for noe annet kjent element. Selv om kjemien til hafnium er blitt studert mindre enn den for zirkonium, er de to så like at bare svært små kvantitative forskjeller – for eksempel i løseligheter og flyktigheter av forbindelser – kan forventes i tilfeller som ikke har blitt undersøkt.
Zirkonium absorberer oksygen, nitrogen og hydrogen i forbløffende mengder. Ved omtrent 800 ° C (1500 ° F) kombineres det kjemisk med oksygen for å gi oksidet, ZrO2. Zirkonium reduserer slike ildfaste smeltedigelmaterialer som oksidene av magnesium, beryllium og thorium. Denne sterke affiniteten for oksygen og andre gasser utgjør dets bruk som en getter for å fjerne gjenværende gasser i elektronrør. Ved normale temperaturer i luft er zirkonium passivt på grunn av dannelsen av en beskyttende film av oksid eller nitrid. Selv uten denne filmen er metallet motstandsdyktig mot virkningen av svake syrer og sure salter. Det er best oppløst i flussyre, i hvilken fremgangsmåte dannelsen av anioniske fluorkomplekser er viktig for å stabilisere løsningen. Ved normale temperaturer er den ikke spesielt reaktiv, men blir ganske reaktiv med en rekke ikke-metaller ved forhøyede temperaturer. På grunn av sin høye korrosjonsbestandighet har zirkonium funnet utstrakt bruk i fabrikasjonen av pumper, ventiler og varmevekslere.Zirkonium brukes også som legeringsmiddel i produksjonen av noen magnesiumlegeringer og som tilsetningsstoff ved fremstilling av visse stål.