Cyrkon

Właściwości, występowanie i zastosowania

Cyrkon, niejasny przed końcem lat czterdziestych XX wieku, stał się ważnym materiałem inżynieryjnym w zastosowaniach energii jądrowej, ponieważ jest wysoce przezroczysty dla neutronów . Pierwiastek został zidentyfikowany (1789) w cyrkonie ZrSiO4 (ortokrzemian cyrkonu) z jego tlenku przez niemieckiego chemika Martina Heinricha Klaprotha, a metal został wyodrębniony (1824) w nieczystej postaci przez szwedzkiego chemika Jönsa Jacoba Berzeliusa. Zanieczyszczony metal, nawet czysty w 99 procentach, jest twardy i kruchy. Biały, miękki, kowalny i ciągliwy metal o wyższej czystości został po raz pierwszy wyprodukowany w dużych ilościach (1925) przez holenderskich chemików Antona E. van Arkela i J.H. de Boer przez termiczny rozkład tetrajodku cyrkonu, ZrI4. We wczesnych latach czterdziestych William Justin Kroll z Luksemburga opracował swój tańszy proces wytwarzania metalu oparty na redukcji tetrachlorku cyrkonu, ZrCl4, przez magnez. Na początku XXI wieku do czołowych producentów cyrkonu należały Australia, RPA, Chiny i Indonezja; Mozambik, Indie i Sri Lanka były dodatkowymi producentami.

Cyrkon występuje stosunkowo obficie w ziemskich skorupa, ale nie w skoncentrowanych osadach i jest charakterystyczna dla gwiazd typu S. Jedynym komercyjnym źródłem cyrkonu jest cyrkon mineralny, który zwykle występuje w osadach aluwialnych w korytach potoków, plażach oceanicznych lub starych dnach jezior. Baddeleyit, który jest zasadniczo czystym dwutlenkiem cyrkonu, ZrO2, jest jedynym innym ważnym minerałem cyrkonu, ale produkt handlowy odzyskuje się z cyrkonu taniej. Cyrkon jest wytwarzany w tym samym procesie, co tytan. Te minerały cyrkonu na ogół mają zawartość hafnu, która waha się od kilku dziesiątych 1% do kilku procent. Dla niektórych celów rozdzielenie tych dwóch pierwiastków nie jest ważne: cyrkon zawierający około 1 procent hafnu jest tak samo akceptowalny jak czysty cyrkon.

Najważniejszym zastosowaniem cyrkonu jest w reaktorach jądrowych do powlekania prętów paliwowych, do tworzenia stopów z uranem oraz dla struktur rdzenia reaktora ze względu na jego unikalną kombinację właściwości. Cyrkon ma dobrą wytrzymałość w podwyższonych temperaturach, jest odporny na korozję powodowaną przez szybko cyrkulujące chłodziwa, nie tworzy wysoce radioaktywnych izotopów i jest odporny na mechaniczne uszkodzenia spowodowane bombardowaniem neutronami. Hafn, obecny we wszystkich rudach cyrkonu, musi być skrupulatnie usuwany z metalu przeznaczonego do użytku w reaktorze, ponieważ hafn silnie pochłania neutrony termiczne.

Oddzielanie hafnu i cyrkonu odbywa się na ogół metodą ekstrakcji w przeciwprądzie ciecz-ciecz. W procedurze surowy czterochlorek cyrkonu rozpuszcza się w wodnym roztworze tiocyjanianu amonu, a keton metyloizobutylowy przepuszcza się w przeciwprądzie do wodnej mieszaniny, w wyniku czego czterochlorek hafnu jest preferencyjnie ekstrahowany.

Promienie atomowe cyrkonu i hafnu wynoszą odpowiednio 1,45 i 1,44 A, podczas gdy promienie jonów to Zr4 +, 0,74 A i Hf4 +, 0,75 A. Wirtualna tożsamość rozmiarów atomowych i jonowych, wynikająca ze skurczu lantanoidów, powoduje, że zachowanie chemiczne tych dwóch pierwiastków jest bardziej podobne niż w przypadku jakiejkolwiek innej znanej pary pierwiastków. Chociaż chemia hafnu była badana w mniejszym stopniu niż cyrkonu, są one tak podobne, że tylko bardzo małe różnice ilościowe – na przykład w rozpuszczalności i lotności związków – można by oczekiwać w przypadkach, które nie zostały faktycznie zbadane.

Cyrkon absorbuje tlen, azot i wodór w zadziwiających ilościach. W temperaturze około 800 ° C (1500 ° F) łączy się chemicznie z tlenem, dając tlenek ZrO2. Cyrkon redukuje takie ogniotrwałe materiały tyglowe, jak tlenki magnezu, berylu i toru. To silne powinowactwo do tlenu i innych gazów powoduje, że jest on wykorzystywany jako getter do usuwania gazów resztkowych w lampach elektronowych. W normalnych temperaturach powietrza cyrkon jest pasywny, ponieważ tworzy ochronną warstwę tlenku lub azotku. Nawet bez tej warstwy metal jest odporny na działanie słabych kwasów i kwaśnych soli. Najlepiej rozpuszcza się w kwasie fluorowodorowym, w którym to procedurze tworzenie anionowych kompleksów fluorowych jest ważne dla stabilizacji roztworu. W normalnych temperaturach nie jest szczególnie reaktywny, ale staje się dość reaktywny z różnymi niemetalami w podwyższonych temperaturach. Ze względu na wysoką odporność na korozję cyrkon znalazł szerokie zastosowanie w produkcji pomp, zaworów i wymienników ciepła.Cyrkon jest również stosowany jako dodatek stopowy w produkcji niektórych stopów magnezu oraz jako dodatek w produkcji niektórych stali.