Proprietăți, apariție și utilizări
Zirconiul, obscur înainte de sfârșitul anilor 1940, a devenit un material ingineresc semnificativ pentru aplicațiile de energie nucleară, deoarece este foarte transparent față de neutroni . Elementul a fost identificat (1789) în zircon, ZrSiO4 (ortosilicat de zirconiu), din oxidul său de către chimistul german Martin Heinrich Klaproth, iar metalul a fost izolat (1824) sub formă impură de chimistul suedez Jöns Jacob Berzelius. Metalul impur, chiar și cu 99% pur, este dur și casant. Metalul alb, moale, maleabil și ductil de puritate mai mare a fost produs prima dată în cantitate (1925) de către chimiștii olandezi Anton E. van Arkel și J.H. de Boer prin descompunerea termică a tetraiodurii de zirconiu, ZrI4. La începutul anilor 1940, William Justin Kroll din Luxemburg și-a dezvoltat procesul mai ieftin de fabricare a metalului pe baza reducerii tetraclorurii de zirconiu, ZrCl4, cu magneziu. La începutul secolului 21, principalii producători de zirconiu includeau Australia, Africa de Sud, China și Indonezia; Mozambic, India și Sri Lanka au fost producători suplimentari.
Dschwen
Zirconiul este relativ abundent în Pământ crustă, dar nu în depozite concentrate și este caracteristic observată la stelele de tip S. Zirconul mineral, care se găsește, în general, în depozitele aluvionale din albiile de apă, plajele oceanice sau vechile albii ale lacurilor, este singura sursă comercială de zirconiu. Baddeleyita, care este în esență dioxid de zirconiu pur, ZrO2, este singurul alt mineral important de zirconiu, dar produsul comercial este recuperat mai ieftin din zircon. Zirconiul este produs prin același proces ca cel utilizat pentru titan. Aceste minerale de zirconiu au, în general, un conținut de hafniu care variază de la câteva zecimi de 1 la sută la câteva procente. În anumite scopuri, separarea celor două elemente nu este importantă: zirconiul care conține aproximativ 1% hafniu este la fel de acceptabil ca zirconiul pur.
Cea mai importantă utilizare a zirconiului este în reactoarele nucleare pentru placarea tijelor de combustibil, pentru aliere cu uraniu și pentru structurile nucleului reactorului datorită combinației sale unice de proprietăți. Zirconiul are o rezistență bună la temperaturi ridicate, rezistă la coroziune din lichidele de răcire care circulă rapid, nu formează izotopi foarte radioactivi și rezistă la daunele mecanice cauzate de bombardamentul cu neutroni. Hafniu, prezent în toate minereurile de zirconiu, trebuie îndepărtat scrupulos din metalul destinat reactorului, deoarece hafniu absoarbe puternic neutroni termici.
Separarea hafniului și zirconiului se realizează în general printr-o procedură de extracție contracurent lichid-lichid. În cadrul procedurii, tetraclorura de zirconiu brut este dizolvată într-o soluție apoasă de tiocianat de amoniu, iar metil izobutil cetona este trecut contracurent la amestecul apos, cu rezultatul că tetraclorura de hafniu este preferabil extrasă.
Razele atomice de zirconiu și hafniu sunt 1,45 și respectiv 1,44 Å, în timp ce razele ionilor sunt Zr4 +, 0,74 Å și Hf4 +, 0,75 Å. Identitatea virtuală a dimensiunilor atomice și ionice, rezultată din contracția lantanoidă, are ca efect comportamentul chimic al acestor două elemente mai similar decât pentru orice altă pereche de elemente cunoscute. Deși chimia hafniului a fost studiată mai puțin decât cea a zirconiului, cele două sunt atât de similare încât ar fi de așteptat doar diferențe cantitative foarte mici – de exemplu, în solubilitățile și volatilitățile compușilor – în cazurile care nu au fost efectiv investigate.
Zirconiul absoarbe oxigenul, azotul și hidrogenul în cantități uimitoare. La aproximativ 800 ° C (1.500 ° F) se combină chimic cu oxigenul pentru a produce oxidul, ZrO2. Zirconiul reduce astfel de materiale refractare la creuzet precum oxizii de magneziu, beriliu și toriu. Această puternică afinitate pentru oxigen și alte gaze contează pentru utilizarea sa ca un getter pentru îndepărtarea gazelor reziduale din tuburile de electroni. La temperaturi normale în aer, zirconiul este pasiv datorită formării unui film protector de oxid sau nitrură. Chiar și fără acest film, metalul este rezistent la acțiunea acizilor slabi și a sărurilor acide. Cel mai bine se dizolvă în acid fluorhidric, în care procedură formarea complexelor fluor fluorescente anionice este importantă în stabilizarea soluției. La temperaturi normale, nu este deosebit de reactiv, dar devine destul de reactiv cu o varietate de metale la temperaturi ridicate. Datorită rezistenței sale ridicate la coroziune, zirconiul a fost utilizat pe scară largă la fabricarea pompelor, supapelor și schimbătoarelor de căldură.Zirconiul este, de asemenea, utilizat ca agent de aliere în producerea unor aliaje de magneziu și ca aditiv în fabricarea anumitor oțeluri.