Egenskaper, förekomst och användningar
Zirkonium, dunkelt före slutet av 1940-talet, blev ett betydande tekniskt material för kärnenergitillämpningar eftersom det är mycket transparent för neutroner . Elementet identifierades (1789) i zirkon, ZrSiO4 (zirkoniumortosilikat), från dess oxid av den tyska kemisten Martin Heinrich Klaproth, och metallen isolerades (1824) i oren form av den svenska kemisten Jöns Jacob Berzelius. Den orena metallen, även när den är ren 99 procent, är hård och spröd. Den vita, mjuka, formbara och duktila metallen med högre renhet producerades först i kvantitet (1925) av de holländska kemisterna Anton E. van Arkel och J.H. de Boer genom termisk nedbrytning av zirkoniumtetraiodid, ZrI4. I början av 1940-talet utvecklade William Justin Kroll från Luxemburg sin billigare process för att tillverka metallen baserat på minskning av zirkoniumtetraklorid, ZrCl4, med magnesium. I början av 2000-talet inkluderade de ledande producenterna av zirkonium Australien, Sydafrika, Kina och Indonesien. Moçambique, Indien och Sri Lanka var ytterligare producenter.
Dschwen
Zirconium är relativt rikligt i jordens skorpa, men inte i koncentrerade avlagringar, och observeras karakteristiskt i stjärnor av S-typ. Mineralzirkonen, som vanligtvis finns i alluviala avlagringar i bäckar, havsstränder eller gamla sjöbäddar, är den enda kommersiella källan till zirkonium. Baddeleyite, som i huvudsak är ren zirkoniumdioxid, ZrO2, är det enda andra viktiga zirkoniummineralet, men den kommersiella produkten utvinns billigare från zirkon. Zirkonium produceras enligt samma process som den som används för titan. Dessa zirkoniummineraler har i allmänhet ett hafniuminnehåll som varierar från några tiondelar av 1 procent till flera procent. För vissa ändamål är det inte viktigt att separera de två elementen: zirkonium som innehåller cirka 1 procent hafnium är lika acceptabelt som rent zirkonium.
Den viktigaste användningen av zirkonium är i kärnreaktorer för beklädnad av bränslestavar, för legering med uran och för reaktorkärnstrukturer på grund av dess unika kombination av egenskaper. Zirkonium har god hållfasthet vid förhöjda temperaturer, motstår korrosion från de snabbt cirkulerande kylmedlen, bildar inte mycket radioaktiva isotoper och tål mekanisk skada från neutronbombardemang. Hafnium, som finns i alla zirkoniummalmer, måste avlägsnas noggrant från metallen som är avsedd för reaktoranvändning eftersom hafnium absorberar starkt termiska neutroner.
Separation av hafnium och zirkonium åstadkoms i allmänhet genom ett vätske-vätske-motströms-extraktionsförfarande. I förfarandet löses rå zirkoniumtetraklorid i en vattenlösning av ammoniumtiocyanat och metylisobutylketon passeras motströms till den vattenhaltiga blandningen, med resultatet att hafniumtetrakloriden extraheras företrädesvis.
Atomradierna av zirkonium och hafnium är 1,45 respektive 1,44 Å, medan radierna för jonerna är Zr4 +, 0,74 Å och Hf4 +, 0,75 Å. Den virtuella identiteten av atom- och jonstorlekar, som härrör från lantanoidkontraktion, har effekten att göra det kemiska beteendet hos dessa två element mer likartat än för något annat känt elementpar. Även om kemin i hafnium har studerats mindre än zirkonium, är de två så lika att endast mycket små kvantitativa skillnader – till exempel i lösligheter och flyktigheter hos föreningar – kan förväntas i fall som inte har undersökts.
Zirkonium absorberar syre, kväve och väte i förvånande mängder. Vid cirka 800 ° C (1500 ° F) kombineras det kemiskt med syre för att ge oxiden, ZrO2. Zirkonium minskar sådana eldfasta degelmaterial som oxiderna av magnesium, beryllium och torium. Denna starka affinitet för syre och andra gaser står för dess användning som en getter för att avlägsna restgaser i elektronrör. Vid normala temperaturer i luft är zirkonium passivt på grund av bildandet av en skyddsfilm av oxid eller nitrid. Även utan denna film är metallen resistent mot verkan av svaga syror och sura salter. Det löses bäst i fluorvätesyra, i vilket förfarande bildandet av anjoniska fluorkomplex är viktigt för att stabilisera lösningen. Vid normala temperaturer är den inte särskilt reaktiv men blir ganska reaktiv med en mängd olika metaller vid förhöjda temperaturer. På grund av sin höga korrosionsbeständighet har zirkonium funnit stor användning vid tillverkning av pumpar, ventiler och värmeväxlare.Zirkonium används också som legeringsmedel vid tillverkning av vissa magnesiumlegeringar och som tillsats vid tillverkning av vissa stål.