Proprietà, presenza e usi
Lo zirconio, oscuro prima della fine degli anni 40, divenne un materiale di ingegneria significativo per applicazioni di energia nucleare perché è altamente trasparente ai neutroni . Lelemento fu identificato (1789) nello zircone, ZrSiO4 (ortosilicato di zirconio), dal suo ossido dal chimico tedesco Martin Heinrich Klaproth, e il metallo fu isolato (1824) in forma impura dal chimico svedese Jöns Jacob Berzelius. Il metallo impuro, anche se puro al 99%, è duro e fragile. Il metallo bianco, morbido, malleabile e duttile di maggiore purezza fu prodotto per la prima volta in quantità (1925) dai chimici olandesi Anton E. van Arkel e J.H. de Boer dalla decomposizione termica del tetraioduro di zirconio, ZrI4. Allinizio degli anni 40, William Justin Kroll del Lussemburgo sviluppò il suo processo più economico per produrre il metallo basato sulla riduzione del tetracloruro di zirconio, ZrCl4, da parte del magnesio. Allinizio del 21 ° secolo, i principali produttori di zirconio includevano Australia, Sud Africa, Cina e Indonesia; Mozambico, India e Sri Lanka erano altri produttori.
Dschwen
Lo zirconio è relativamente abbondante nella Terra crosta, ma non in depositi concentrati, ed è tipicamente osservata nelle stelle di tipo S. Lo zircone minerale, che si trova generalmente nei depositi alluvionali in letti di ruscelli, spiagge oceaniche o vecchi letti di laghi, è lunica fonte commerciale di zirconio. La baddeleyite, che è essenzialmente biossido di zirconio puro, ZrO2, è lunico altro importante minerale di zirconio, ma il prodotto commerciale è recuperato più a buon mercato dallo zircone. Lo zirconio è prodotto con lo stesso processo utilizzato per il titanio. Questi minerali di zirconio hanno generalmente un contenuto di afnio che varia da pochi decimi dell1 percento a diversi percento. Per alcuni scopi la separazione dei due elementi non è importante: lo zirconio contenente circa l1% di afnio è accettabile quanto lo zirconio puro.
Luso più importante dello zirconio è nei reattori nucleari per il rivestimento di barre di combustibile, per leghe con luranio e per le strutture del nocciolo del reattore a causa della sua combinazione unica di proprietà. Lo zirconio ha una buona resistenza a temperature elevate, resiste alla corrosione dei refrigeranti che circolano rapidamente, non forma isotopi altamente radioattivi e resiste ai danni meccanici causati dal bombardamento di neutroni. Lafnio, presente in tutti i minerali di zirconio, deve essere scrupolosamente rimosso dal metallo destinato agli usi del reattore perché lafnio assorbe fortemente i neutroni termici.
La separazione di afnio e zirconio viene generalmente eseguita mediante una procedura di estrazione in controcorrente liquido-liquido. Nella procedura, il tetracloruro di zirconio grezzo viene sciolto in una soluzione acquosa di tiocianato di ammonio e il metilisobutilchetone viene passato in controcorrente alla miscela acquosa, con il risultato che il tetracloruro di afnio viene estratto preferenzialmente.
I raggi atomici di zirconio e afnio sono rispettivamente 1,45 e 1,44 Å, mentre i raggi degli ioni sono Zr4 +, 0,74 Å e Hf4 +, 0,75 Å. Lidentità virtuale delle dimensioni atomiche e ioniche, risultante dalla contrazione lantanoide, ha leffetto di rendere il comportamento chimico di questi due elementi più simile che per qualsiasi altra coppia di elementi nota. Sebbene la chimica dellafnio sia stata studiata meno di quella dello zirconio, i due sono così simili che ci si aspetterebbero solo piccolissime differenze quantitative, ad esempio nelle solubilità e volatilità dei composti, nei casi che non sono stati effettivamente studiati.
Lo zirconio assorbe ossigeno, azoto e idrogeno in quantità sorprendenti. A circa 800 ° C (1.500 ° F) si combina chimicamente con lossigeno per produrre lossido, ZrO2. Lo zirconio riduce tali materiali refrattari del crogiolo come gli ossidi di magnesio, berillio e torio. Questa forte affinità per lossigeno e altri gas spiega il suo utilizzo come getter per rimuovere i gas residui nei tubi elettronici. A temperature normali nellaria, lo zirconio è passivo a causa della formazione di una pellicola protettiva di ossido o nitruro. Anche senza questo film, il metallo è resistente allazione di acidi deboli e sali acidi. È meglio sciolto in acido fluoridrico, nel quale procedimento la formazione di complessi fluoro anionici è importante per stabilizzare la soluzione. A temperature normali non è particolarmente reattivo ma diventa abbastanza reattivo con una varietà di non metalli a temperature elevate. A causa della sua elevata resistenza alla corrosione, lo zirconio ha trovato un uso diffuso nella fabbricazione di pompe, valvole e scambiatori di calore.Lo zirconio è anche utilizzato come agente legante nella produzione di alcune leghe di magnesio e come additivo nella fabbricazione di alcuni acciai.