Historia okrężnictwa, właściwości, struktura, ryzyko, zastosowania

On cyrkon Jest to element metaliczny, który znajduje się w grupie 4 tabeli okresowej i jest reprezentowany przez symbol chemiczny ZR. Należy do tej samej grupy tytanowej, będąc poniżej tego i powyżej hafnio.

Jego imię nie ma nic wspólnego z „cyrkiem”, ale ze złotym lub przedsionym kolorem minerałów, gdzie został rozpoznany po raz pierwszy. W skorupie Ziemi i w oceanach ich atomy w kształcie jonów są związane z krzemionem i tytanem, a zatem składnikiem piasków i graweli.

Metalowy bar Zirchon. Źródło: Danny Peng [CC BY-SA 3.0 (https: // creativeCommons.Org/licencje/by-sa/3.0)]

Można go jednak również znaleźć w izolowanych minerałach; Wśród nich cyrkon, orthanian of Circonio. Możemy również wspomnieć o baddeleleyicie, która odpowiada formalnej mineralogicznej jej tlenku, Zro₂, nazywany określeniem. To naturalne, że te nazwy: „Circonio”, „Circón” i „Circona” zmieniają się i powodują zamieszanie.

Jego odkrywcą był Martin Heinrich Klaproth w 1789 r.; Podczas gdy pierwszą osobą, która go odizolowała, w nieczystej i amorficznej, był Jöns Jakob Berzelius, w 1824 roku. Wiele lat później procesy zostały improwizowane w celu uzyskania większej czystości próbek obwodnicy, a ich zastosowania wzrosły, gdy pogłębiły swoje właściwości.

Cyrkon to srebrny biały metal (obraz doskonały), który ma wysoką odporność na korozję i wysoką stabilność wobec większości kwasów; z wyjątkiem fluorhorowego i gorącego kwasu siarkowego. Jest to element nietoksyczny, chociaż może łatwo strzelać, biorąc pod uwagę jego piroporyczność, ani nie jest uważany za szkodliwy dla środowiska.

Z cyrkonu, jego tlenku i stopów, materiały takie jak krzyki, formy odlewnicze, noże, zegarki, rurki, reaktory, fałszywe diamenty, zostały między innymi. W związku z tym, wraz z tytanem, specjalny metal i dobry kandydat w momencie projektowania materiałów, które muszą oprzeć się wrogim warunkom.

Z drugiej strony z cyrkonu można również zaprojektować materiały do ​​bardziej wyrafinowanych zastosowań; Na przykład: ramy organometaliczne lub organiczne ramy metalowe, które mogą służyć jako heterogeniczne, chłonne, magazynowanie cząsteczek, przepuszczalne stałe, między innymi.

[TOC]

Historia

Uznanie

Starożytne cywilizacje znały już minerały cyrkonu, zwłaszcza cyrkon, który jest przedstawiony jako złote klejnoty koloru podobnego do złota; Stamtąd wyprowadził swoje imię od słowa „Zargun”, co oznacza „Złoty kolor”, z powodu minerału Gergona, złożonego z cyrkonu (ortokrzemian z obrzeży), jego tlenek został rozpoznany po raz pierwszy.

Uznanie to zostało dokonane przez niemieckiego chemika Martina Klaproth w 1789 r., Kiedy badał próbkę próbki z Sir Lanki (do tego czasu Isla de Ceilán) i który rozpuścił się z alkaliami. Ten tlenek nadał nazwę Circrona i stwierdził, że stanowi 70% minerału. Jednak nie udało mu się zmniejszyć go do swojej metalowej formy.

Izolacja

Sir Humphrey Davy też próbował. Dopiero w 1824 r. Szwedzki chemik Jacob Berzelius uzyskał amorficzny i nieczysty określenie, ogrzewając mieszaninę jego fluoru potasowego (k₂Zrf₆) Z metalicznym potasem.

Jednak obwody Berzeliusa były słabym kierowcą energii elektrycznej, oprócz tego, że był nieefektywnym materiałem do każdego zastosowania, jakie mogłyby zaoferować inne metale.

Proces krystaliczny

Cyrkon pozostał przez stulecie, aż do 1925 r. Holenderscy naukowcy Anton Eduard Van Arkel i Jan Hendrik de Boer, opracowali proces krystalicznego paska, aby uzyskać metaliczną otoczenie o większej czystości.

Proces ten polegał na ogrzewaniu okrągłych tetrayoduro₄, Na żarliwym filamencie wolframowym, tak że Zr⁴⁺ skończyło się na ZR; Wynikiem było to, że krystaliczny pasek okrągły pokrył wolfram (podobny do pierwszego obrazu).

Proces KROLL

Wreszcie, proces KROLL zastosowano w 1945 r. W celu uzyskania obwodu metalicznego₄, Zamiast tetrayoduro.

Fizyczne i chemiczne właściwości

Wygląd fizyczny

Lśniąca powierzchnia i srebrny kolor. W przypadku utleniania się staje się ciemnorejisty. Drobno podzielony jest szary i amorficzny kurz (mówiąc powierzchownie).

Liczba atomowa

40

Masa cząsteczkowa

91 224 g/mol

Temperatura topnienia

1855 ° C

Punkt wrzenia

4377 ºC

Temperatura samo -kierunkowego

330 ° C

Gęstość

W temperaturze pokojowej: 6,52 g/cm³

W punkcie topnienia: 5,8 g/cm³

Fusion Heat

14 kJ/mol

Ciepło parowe

591 kJ/mol

Molowa pojemność cieplna

25,36 J/(mol · k)

Elektronialiczność

1.33 w skali Pauling

Energie jonizacyjne

-Po pierwsze: 640,1 kJ/mol (ZR⁺ gazowy)

-Drugi: 1270 kJ/mol (ZR²⁺ gazowy)

-Po trzecie: 2218 kJ/mol (ZR³⁺ gazowy)

Przewodność cieplna

22,6 W/(M · K)

Rezystancja

421 nω · m w 20 ° C

Twardość mohs

5.0

Może ci służyć: bromek sodu (NABR)

Reaktywność

Cyrkon jest nierozpuszczalny w prawie wszystkich mocnych kwasach i zasadach; rozcieńczone, skoncentrowane lub gorące. Wynika to z warstwy ochronnej tlenku, która jest szybko utworzona, gdy jest narażona na atmosferę, pokrywając metal i zapobiegając biegu. Jest jednak bardzo rozpuszczalny w kwasie fluorowym i lekko rozpuszczalny w gorącym kwasie siarkowym.

Nie reaguje z wodą w normalnych warunkach, ale z oparami w wysokich temperaturach w celu uwolnienia wodoru:

ZR + 2 H₂O → Zro₂ + 2 godz₂

A także reaguje bezpośrednio z halogenami w wysokich temperaturach.

Struktura elektroniczna i konfiguracja

Metal Link

Atomy okrężnicze oddziałują ze sobą dzięki ich wiązaniu metalicznym, które są rządzone przez ich elektrony walencyjne, i zgodnie z ich konfiguracją elektroniczną znajdują się na orbitach 4D i 5s:

[Kr] 4d² 5s²

Dlatego cyklonium ma cztery elektrony, tworząc pasma Walencicia S i D, produkt nakładania się odpowiednio orbitali 4D i 5S, wszystkich atomów ZE szklanego. Należy zauważyć, że jest to zgodne z faktem, że cyrkon jest umieszczony w grupie 4 stolika okresowej.

Wynik tego „morza elektronów”, rozprzestrzenianych i przeniesionych we wszystkich kierunkach szkła, jest siłą spójną, która znajduje odbijane w stosunkowo wysokiej temperaturze topnienia (1855 ° C) cyrkonu, w porównaniu z innymi metaliami.

Fazy ​​krystaliczne

Podobnie, siła ta lub wiązanie metaliczne jest odpowiedzialne za zamówienie atomów ZR w celu zdefiniowania zwartej struktury sześciokątnej (HCP); Jest to pierwsza z dwóch faz krystalicznych, oznaczona jako α-Zr.

Tymczasem druga faza krystaliczna, β-Zr, struktury sześciennej wyśrodkowanej w ciele (BCC), pojawia się, gdy zirchon jest podgrzewany do 863 ° C. Jeśli ciśnienie wzrośnie, struktura BCC β-ZR ostatecznie zniekształci; Deformuje się podczas zagęszczania i skracania odległości oddzielającej atomy ZR.

Liczby utleniania

Konfiguracja zestawu elektronicznego pokazuje kiedyś, że jego atom jest w stanie stracić do czterech elektronów, jeśli jest połączony z bardziej elementami elektroonegatywnymi niż. Zatem jeśli zakłada się istnienie kationu Zr⁴⁺, Którego gęstość obciążenia jonowego jest bardzo wysoka, wówczas jego liczba lub status utleniania wyniesie +4 lub Zr (iv).

W rzeczywistości jest to główny i najbardziej stabilny z jego liczby utleniania. Na przykład następująca seria związków ma cyrkon jako +4: Zro₂ (Zr⁴⁺ALBO₂^2-), Zr (wo₄)₂,  Zrbr₄ (Zr⁴⁺Br₄^-) i Zri₄ (Zr⁴⁺Siema₄^-).

Cyrkon może również mieć inne dodatnie liczby utleniania: +1 (Zr⁺), +2 (ZR²⁺) i +3 (ZR³⁺); Jednak ich związki są bardzo rzadkie, więc prawie nie są brane pod uwagę, kiedy ten punkt jest omawiany.

Znacznie mniej uważa się za cyrkon o ujemnych liczbach utleniania: -1 (Zr^-) i -2 (ZR^2-), zakładając istnienie „okręgów takich” anionów.

Aby warunki były wyjątkowe, element, z którym jest łączony, musi mieć niższą elektrooniczność niż element cyrkonu lub musi być powiązany z cząsteczką; jak w przypadku kompleksu anionowego [ZR (CO)₆]^2-, w którym sześć cząsteczek CO jest koordynowanych z centrum ZR^2-.

Gdzie to jest i uzyskaj

Cyrkon

Solidne kryształy okrągłe osadzone w kwarcu. Źródło: Rob Lavinsky, Irocks.COM-CC-BY-SA-3.0 [CC BY-SA 3.0 (https: // creativeCommons.Org/licencje/by-sa/3.0)]

Cyrkon jest znacznie obfitym elementem skorupy ziemskiej i morz. Jego główną rudą jest minerał okrągły (obraz doskonały), którego skład chemiczny to Zrsio₄ lub Zro₂· Sio₂; I w mniejszym stopniu, ze względu na jego brak, minerał Baddeleyita, który jest prawie w pełni skomponowany₂.

Cyrkon wykazuje silną geochemiczną tendencję do kojarzenia się z krzemionem i tytanem, więc wzbogaca piaski i żwiry oceanicznych plaż, złoża aluwialne i gleby jezior, a także skały magmowe, które nie zostały erodowane.

Leczenie i proces KROLL

Dlatego kryształy Ciróna muszą najpierw oddzielić od krysztli Rutilo i Ilmenita, wujka₂, A także z tych z kwarcowych, Sio₂. W tym celu piaski są zbierane i umieszczane w koncentratorach spiralnych, gdzie ich minerały kończą się oddzieleniem w zależności od różnic w ich gęstościach.

Następnie tlenki tytanu są oddzielone przez zastosowanie pola magnetycznego, aż pozostała substancja stała składa się tylko z zirch (już bez faceta₂ Ani Sio₂). Zrobił to, chlor gazowy jest stosowany jako środek redukujący do transformacji Zro₂ do ZRCL₄, Podobnie jak w przypadku tytanu w procesie Kroll:

Zro₂ + 2cl₂ + 2C (900 ° C) → ZRCL₄ + 2co

I wreszcie ZRCL₄ Jest zmniejszony dzięki stopionemu magnezie:

ZRCL₄ + 2 mg (1100 ° C) → 2mgcl₂ + Zr

Powód, dla którego bezpośrednia redukcja nie jest wykonana z Zro₂ Jest tak, ponieważ można tworzyć węgliki, które są jeszcze trudniejsze do zmniejszenia. Wygenerowana gąbka z cyrkonu jest przemywana roztworem kwasu chlorowodorowego i topi się w obojętnej atmosferze helu, aby móc tworzyć metaliczne pręty cyrkonowe.

Może ci służyć: geometria molekularna: koncepcja, typy i przykłady

Oddzielenie cyrkonium hafnium

Cyrkon ma niski odsetek (1 do 3%) w swoim składzie, ze względu na podobieństwo chemiczne między jego atomami.

Samo to nie stanowi żadnego problemu dla większości jego aplikacji; Jednak hafnio nie jest przezroczysty z neutronami, podczas gdy Zirchon tak. Dlatego metaliczny cyrkon musi zostać oczyszczony z zanieczyszczeń Hafnio, aby można było stosować w reaktorach jądrowych.

Aby to osiągnąć, frakcjonowano techniki rozdzielenia mieszaniny, takie jak krystalizacja (ich sole fluorkowe) i destylacja (ich tetrachlorki), a ekstrakcja ciekła ciecz-ciecz jest stosowana przy użyciu ketonu metylowego izobutilowego i rozpuszczalników wodnych.

Izotopy

Cyrkon znajduje się na Ziemi jako mieszanka czterech stabilnych izotopów i jednego radioaktywnego, ale z tak dużym pół -liteą (T_1/2= 2,0 · 10¹⁹ lata), co jest praktycznie równie stabilne jak inne.

Te pięć izotopów, z odpowiednimi obfitościami, wymieniono poniżej:

-⁹⁰ZR (51,45%)

-⁹¹ZR (11,22%)

-⁹²ZR (17,15%)

-⁹⁴ZR (17,38%)

-⁹⁶ZR (2,80%, wspomniane powyżej radioaktywne)

Będąc średnią masą atomową 91 224 u, która znajduje się bliżej ⁹⁰Zr niż ⁹¹Zr. To pokazuje „wagę”, jaką ich izotopy o większej masie atomowej mają, gdy są one uwzględnione w obliczeniach średniej ważonej.

Oprócz ⁹⁶Zr istnieje w naturze Kolejny radioizotop: The ⁹³ZR (T_1/2= 1,53 · 10⁶ lata). Jednak jest to ilości śladów, więc jego wkład w średnią masę atomową, 91 224 lub, jest nikczemny. Właśnie dlatego cyrkon jest daleki od katalogowania jak radioaktywny metal.

Oprócz pięciu naturalnych izotopów cyrkonu i radioizotopu ⁹³ZR, inne sztuczne zostały stworzone (jak dotąd 28), z których ⁸⁸ZR (T_1/2= 83,4 dni), ⁸⁹ZR (T_1/2= 78,4 godziny) i ¹¹⁰ZR (30 milisekund).

Ryzyko

Metal

Cyrkon jest względnie stabilnym metalem, więc żadna z jego reakcji nie jest energiczna; Chyba że jesteś jak drobno podzielony kurz. Gdy powierzchnia arkusza obwodu jest zeskrobana papierką ścierną, odrzuca żarliwe iskry ze względu na jego piroporyczność; Ale są one natychmiast wygaszane w powietrzu.

Jednak to, co stanowi potencjalne ryzyko pożaru, jest podgrzanie proszku cyrkonu w obecności tlenu: oparzenia płomieniem o temperaturze 4460 ° C; Jeden z najgorętszych znanych z metali.

Radioaktywne izotopy okrągły (⁹³Zr i ⁹⁶Zr), emituj promieniowanie tak niskiej energii, które są nieszkodliwe dla żywych istot. Powiedział wszystkie powyższe, że momenty mogą potwierdzić, że metaliczny cyrkon jest elementem nietoksycznym.

Jony

Jony okrężystyczne, Zr⁴⁺, Można je powszechnie rozpowszechniać w naturze w niektórych pokarmach (warzywa i pełnoziarniste) i organizmach. Ciało ludzkie ma średnie stężenie 250 mg cyrkonu i jak dotąd nie ma badań, które powiązały go z objawami lub chorobami z powodu niewielkiego nadmiernego spożycia.

Zr⁴⁺ Może być szkodliwe w zależności od towarzyszących anionów. Na przykład ZRCL₄ Przy wysokich stężeniach okazało się śmiertelne dla szczurów, również wpływające na psy, ponieważ zmniejsza liczbę ich czerwonych krwinek.

Sole okrągły są irytujące dla oczu i gardła i zależy od osoby, czy mogą podrażniać skórę. Jeśli chodzi o płuca, u tych, którzy wdychali je przez przypadek. Z drugiej strony nie ma badań medycznych, które potwierdzają, że cyrkon jest rakotwórczy.

Mając to na uwadze, można powiedzieć, że metaliczne cyrkon, ani jego jony nie stanowią alarmującego ryzyka zdrowia. Istnieją jednak związki cyrkonu, które zawierają aniony, które mogą generować negatywny wpływ na zdrowie i środowisko, szczególnie jeśli są one anionami organicznymi i aromatycznymi.

Aplikacje

- Metal

Cyrkon, jako metal sam w sobie, znajduje różne zastosowania dzięki swoim właściwościom. Jego wysoka odporność na korozję oraz atak silnych kwasów i zasad, a także inne substancje reaktywne, sprawiają, że jest to idealny materiał do produkcji konwencjonalnych reaktorów, rur i wymienników ciepła.

Ponadto, w przypadku cyrkonu i jego stopów, wytwarzane są materiały ogniotrwałe, które muszą wspierać ekstremalne lub delikatne warunki. Na przykład są one używane do produkcji form odlewów, płyt i pojazdów przestrzennych lub obojętnych urządzeń chirurgicznych, aby nie reagują na tkanki ciała.

Z drugiej strony jego piroporyczność jest używana do tworzenia broni i fajerwerków; Ponieważ bardzo drobne cząsteczki cyrkonu mogą łatwo płonąć, mówiąc, że żarliwe iskry. Jego niezwykła reaktywność z tlenem w wysokich temperaturach służy do przechwytywania go wewnątrz uszczelnionych rur i wewnątrz żarówek.

Może ci służyć: jakie są przepisy dotyczące wagi chemii? (Przykłady)

Jednak jego najważniejszym zastosowaniem jest służyć jako materiał do reaktorów jądrowych, ponieważ cyrkon nie reaguje z neutronami uwalnianymi w radioaktywnych spadkach.

- Okręg

Diament z cyrkoniką sześcienną. Źródło: Pixabay.

Wysoka temperatura topnienia (2715 °₂) robi alternatywę nawet lepszą niż to samo cyrkon do produkcji materiałów opornych; Na przykład krzyki, które są odporne na nagle zmiany temperatury, wytrwałej ceramiki, bardziej ostre noże niż stal, szkło,.

Różnorodne cyrkon zwane „okrążeniami sześciennymi” jest używane w biżuterii, ponieważ wraz z nią mogą tworzyć idealne repliki diamentów z procedurującymi fasetami (obraz doskonały).

- Sole i inne

Circonium, sole nieorganiczne lub organiczne, a także inne związki, mają niezliczone zastosowania, wśród których możemy wspomnieć:

-Niebieskie i żółte pigmenty do ceramiki emalii i fałszywych klejnotów (Zrsio₄)

-Chłonność dwutlenku węgla (Li₂Zro₃)

-Powłoki w branży papierowej (octany cyrkonu)

-Antitanspirants (Zrocl₂ oraz mieszanki złożonych soli przestrzennych i aluminiowych)

-Obrazy i atramenty na wrażenia [ZR (CO₃)₃(NH₄)₂]

-Nerki leczenie dializ i do usuwania zanieczyszczeń wody (fosforany i wodorotlenek cyrkonu)

-Kleje [zr (nie₃)₄]

-Katalizatory reakcji organicznych aminacji, utleniania i uwodornienia (dowolny związek cyrkonu wykazujący aktywność katalityczną)

-Dodatki do zwiększenia płynności cementu

-Przepuszczalne substancje stałe jonów alkalicznych

- Ramy organometaliczne

Atomy okrągłe, takie jak jony ZR⁴⁺ Mogą tworzyć linki koordynacyjne z tlenem, Zr^Iv-Lub, w taki sposób, aby mógł oddziaływać bez problemów z natlenionymi ligandami organicznymi; Oznacza to, że obrzezanie jest w stanie uformować kilka związków organometalicznych.

Związki te, kontrolujące parametry syntezy, mogą być stosowane do tworzenia ramorometalicznych ram, lepiej znanych jako organiczne ramy metali (MOF) Struktura metaliczno - organiczna). Materiały te wyróżniają się, że są bardzo porowate i mają atrakcyjne trzy wymiarowe struktury, jak w przypadku Zeolitas.

Ich zastosowania zależą w dużej mierze od wybranych ligandów organicznych do koordynacji z Zirch, a także od optymalizacji warunków syntezy (temperatura, pH, pobudzenie i czas reakcji, relacje molowe, objętości rozpuszczalnika itp.).

UIO-66

Na przykład wśród MOF okrągńców możemy wspomnieć o UIO-66, który jest oparty na interakcjach Zr-Erephalan (kwasu tereftalinowego). Ta cząsteczka, która działa jak łączenie, koordynuje z Zr⁴⁺ Przez twoje grupy -Coo^-, tworząc cztery linki ZR-O.

Naukowcy z University of Illinois, kierowane przez Kennetha Suslicka, zauważyli, że UIO-66, pod intensywnymi siłami mechanicznymi, cierpi na deformację strukturalną, gdy dwa z czterech wiązań Zr-O są zepsute.

W konsekwencji UIO-66 może być wykorzystany jako materiał przeznaczony do rozproszenia energii mechanicznej, nawet będąc w stanie wytrzymać ciśnienie równoważne detonacji TNT przed cierpieniem złamań molekularnych.

MOFS-808

Zmiana kwasu tereftaliowego dla kwasu trimetowego (pierścień benzeniczny z trzema grupami w pozycjach 2, 4, 6), dla cyrkonu pojawia.

Jego właściwości i zdolność do służby jako materiał magazynowania wodoru zostały zbadane; to znaczy cząsteczki m₂ W końcu pozostają w porach MOFS-808, a następnie wyodrębniają je w razie potrzeby.

MIP-202

I wreszcie mamy MOF MIP-202, z Poros Poros Materials Institute. Tym razem wykorzystali kwas asparaginowy (aminokwas) jako wiązanie. Znowu linki ZR-O⁴⁺ a tlen asparaginianu (nieprzyjemnych grup -cooh) są siłami kierunkowymi, które modelują trójwymiarową i porowatą strukturę tego materiału.

MIP-202 okazał się doskonałym sterownikiem protonu (H. H⁺), które poruszają się przez ich pory, z jednego przedziału do drugiego. Dlatego jest kandydatem do wykorzystania jako materiał produkcyjny dla wymienników protonów; które są niezbędne do rozwoju przyszłych akumulatorów wodoru.

Bibliografia

1. Shiver & Atkins. (2008). Chemia nieorganiczna. (Czwarta edycja). MC Graw Hill.
2. Wikipedia. (2019). Cyrkon. Źródło: w:.Wikipedia.org
3. Sarah Pierce. (2019). Co to jest cyrkon? - Używanie, fakty, właściwości i odkrycie. Badanie. Odzyskane z: Study.com
4. John C. Jamieson. (1963). Struktury krystaliczne tytanu, cyrkonu i hafnium przy wysokich ciśnieniach. Tom. 140, wydanie 3562, pp. 72-73. Doi: 10.1126/Science.140.3562.72
5. Stephen Emma. (25 października 2017 r.). MOF z cyrkonu pod ciśnieniem dynamitowym. Odzyskane z: ChemistryWorld.com
6. Wang Sujing i in. (2018). Solidne ramy aminokwasowe z cyrkonu metalowe. doi.Org/10.1038/S41467-018-07414-4
7. Emsley John. (1 kwietnia 2008 r.). Cyrkon. Chemia w swoim żywiole. Odzyskane z: ChemistryWorld.com
8. Kawano Jordan. (S.F.). Cyrkon. Odzyskane z: chemii.Pomona.Edu
9. Dr. Doug Stewart. (2019). Fakty elementów cyrkonowych. Chemicool. Odzyskane z: Chemicool.com
10. Redaktorzy Enyclopaedia Britannica. (5 kwietnia 2019). Cyrkon. Encyclopædia Britannica. Odzyskane z: Britannica.com
11. National Center for Biotechnology Information. (2019). Cyrkon. Baza danych Pubchem. CID = 23995. Odzyskane z: Pubchem.NCBI.NLM.Nih.Gov