Ցիրկոնիում

Ցիրկոնիում (Կաղապար:Lang-la), քիմիական նշանը՝ Zr, տարրերի պարբերական համակարգի 5-րդ պարբերության, 4-րդ խմբի տարր։ Կարգահամարը՝ 40, ատոմական զանգվածը՝ 91,22։ d տարր է, ատոմի արտաքին էլեկտրոնային թաղանթների կառուցվածքն է 4s²4p⁶4d²5s²։ К,L և М թաղանթները լրացված են։ Մետաղական ցիրկոնիումը թեև ոչ մաքուր, սև փոշու ձևով առաջինն ստացել է Ի․ Բերցելիուսը (1825)։ Ցիրկոնիումը արծաթասպիտակ, բնորոշ փայլով մետաղ է։ Առաջացնում է α և β ձևափոխություններ (α↔β անցումը տեղի ունի 863 °C-ում)։

Պատմություն և անվան ծագում

Գնդաձողային մոդել

Ցիրկոնիումը հայանաբերել է գերմանացի քիմիկոս Մ․ Կլապրոաը (1879), որը Ցեյլոնից բերված թանկարժեք բարից՝ ցիրկոնից, անջատեց ցիրկոնիումի օքսիդը (ZrO₂)։ Մետաղական ցիրկոնիումը թեև ոչ մաքուր, սև փոշու ձևով առաջինն ստացել է Ի․ Բերցելիուսը (1825)։

Մաքուր՝ ձուլածո ցիրկոնիում ստացվեց միայն 1925 թվականին, յոդիդային ռաֆինացմամբ (նիդերլանդացի գիտնականներ՝ Ա․ վան Արկել և Ի․ դե Բուր)։

Ցիրկոնիումի անվանումը ծագել է ցիրկոն միներալի անունից։ Ցիրկոնիումը երկրակեղևում տարածված (դանդաղ տեղաշարժվող) տարր է, կազմում է նրա զանգվածի 1,7•10⁻²%-ը (տարածվածությամբ 19-րդն է)։

Բնության մեջ

Ցիրկոնիումը երկրակեղևում տարածված (դանդաղ տեղաշարժվող) տարր է, կազմում է նրա զանգվածի 1,7•10⁻²%-ը (տարածվածությամբ 19-րդն է)։ Հայտնի են ցիրկոնիումի 27 միներալները, որոնցից արդյունաբերական նշանակություն ունեն բադդելեիտը՝ ZrO₂ և ցիրկոնը։ Ցիրկոնիումի կոնցենտրացիան ծովի ջրում կազմում է 5·10⁻⁵ մգ/լ։ Ցիրկոնիումը լիտոֆիլ տարր է։ Բնության մեջ հանդիպում է միայն միացությունների ձևով։ Չնայած նրան, որ ցիրկոնումը ցրված տարր է, հաշվում են մոտ 40 միերալ, որոնցում հանդես է գալիս օքսիդների կամ աղերի տեսքով։

Ցիրկոնը հանդիասնում է ցիրկոնիումի միներալներից ամենատարածվածը։ Բադդելիտը հայտնաբերվել է 1892 թվականին Բրազիլիայում, հիմնական հանքավայրերը գտնվում են Պոսուս դի Կալդաս։ Այստեղ հայտնաբերվել է մոտ 30 տ բադդելիտ։

Հանքավայրեր

Ցիրկոնիումի առավել մեծ հանքավայրերը գտնվում են ԱՄՆ-ում, Ավստրալիայում, Բրազիլիայում, Հնդկաստանում։

Ռուսաստանում ցիրկոնիումի համաշխարհային պաշարները կազմում են 10 %, հիմնական հանքավայրերը գտնվում են՝ Մուրմանսկի մարզում, Տուգանսկում՝ Տոմսկի մարզ, Նիժնի Նովգորոդում։

Ստացում

Ցիրկոն

Ցիրկոնիումի (IV) աղերը հեշտությամբ հիդրոլիզվում են։ Ցիրկոնիումի ստացման հիմնական հումքը ԽՍՀՄ-ում ցիրկոնն է։

Ձուլածո ցիրկոնիումը ստանում են մամլված փոշին վակուումում հալելով։

Գերմաքուր ցիրկոնիումը ստանում են աղեղային վառարանում կամ յոդային ռաֆինացմամբ ստացված մետաղն էլեկտրոնային ճառագայթով հալելով։

Ցիրկոնիումի ստացման հիմանակն եղանակները՝ քլորիդի, ֆտորիդի և ալկալիների կոնցենտրատներն են։

$𝖹𝗋{𝖮}_{\mathrm{𝟤}}\mathsf{+}\mathrm{𝟤}𝖢\mathsf{+}\mathrm{𝟤}𝖢{𝗅}_{\mathrm{𝟤}}\mathsf{\to }𝖹𝗋𝖢{𝗅}_{\mathrm{𝟦}}\mathsf{+}\mathrm{𝟤}𝖢𝖮$

$𝖹𝗋𝖢{𝗅}_{\mathrm{𝟦}}\mathsf{+}\mathrm{𝟤}𝖬𝗀\mathsf{\to }𝖹𝗋\mathsf{+}\mathrm{𝟤}𝖬𝗀𝖢{𝗅}_{\mathrm{𝟤}}$

$𝖹𝗋{𝖮}_{\mathrm{𝟤}}\mathsf{+}{𝖪}_{\mathrm{𝟤}}\mathsf{[}𝖲𝗂{𝖥}_{\mathrm{𝟨}}\mathsf{]}\mathsf{\to }{𝖪}_{\mathrm{𝟤}}\mathsf{[}𝖹𝗋{𝖥}_{\mathrm{𝟨}}\mathsf{]}\mathsf{+}𝖲𝗂{𝖮}_{\mathrm{𝟤}}$

Ֆիզիկական հատկություններ

Ցիրկոնիումը արծաթասպիտակ, բնորոշ փայլով մետաղ է։ Առաջացնում է α և β ձևափոխություններ (α↔β անցումը տեղի ունի 863 °C-ում)։ Ցիրկոնիումի հալman ջերմաստիճանը 1855 °C է, եռմանը՝ 4340 °C, խտությունը՝ 6450 կգ/մ³։ Մաքուր ցիրկոնիումը պլաստիկ է, հեշտությամբ ենթարկվում է մամլման, գլանման և այլ սառը կամ տաք մշակման։

Մետաղների լարման շարքում ցիրկոնիումը գտնվում է ջրածնից (նաև ցինկից և մանգանից) ձախ։ Միացություններում առավելապես քառարժեք է, ցուցաբերում է +4, հազվադեպ՝ + 1, +2 և +3 օքսիդացման աստիճաններ։ Քիմիական հատկություններով նման է հաֆնիումին։

Սովորական պայմաններում ձուլածո ցիրկոնիում քիմիապես պասսիվ է և կոռոզիակայուն, պատվում է օքսիդի պաշտպանիչ շերտով։ Թթվածնի հետ հեշտությամբ միանում է 800 °C-ից բարձր տաքացնելիս (200-400 °C-ում՝ շատ դանդաղ)։

Քիմիական հատկություններ

Ցիրկոնիումի փոշին ինքնահրկիզվող է, օդում կարող է բռնկվել անգամ սենյակային ջերմաստիճաններում։ Առաջանում է ցիրկոնիումի (IV) օքսիդ՝ ZrO₂։

$\mathrm{Z}\mathrm{r}\mathrm{+}\mathrm{2}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}\mathrm{\rightleftharpoons }\mathrm{Z}\mathrm{r}{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}\mathrm{+}\mathrm{2}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}$

Ցիրկոնիումը ջրածնի հետ առաջացնում է հիդրիդներ՝ ZrH, ZrH₂, և պինդ լուծույթներ։

Ֆտորի հետ ցիրկոնիումը միանում է սովորական պայմաններում, մյուս հալոգենների հետ՝ տաքացնելիս (200 °C), ստացվում են ցիրկոնիումի (IV) հալոգենիդները՝ ZrX₄։

$\mathrm{Z}\mathrm{r}\mathrm{+}\mathrm{2}{\mathrm{I}}_{\mathrm{2}}\mathrm{\rightleftharpoons }\mathrm{Z}\mathrm{r}{\mathrm{I}}_{\mathrm{4}}$

$\mathrm{Z}\mathrm{r}{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}\mathrm{+}\mathrm{2}\mathrm{C}\mathrm{+}\mathrm{2}\mathrm{C}{\mathrm{l}}_{\mathrm{2}}\stackrel{900^{\circ }C}{\to }\mathrm{Z}\mathrm{r}\mathrm{C}{\mathrm{l}}_{\mathrm{4}}\mathrm{+}\mathrm{2}\mathrm{C}\mathrm{O}$

Տաքացնելիս ցիրկոնիումը միանում է նաև բորի, ազոտի (700-800 °C), ածխածնի (900 °C) հետ՝ առաջացնելով բորիդ՝ ZrB₂, նիտրիդ՝ ZrN և կարբիդ՝ ZrC։

Մետաղների հետ առաջացնում է համաձուլվածքներ և ներմետաղական միացություններ։ Ցիրկոնիումը կայուն է ջրի և ջրային գոլորշիների (մինչև 300 °C), աղաթթվի, նոսր (< 50%) ծծմբական թթվի և ալկալիների նկատմամբ (միակ մետաղն է» որ չի լուծվում ամոնիակ պարունակող ալկալիներում)։

$\mathrm{Z}\mathrm{r}\mathrm{C}{\mathrm{l}}_{\mathrm{4}}\mathrm{+}\mathrm{2}\mathrm{M}\mathrm{g}\mathrm{⟶}\mathrm{Z}\mathrm{r}\mathrm{+}\mathrm{2}\mathrm{M}\mathrm{g}\mathrm{C}{\mathrm{l}}_{\mathrm{2}}$

Ազոտական թթվում և արքայաջրում լուծվում է տաքացնելիս (>100 °C)։ Ցիրկոնիումի (IV) աղերը հեշտությամբ հիդրոլիզվում են։

$\mathrm{Z}{\mathrm{r}}^{\mathrm{4}\mathrm{+}}\mathrm{+}\mathrm{4}\mathrm{N}{\mathrm{H}}_{\mathrm{3}}\mathrm{+}\mathrm{4}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}\mathrm{⟶}\mathrm{Z}\mathrm{r}\mathrm{(}\mathrm{O}\mathrm{H}{\mathrm{)}}_{\mathrm{4}}\mathrm{\downarrow }\mathrm{+}\mathrm{4}\mathrm{N}{H}_{\mathrm{4}}^{\mathrm{+}}$

$\mathrm{Z}\mathrm{r}\mathrm{(}\mathrm{O}\mathrm{H}{\mathrm{)}}_{\mathrm{4}}\mathrm{⟶}\mathrm{Z}\mathrm{r}{\mathrm{O}}_{\mathrm{2}}\mathrm{+}\mathrm{2}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{O}$

Կիրառություն

Ցիրկոնիումի ձող

Ցիրկոնիումը և նրա համաձուլվածքներն օգտագործվում են միջուկային ռեակտորներում, հրթիռներում, թռչող և այլ սարքերում, քիմիական մեքենաշինության մեջ։

Փոշեկերպ ցիրկոնիում օգտագործվում է պիրոտեխնիկայում և պայթուցիկ նյութերի արտադրության մեջ։ Ցիրկոնային հրակայուն նյութերն (պարունակում են ZrO₂ կամ ZrSiO₄) օգտագործվում են մետաղաձուլության և հրթիռաշինության մեջ։

Ցիրկոնիումի միացություններ

Ցիրկոնիումի կարբիդ

Ցիրկոնիումի կարբիդ, ZrC, ցիրկոնիումի միացությունն ածխածնի հետ։ Մոխրագույն, դժվարահալ (3800 °C), բյուրեղական նյութ է։ Լուծվում է արքայաջրում և տաք, խիտ ծծմբական թթվում։ Օգտագործվում է որպես մետաղների դժվարահալ ծածկույթներ, հղկանյութ, խեցանյութերի բաղադրիչ։

Ցիրկոնիումի դիբորիդ

Ստացվում է ցիրկոնիումի տետրաքլորիդի սինթեզով.

$\mathrm{Z}\mathrm{r}\mathrm{C}{\mathrm{l}}_{\mathrm{4}}\mathrm{+}\mathrm{2}\mathrm{B}\mathrm{B}{\mathrm{r}}_{\mathrm{3}}\mathrm{+}\mathrm{5}{\mathrm{H}}_{\mathrm{2}}\mathrm{⟶}\mathrm{Z}\mathrm{r}\mathrm{B}{\mathrm{r}}_{\mathrm{2}}\mathrm{+}\mathrm{4}\mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{l}\mathrm{+}\mathrm{6}\mathrm{H}\mathrm{B}\mathrm{r}$

$\mathrm{7}\mathrm{Z}\mathrm{r}\mathrm{+}\mathrm{3}{\mathrm{B}}_{\mathrm{4}}\mathrm{C}\mathrm{+}{\mathrm{B}}_{\mathrm{2}}{\mathrm{O}}_{\mathrm{3}}\mathrm{⟶}\mathrm{Z}\mathrm{r}{\mathrm{B}}_{\mathrm{2}}\mathrm{+}\mathrm{3}\mathrm{C}\mathrm{O}$

Իզոտոպներ

Բնական ցիրկոնիումը բաղկացած է ⁹⁰Zr (51,46 %), ⁹¹Zr (11,13), ⁹²Zr (17,11), ⁹⁴Zr (17,4) և ⁹⁶Zr (2,8) կայուն իզոտոպներից։ Ստացվել են 81-99 զանգվածի թվերով 14 ռադիոակտիվ իզոտոպները, որոնցից ⁹⁵Zr (T_1/2= 95 օր) օգտագործվում է որպես իզոտոպային ինդիկատոր։ Ամենից կայուն է ⁹³Zr (T_1/2= 1,5•10⁶ տարի, β^-) իզոտոպը։

Տես նաև

• Պարբերական աղյուսակ

Գրականություն

• Hans Breuer: dtv-Atlas Chemie, Band 1. 9. Auflage, dtv-Verlag, 2000, ISBN 3-423-03217-0.
• M. Binnewies: Allgemeine und Anorganische Chemie. 1. Auflage, Spektrum Verlag, 2004, ISBN 3-8274-0208-5.
• N. N. Greenwood, A. Earnshaw: Chemie der Elemente. 1. Auflage, VCH Verlagsgesellschaft, 1988, ISBN 3-527-26169-9.

Արտաքին հղումներ

• Chemistry in its element podcast (MP3) from the Royal Society of Chemistry's Chemistry World: Zirconium
• Zirconium at The Periodic Table of Videos (University of Nottingham)