Zirkonium ist ein chemisches Element mit dem Symbol Zr, Atomnummer 40 und Atommasse 91.224. Der Name des Zirkoniums wird vom Mineralzirkon, der wichtigsten Quelle des Zirkoniums genommen. Es ist ein glänzendes, grau-weißes, starkes Übergang-Metall, das Titan ähnelt. Zirkonium wird als ein widerspenstiger und opacifier hauptsächlich verwendet, obwohl geringe Beträge als Legierung von Reagenz für seinen starken Widerstand gegen die Korrosion verwendet werden. Zirkonium bildet eine Vielfalt von anorganischen und Organometallic-Zusammensetzungen wie Zirkonium-Dioxyd und zirconocene dichloride beziehungsweise. Fünf Isotope kommen natürlich vor, von denen drei stabil sind. Zirkonium-Zusammensetzungen haben keine biologische Rolle.

Eigenschaften

Zirkonium ist ein glänzendes, fahlgrau-weißes, weiches, hämmerbares und verformbares Metall, das bei der Raumtemperatur fest ist, obwohl es hart und spröde an der niedrigeren Reinheit wird. In der Puder-Form ist Zirkonium hoch feuergefährlich, aber die feste Form ist für das Zünden viel weniger anfällig. Zirkonium ist gegen die Korrosion durch Alkalien, Säuren, Salz-Wasser und andere Reagenzien hoch widerstandsfähig. Jedoch wird es sich in Salzsäure und Schwefelsäure besonders auflösen, wenn Fluor da ist. Die Legierung mit Zink wird magnetisch unter 35 K.

Der Schmelzpunkt des Zirkoniums ist 1855 °C (3371 °F), und sein Siedepunkt ist 4371 °C (7900 °F). Zirkonium hat eine Elektronegativität 1.33 auf der Skala von Pauling. Der Elemente innerhalb des D-Blocks hat Zirkonium die vierte niedrigste Elektronegativität nach Yttrium, Lutetium und Hafnium.

Am Zimmer stellt Temperaturzirkonium eine sechseckig nahe gepackte Kristallstruktur, α-Zr aus, der zu β-Zr eine Körper - Kubikkristallstruktur an 863 °C ändert. Zirkonium besteht im β-phase bis zum Schmelzpunkt.

ZrZn ist eine von nur zwei Substanzen, um Supraleitfähigkeit und Ferromagnetismus gleichzeitig, mit dem anderen auszustellen, UGe seiend.

Isotope

Natürlich vorkommendes Zirkonium wird aus fünf Isotopen zusammengesetzt. Zr, Zr, Zr und Zr sind stabil. Zr kann doppelten Beta-Zerfall (nicht beobachtet experimentell) mit einer Halbwertzeit mehr erleben als 1.10×10 Jahre. Zr hat eine Halbwertzeit 2.4×10 Jahre, es das am längsten gelebte Radioisotop des Zirkoniums machend. Dieser natürlichen Isotope ist Zr die allgemeinsten, sich zurechtmachenden 51.45 % des ganzen Zirkoniums. Zr ist die am wenigsten allgemeinen, umfassenden nur 2.80 % des Zirkoniums.

Achtundzwanzig künstliche Isotope des Zirkoniums sind synthetisiert worden, sich in der Atommasse von 78 bis 110 erstreckend. Zr ist das am längsten gelebte künstliche Isotop, mit einer Halbwertzeit 1.53×10 Jahre. Zr, das schwerste Isotop des Zirkoniums, ist auch das am kürzesten gelebte mit einer geschätzten Halbwertzeit von nur 30 Millisekunden. Radioaktive Isotope an oder über der Massenzahl 93 Zerfall durch β, wohingegen diejenigen an oder unter 89 Zerfall durch β. Die einzige Ausnahme ist Zr, der durch ε verfällt.

Fünf Isotope des Zirkoniums bestehen auch als metastable isomers: Zr, Zr, Zr, Zr, Zr und Zr. Dieser hat Zr die kürzeste Halbwertzeit in 131 Nanosekunden. Zr ist am längsten hat mit einer Halbwertzeit von 4.161 Minuten gelebt.

Ereignis

Zirkonium hat eine Konzentration von ungefähr 130 Mg/Kg innerhalb der Kruste der Erde und ungefähr 0.026 μg/L in Seewasser. Es wird in der Natur als ein heimisches Metall nicht gefunden, seine innere Instabilität in Bezug auf Wasser widerspiegelnd. Die kommerzielle Hauptquelle des Zirkoniums ist das Silikat-Mineral, der Zirkon (ZrSiO), der in erster Linie in Australien, Brasilien, Indien, Russland, Südafrika und den Vereinigten Staaten, sowie in kleineren Ablagerungen um die Welt gefunden wird. 80 % des Zirkon-Bergwerks kommen in Australien und Südafrika vor. Zirkon-Mittel gehen zu weit weltweite und jährliche Weltzirkonium-Produktion von 60 Millionen Metertonnen ist etwa 900,000 Metertonnen. Zirkonium kommt auch in mehr als 140 anderen Mineralen, einschließlich der gewerblich nützlichen Erze baddeleyite und kosnarite vor.

Zr ist in S-Typ-Sternen relativ reichlich, und er ist an der Sonne und an Meteorsteinen entdeckt worden. Mondfelsen-Proben, die von mehreren Programm-Missionen von Apollo bis den Mond zurückgebracht sind, haben einen ziemlich hohen Zirkoniumdioxid-Inhalt hinsichtlich Landfelsen.

Produktion

Zirkonium ist ein Nebenprodukt des Bergwerks und der Verarbeitung der Titan-Minerale ilmenite und rutile, sowie des Zinnbergwerks. Von 2003 bis 2007 haben Zirkon-Preise von 360 $ bis 840 $ pro Metertonne fest zugenommen.

Auf den sammle von Küstenwasser wird Zirkon enthaltender Sand durch die Spirale concentrators gereinigt, um leichtere Materialien zu entfernen, die dann zurück ins Wasser sicher gelegt werden, weil sie alle natürlichen Bestandteile von Strandsand sind. Mit magnetischen Separatoren werden die Titan-Erze ilmenite und rutile entfernt.

Der grösste Teil von Zirkon wird direkt in kommerziellen Anwendungen verwendet, aber einiges Prozent wird zum Metall umgewandelt. Der grösste Teil von Zr Metall wird durch die Verminderung des Zirkoniums (IV) Chlorid mit Magnesium-Metall im Prozess von Kroll erzeugt. Das Zirkonium der kommerziellen Qualität für den grössten Teil des Gebrauches hat noch einen Inhalt des Hafniums von 1 % bis 3 %. Dieser Verseuchungsstoff ist außer in Kernanwendungen unwichtig. Das resultierende Metall ist sintered bis genug hämmerbar für die Metallbearbeitung.

Trennung von Zr und Hf

Kommerzielles Zirkonium-Metall enthält normalerweise 1-2.5 % des Hafniums, das nicht problematisch ist, weil die chemischen Eigenschaften des Hafniums und Zirkoniums ziemlich ähnlich sind. Ihre neutronabsorbierenden Eigenschaften unterscheiden sich stark jedoch, die Trennung des Hafniums vom Zirkonium für Anwendungen nötig machend, die Kernreaktoren einschließen. Mehrere Trennungsschemas sind im Gebrauch. Die flüssig-flüssige Förderung der Thiocyanate-Oxydableitungen, nutzt die ein bisschen größere Löslichkeit der Hafnium-Ableitung im Methyl isobutyl ketone gegen Wasser aus. Diese Methode wird hauptsächlich in den Vereinigten Staaten verwendet. Zr und Hf können auch durch die Bruchkristallisierung des Kaliums hexafluorozirconate (KZrF) getrennt werden, der in Wasser weniger auflösbar ist als die analoge Hafnium-Ableitung. Die Bruchdestillation des tetrachlorides, auch genannt Ex-Zugdestillation, wird in erster Linie in Europa verwendet. Ein vierfacher VAM (das Vakuumkreisbogen-Schmelzen) Prozess, der mit dem heißen Verdrängen und den verschiedenen rollenden Anwendungen verbunden ist, wird mit Hochdruckhoch-Temperaturbenzin autoclaving geheilt, auf Reaktorrang-Zirkonium hinauslaufend, das ungefähr 10mal teurer ist als die Hafnium-verseuchte Handelssorte. Das getrennte Hafnium kann für Kontrollstangen des Reaktors verwendet werden. Die Trennung des Hafniums ist für Kernanwendungen besonders wichtig, da Hf sehr hohen Neutronabsorptionsquerschnitt, 600mal höher hat als Zirkonium, und deshalb für Reaktoranwendungen entfernt werden muss.

Zusammensetzungen

Wie andere Übergang-Metalle bildet Zirkonium eine breite Reihe von anorganischen Zusammensetzungen und Koordinationskomplexen. Im Allgemeinen sind diese Zusammensetzungen farblose diamagnetic Festkörper, worin Zr die Oxydation hat, setzen IV + fest. Weit sind weniger Zusammensetzungen von Zr (III) bekannt, und Zr (II) ist sehr selten.

Oxyde, Nitride und Karbide

Das allgemeinste Oxyd ist Zirkonium-Dioxyd, ZrO, auch gekennzeichnet als Zirkoniumdioxid. Dieser farblose Festkörper hat außergewöhnliche Bruch-Schwierigkeit und chemischen Widerstand besonders in seiner Kubikform. Diese Eigenschaften machen Zirkoniumdioxid nützlich als ein Thermalbarriere-Überzug, obwohl es auch ein allgemeiner Diamantersatz ist. Zirkonium tungstate ist eine ungewöhnliche Substanz, in der es in allen Richtungen, wenn geheizt, zurückweicht, wohingegen sich die meisten anderen Substanzen, wenn geheizt, ausbreiten. Chlorid von Zirconyl ist ein seltener wasserlöslicher Zirkonium-Komplex, es hat die relativ komplizierte Formel [Zr (OH) (HO)] Kl.

Zirkonium-Karbid und Zirkonium-Nitrid sind widerspenstige Festkörper. Das Karbid wird verwendet, um Bohrwerkzeuge und Schneiden zu machen. Zirkonium (II) hydride ist auch bekannt.

Halogenide und Pseudohalogenide

Alle vier allgemeinen Halogenide, sind ZrF ZrCl, ZrBr und ZrI bekannt. Alle haben polymere Strukturen und sind viel weniger flüchtig als das entsprechende monomeric Titan tetrahalides. Alle neigen zu hydrolyse dazu, den so genannten oxyhalides und die Dioxyde zu geben. Die entsprechenden tetraalkoxides sind auch bekannt. Verschieden von den Halogeniden lösen sich die alkoxides in nichtpolaren Lösungsmitteln auf.

Organische Ableitungen

Chemie von Organozirconium ist die Studie von Zusammensetzungen, die ein Band des Kohlenstoff-Zirkoniums enthalten. Die erste derartige Zusammensetzung war zirconocene dibromide ((CH) ZrBr), berichtet 1952 durch Birmingham und Wilkinson. Das Reagens von Schwartz, bereit 1970 von P. C. Wailes und H. Weigold, ist ein metallocene, der in der organischen Synthese für Transformationen von alkenes und alkynes verwendet ist. Zirkonium ist auch ein Bestandteil von einigen Ziegler-Natta Katalysatoren, verwendet, um Polypropylen zu erzeugen. Diese Anwendung nutzt die Fähigkeit des Zirkoniums aus, Obligationen zu Kohlenstoff umkehrbar zu bilden. Die meisten Komplexe von Zr (II) sind Ableitungen von zirconacene, ein Beispiel, das (CMe) Zr (CO) ist.

Geschichte

Der Zirkonium enthaltende Mineralzirkon und die verwandten Minerale (jargoon, Hyazinthe, jacinth, ligure) wurden in biblischen Schriften erwähnt. Wie man bekannt, hat das Mineral kein neues Element bis 1789 enthalten, als Klaproth einen jargoon von der Insel Ceylon (jetzt Sri Lanka) analysiert hat. Er hat das neue Element Zirkonerde (Zirkoniumdioxid) genannt. Humphry Davy hat versucht, dieses neue Element 1808 durch die Elektrolyse zu isolieren, aber hat gescheitert. Zirkonium-Metall wurde zuerst in einer unreinen Form 1824 von Berzelius durch die Heizung einer Mischung des Kaliums und Kalium-Zirkonium-Fluorids in einer Eisentube erhalten.

Der Kristallbar-Prozess (auch bekannt als der Iodide-Prozess), entdeckt von Anton Eduard van Arkel und Jan Hendrik de Boer 1925, waren der erste Industrieprozess für die kommerzielle Produktion des metallischen Zirkoniums. Der Prozess ist mit der Bildung und nachfolgenden Thermalzergliederung des Zirkoniums tetraiodide verbunden. Diese Methode wurde 1945 durch den viel preiswerteren Prozess von Kroll ersetzt, der von William Justin Kroll entwickelt ist, in dem Zirkonium tetrachloride durch Magnesium reduziert wird:

:ZrCl + 2 Mg  Zr + 2 MgCl

Anwendungen

Etwa 900,000 Tonnen Erze von Zr wurden gewerblich 1995 größtenteils als Zirkon erzeugt.

Zusammensetzungen

Die große Mehrheit von Zirkon wird direkt in einer Vielfalt von hohen Temperaturanwendungen verwendet. Dieses Material ist widerspenstig und hart, sowie gegen den chemischen Angriff widerstandsfähig. Wegen dieser Eigenschaften findet Zirkon viele Anwendungen, von denen wenige hoch veröffentlicht werden. Sein Hauptgebrauch ist als ein opacifier, ein weißes, undurchsichtiges Äußeres zu keramischen Materialien zuteilend. Wegen seines chemischen Widerstands wird Zirkon auch in aggressiven Umgebungen wie Formen für geschmolzene Metalle verwendet. Zirkonium-Dioxyd (ZrO) wird in Laborschmelztiegeln, metallurgischen Brennöfen als ein widerspenstiges Material verwendet, und es kann sintered in ein keramisches Messer sein. Zirkon (ZrSiO) wird in Edelsteine für den Gebrauch in Schmucksachen geschnitten.

Metall

Ein kleiner Bruchteil des Zirkons wird zum Metall umgewandelt, das verschiedene Nische-Anwendungen findet. Wegen des ausgezeichneten Widerstands des Zirkoniums gegen die Korrosion wird es häufig als ein Legierungsagent in Materialien verwendet, die zu aggressiven Umgebungen, wie chirurgische Geräte, leichte Glühfäden und Bewachungsfälle ausgestellt werden. Die hohe Reaktionsfähigkeit des Zirkoniums zu Sauerstoff, offenbar nur bei hohen Temperaturen, ist die Basis von einigen Spezialanwendungen als explosive Zündvorrichtungen und als Hauer in Vakuumtuben. Dasselbe Verhalten ist wahrscheinlich die Basis des Gebrauches von Nano-Partikeln von Zr als pyrophoric Material in explosiven Waffen wie die BLU-97/B Vereinigte Effekten-Bombe für die Brandwirkung.

Kernanwendungen

Ungefähr 1 % der Versorgung von Zr verbrauchend, wird Zirkonium für Hüllkernreaktor-Brennstoffe verwendet. Für diesen Zweck wird es in der Form von zircaloys hauptsächlich verwendet. Die Vorteile der Legierung von Zr sind ihr niedriger Neutronfestnahme-Querschnitt und guter Widerstand gegen die Korrosion unter normalen Dienstbedingungen. Die Entwicklung von effizienten Methoden für die Trennung des Zirkoniums vom Hafnium war für diese Anwendung erforderlich.

Ein Nachteil der Zirkonium-Legierung ist ihre Reaktionsfähigkeit zu Wasser bei hohen Temperaturen, die zur Bildung von Wasserstoffbenzin und zur beschleunigten Degradierung der Kraftstoffstange-Verkleidung führen:

: Zr + 2 HO  ZrO + 2 H

Diese exothermic Reaktion ist unter 100 °C sehr langsam, aber bei der Temperatur über 900 °C ist die Reaktion schnell. Die meisten Metalle erleben ähnliche Reaktionen. Die redox Reaktion ist für die Instabilität von Kraftstoffbauteilen bei hohen Temperaturen wichtig, Diese Reaktion war für eine kleine Wasserstoffexplosion verantwortlich, die zuerst innerhalb des Reaktorgebäudes der Drei-Meile-Insel accidented Kernkraftwerk 1979 beobachtet ist, aber dann wurde das Eindämmungsgebäude nicht beschädigt. Dieselbe Reaktion ist in den Reaktoren 1, 2 und 3 der Fukushima I Kernkraftwerk (Japan) vorgekommen, nachdem das Reaktorabkühlen durch das Erdbeben und die Tsunamikatastrophe unterbrochen wurde, vom 11. März 2011 zum Fukushima I Kernunfälle führend. Nach dem Abreagieren von Wasserstoff im Wartungssaal dieser drei Reaktoren hat die explosive Mischung von Wasserstoff mit Luftsauerstoff explodiert, streng die Installationen und mindestens ein der Eindämmungsgebäude beschädigend. Um Explosion zu vermeiden, wäre das direkte Abreagieren von Wasserstoff zur offenen Atmosphäre eine bevorzugte Designauswahl gewesen. Jetzt, um die Gefahr der Explosion in vielen Eindämmungsgebäuden des unter Druck gesetzten Wasserreaktors (PWR) zu verhindern, wird ein Katalysator-basierter recombinator installiert, um Wasserstoff und Sauerstoff in Wasser bei der Raumtemperatur schnell umzuwandeln, bevor explosivity Grenze erreicht wird.

Aeronautische und Raumindustrien

Materialien, die von Zirkonium-Metall und seinem Oxyd (ZrO) fabriziert sind, werden in Raumfahrzeugteilen für ihren Widerstand gegen die Hitze verwendet. Zirkoniumdioxid ist auch ein Bestandteil in einigen Poliermitteln, wie Schleifräder und Sandpapier.

Hohe Temperaturteile wie combustors, Klingen und Schaufeln in Düsenantrieben und stationären Gasturbinen sind in einem zunehmenden Ausmaß, das durch dünne keramische Schichten wird schützt. Diese keramischen Schichten werden gewöhnlich durch eine Mischung des Zirkoniumdioxids und yttria zusammengesetzt.

Positron-Emissionstomographie-Kameras

Das Isotop Zr ist kürzlich auf das Verfolgen und die Quantifizierung von molekularen Antikörpern mit Kameras der Positron-Emissionstomographie (PET) (eine Methode genannt "das IMMUNO-HAUSTIER") angewandt worden. IMMUNO-HAUSTIER hat Reife in Bezug auf die technische Entwicklung erreicht und geht jetzt in die Phase der breiten Skala klinische Anwendungen ein. Bis neulich, radiolabeling mit Zr war ein kompliziertes Verfahren, das vielfache Schritte verlangt. In 2001-2003 wurde ein verbessertes Mehrschritt-Verfahren mit einer succinylated Ableitung von desferrioxamine B (N-sucDf) als ein bifunctional chelate entwickelt, und eine bessere Weise, Zr zu mAbs zu binden, wurde 2009 berichtet. Die neue Methode ist schnell, besteht aus nur zwei Schritten, und verwendet zwei weit verfügbare Zutaten: Zr und der passende chelate.

Verstorbene Anwendungen

Zirkonium-Karbonat (3ZrO · CO · HO) wurde in Lotionen verwendet, um Giftefeu zu behandeln, aber wurde unterbrochen, weil es gelegentlich schlechte Hautreaktionen verursacht hat.

Sicherheit

Zirkonium hat keine bekannte biologische Rolle, und Zirkonium-Zusammensetzungen sind von der niedrigen Giftigkeit. Der menschliche Körper, enthält durchschnittlich, nur 1 Milligramm des Zirkoniums, und tägliche Aufnahme ist etwa 50 μg pro Tag. Der Zirkonium-Inhalt im menschlichen Blut ist mindestens 10 Teile pro Milliarde. Wasserwerke nehmen sogleich auflösbares Zirkonium auf, aber es ist in Landwerken selten. 70 % von Werken haben keinen feststellbaren Zirkonium-Inhalt und diejenigen, die wirklich nur 5 Teile pro Milliarde haben.

Die Kurzzeitaussetzung von Zirkonium-Puder kann Reizung verursachen, aber sich nur mit den Augen in Verbindung setzen verlangt medizinische Aufmerksamkeit. Die Einatmung von Zirkonium-Zusammensetzungen kann Haut und Lunge granulomas verursachen. Zirkonium-Aerosole können Lungengranulomas verursachen. Die beharrliche Aussetzung vom Zirkonium tetrachloride ist auf vergrößerte Sterblichkeit auf Ratten und Meerschweinchen und eine Abnahme des Bluthämoglobins und der roten Blutzelle in Hunden hinausgelaufen. Die amerikanische Arbeitsschutz-Regierung empfiehlt eine Zeitgrenze des gewogenen Mittelwertes von 5 Mg/M und eine Kurzzeitaussetzungsgrenze von 10 Mg/M für Luftstaub.

Siehe auch

• Zirkonium beeinträchtigt
• Zirkoniumdioxid-Licht

Links

• Chemie in seinem Element podcast (MP3) von der Königlichen Gesellschaft der Chemie-Welt der Chemie: Zirkonium