Цирконий - история и происхождение названия. Цирконий, циркон, диоксид циркония

Цирконий (лат. Zirconium ; обозначается символом Zr) - элемент побочной подгруппы четвёртой группы пятого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 40.

История открытия циркония

В 1789 г. член Берлинской академии наук Мартин Генрих Клапрот опубликовал результаты анализа драгоценного камня, привезенного с берегов Цейлона. В ходе этого анализа было выделено вещество, которое Клапрот назвал цирконовой землей. Происхождение этого названия объясняют по-разному. Одни находят его истоки в арабском слове «заркун», что значит минерал, другие считают, что слово «цирконий» произошло от двух персидских слов «цар» – золото и «гун» – цвет (из-за золотистой окраски драгоценной разновидности циркона – гиацинта).

Выделенное Клапротом вещество не было новым элементом, но было окислом нового элемента, который впоследствии занял в таблице Д.И. Менделеева сороковую клетку. Пользуясь современными символами, формулу вещества, полученного Клапротом, записывают так: ZrO 2 . Чистый цирконий удалось получить лишь спустя 35 лет, но об этом далее.

Нахождение циркония в природе

Соединения циркония широко распространены в литосфере. По разным данным содержание металла в земной коре от 170 до 250 г/т. Цирконий – литофильный элемент. В природе известны его соединения исключительно с кислородом в виде окислов и силикатов. Несмотря на то, что цирконий рассеянный элемент, насчитывается около 40 минералов, в которых цирконий присутствует в виде окислов или солей. В природе распространены главным образом циркон (ZrSiO 4)(67,1% ZrO 2), бадделеит (ZrO 2) и различные сложные минералы (эвдиалит (Na, Ca) 5 (Zr, Fe, Mn) и др.). Во всех земных месторождениях цирконию сопутствует Hf, который входит в минералы циркона благодаря изоморфному замещению атома Zr.

Циркон является самым распространенным циркониевым минералом. Он встречается во всех типах пород, но главным образом в гранитах и сиенитах. В графстве Гиндерсон (шт. Северная Каролина) в пегматитах были найдены кристаллы циркона длиной в несколько сантиметров, а на Мадагаскаре были обнаружены кристаллы, вес которых исчисляется килограммами.

Бадделеит был найден Юссаком в 1892 г в Бразилии. Основное месторождение находится в районе Посус-ди-Калдас (Бразилия). Там была найдена глыба бадделеита весом около 30 т, а в водных потоках и вдоль обрыва бадделеит встречается в виде аллювиальной гальки диаметром до 7,5 мм, известной под названием фавас (от португальского fava - боб). Фавас обычно содержит свыше 90 % двуокиси циркония. Несмотря на то, что цирконий рассеянный элемент, насчитывается около 40 минералов, в которых цирконий присутствует в виде окислов или солей. Основные промышленные минералы: циркон ZrSiO4 , 4% HfO2), бадделеит ZrO2 (до 73,9% Zr, 4 – 6% HfO2).

Получение циркония

Через 35 лет после опытов первооткрывателя металла Клапрота, известнейшему шведскому химику Йенсу Якобу Берцелиусу удалось получить металлический цирконий. Берцелиус восстановил фторцирконат калия металлическим натрием:

К2 + 4Na → Zr + 2KF + 2NaF

и получил серебристо-серый металл.

Цирконий, образовавшийся в результате этой реакции, был хрупким из-за значительного содержания примесей. Металл не поддавался обработке и не смог найти практического применения. Но можно было предположить, что очищенный цирконий, подобно многим другим металлам, окажется достаточно пластичным.

В XIX и начале XX в. многие ученые пытались получить чистый цирконий, но все попытки долгое время заканчивались неудачей. Не помог испытанный алюмотермический метод, не привели к цели опыты, авторы которых стремились получить металлический цирконий из растворов его солей. Последнее объясняется в первую очередь высоким химическим сродством циркония к кислороду.

Для того чтобы можно было получить какой-либо металл электролизом из раствора его соли, этот металл должен образовывать одноатомные ионы. А цирконий таких ионов не образует. Сульфат циркония Zr(SO4)2, например, существует только в концентрированной серной кислоте, а при разбавлении начинаются реакции гидролиза и комплексообразования. В конечном счете получается:

Zr(SO4)2 + Н2О → (ZrO)SO4 + H2SO4.

В водном растворе гидролизуется и хлористый цирконий:

ZrCl4 + Н2О → ZrOCl2 + 2HCl.

Некоторые исследователи считали, что им удалось-таки получить цирконий электролизом растворов, но они были введены в заблуждение видом продуктов, осевших на электродах. В одних случаях это были действительно металлы, но не цирконий, а никель или медь, примеси которых содержались в циркониевом сырье; в других - внешне похожая на металл гидроокись циркония.

Лишь в 20-х годах нашего столетия (через 100 лет после того, как Берцелиус получил первые образцы циркония!) был разработан первый промышленный способ получения этого металла.

Это метод «наращивания», разработанный голландскими учеными ван Аркелем и де Буром. Суть его заключается в том, что летучее соединение (в данном случае тетрайодид циркония ZrI4) подвергается термическому распаду в вакууме и на раскаленной нити вольфрама откладывается чистый металл.

Этим способом был получен металлический цирконий, поддающийся обработке - ковке, вальцовке, прокатке - примерно так же легко, как медь.

Позже металлурги обнаружили, что пластические свойства циркония зависят главным образом от содержания в нем кислорода. Если в расплавленный цирконий проникнет свыше 0,7% кислорода, то металл будет хрупким из-за образования твердых растворов кислорода в цирконии, свойства которых сильно отличаются от свойств чистого металла.

Метод наращивания получил сначала некоторое распространение, но высокая стоимость циркония, полученного этим методом, сильно ограничивала области его применения. А свойства циркония оказались интересными. (О них ниже.) Назрела необходимость в разработке нового, более дешевого способа получения циркония. Таким методом стал усовершенствованный метод Кролля.

Метод Кролля позволяет получать цирконий при вдвое меньших затратах, чем по методу наращивания. Схема этого производства предусматривает две основные стадии: двуокись циркония хлорируется, а полученный четыреххлористый цирконий восстанавливается металлическим магнием под слоем расплавленного металла. Конечный продукт - циркониевая губка переплавляется в прутки и в таком виде направляется потребителю.

Физические свойства циркония

Компактный металлический цирконий внешне очень похож на сталь. Он ничем не проявляет своей химической активности и в обычных условиях по отношению к атмосферным газам ведет себя исключительно инертно. Кажущаяся химическая пассивность циркония объясняется довольно традиционно: на его поверхности всегда есть невидимая окисная пленка, предохраняющая металл от дальнейшего окисления. Чтобы полностью окислить цирконий, надо повысить температуру до 700°C. Только тогда окисная пленка частично разрушится, а частично растворится в металле.

Итак, 700°C - тот температурный предел, за которым кончается химическая стойкость циркония. К сожалению, и эта цифра слишком оптимистична. Уже при 300°C цирконий начинает более активно взаимодействовать с кислородом и другими компонентами атмосферы: водяными парами (образуя двуокись и гидрид), с углекислым газом (образуя карбид и двуокись), с азотом (продукт реакции - нитрид циркония). Но при температурах ниже 300°C окисная пленка - надежный щит, гарантирующий высокую химическую стойкость циркония.

Иначе, чем компактный металлический цирконий, ведут себя на воздухе его порошок и стружка. Это пирофорные вещества, которые легко самовозгораются на воздухе даже при комнатной температуре. При этом выделяется много тепла. Циркониевая пыль в смеси с воздухом способна даже взрываться.

Интересно отношение циркония к воде. Явные признаки взаимодействия металла с водой долгое время не видны. Но на поверхности смоченного водой циркония происходит не совсем обычный для металлов процесс. Как известно, многие металлы под действием воды подвергаются гальванической коррозии, которая заключается в переходе их катионов в воду. Цирконий же и под действием воды окисляется и покрывается защитной пленкой, которая в воде не растворяется и предотвращает дальнейшее окисление металла.

Перевести ионы циркония в воду проще всего растворением некоторых его солей. Химическое поведение четырехвалентного иона циркония в водных растворах очень сложно. Оно зависит от множества химических факторов и процессов, протекающих в водных растворах.

Химические свойства циркония

Цирконий существует в двух кристаллических модификациях: a-формы с гексагональной плотноупакованной решёткой (а = 3,228 ; с = 5,120) и b-формы с кубической объёмноцентрированной решёткой (а = 3,61). Переход a -> b происходит при 862 °C. Плотность a-циркония (20 °C) 6,45 г/см3; tпл 1825 ? 10 °C; tкип 3580–3700 °C; удельная теплоёмкость (25–100 °C) 0,291 кдж/(кг×К) , коэффициент теплопроводности (50 °C) 20,96 вт/(м×К) ; температурный коэффициент линейного расширения (20–400 °C) 6,9×10–6; удельное электрическое сопротивление циркония высокой степени чистоты (20°C) 44,1 мком×см. температура перехода в состояние сверхпроводимости 0,7 К. цирконий парамагнитен; удельная магнитная восприимчивость увеличивается при нагревании и при -73 °C равна 1,28×10–6, а при 327 °C - 1,41×10–6. Сечение захвата тепловых нейтронов (0,18 ? 0,004)×10–28 м2, примесь гафния увеличивает это значение. Чистый цирконий пластичен, легко поддаётся холодной и горячей обработке (прокатке, ковке, штамповке). Наличие растворённых в металле малых количеств кислорода, азота, водорода и углерода (или соединений этих элементов с цирконием) вызывает хрупкость циркония Модуль упругости (20 °C) 97 Гн/м2 (9700 кгс /мм2); предел прочности при растяжении 253 Мн/м2 (25,3 кгс/мм2); твёрдость по Бринеллю 640–670 Мн/м2 (64–67 кгс/мм2); на твёрдость очень сильное влияние оказывает содержание кислорода: при концентрации более 0,2% цирконий не поддаётся холодной обработке давлением.

Внешняя электронная конфигурация атома Zr 4d25s2. Для циркония характерна степень окисления +4. Более низкие степени окисления +2 и +3 известны для циркония только в его соединениях с хлором, бромом и йодом. Компактный цирконий медленно начинает окисляться в пределах 200–400 °C, покрываясь плёнкой циркония двуокиси ZrO2; выше 800 °C энергично взаимодействует с кислородом воздуха. Порошкообразный металл пирофорен - может воспламеняться на воздухе при обычной температуре. Цирконий активно поглощает водород уже при 300 °C, образуя твёрдый раствор и гидриды ZrH и ZrH2; при 1200–1300 °C в вакууме гидриды диссоциируют и весь водород может быть удалён из металла. С азотом цирконий образует при 700–800 °C нитрид ZrN. цирконий взаимодействует с углеродом при температуре выше 900 °C с образованием карбида ZrC. Карбид и нитрид циркония - твёрдые тугоплавкие соединения; карбид циркония - полупродукт для получения ZrCl4. Цирконий вступает в реакцию с фтором при обычной температуре, а с хлором, бромом и иодом при температуре выше 200 °C, образуя высшие галогениды ZrX4 (где Х - галоген). Цирконий устойчив в воде и водяных парах до 300 °C, не реагирует с соляной и серной (до 50%) кислотами, а также с растворами щелочей (Цирконий - единственный металл, стойкий в щелочах, содержащих аммиак). С азотной кислотой и царской водкой взаимодействует при температуре выше 100 °C. Растворяется в плавиковой и горячей концентрированной (выше 50%) серной кислотах. Из кислых растворов могут быть выделены соли соответствующих кислот разного состава, зависящего от концентрации кислоты. Так, из концентрированных сернокислых растворов циркония осаждается кристаллогидрат Zr (SO4)2×4H2O; из разбавленных растворов - основные сульфаты общей формулы xZrO2×ySO3×zH2O (где х: y > 1). Сульфаты циркония при 800–900 °C полностью разлагаются с образованием двуокиси циркония Из азотнокислых растворов кристаллизуется Zr (NO3)4×5H2O или ZrO (NO3)2×xH2O (где х =? 2–6), из солянокислых растворов - ZrOCl2×8H2O, который обезвоживается при 180–200 °C

Биологическая роль циркония и его физиологическое действие

Цирконий не играет биологической роли в организме. Жителям России памятны пресловутые циркониевые браслеты, якобы снижающие артериальное давление, но не оказывающие реального терапевтического действия.

О воздействии соединений циркония на организм ничего не известно. Согласно письму Министерства здравоохранения РФ браслеты из циркония в качестве медицинских изделий не представлялись и к применению в медицинских целях не разрешались. Сведениями о терапевтических свойствах браслетов Минздрав России не располагает.

Добыча и потребление циркония

Потребление

Мировое потребление цирконового концентрата в середине 90-х гг. оценивалось в 920 тыс. т. В последующие годы оно постепенно росло и в 2001 г. составило 1,07 млн т. Основные потребители цирконового концентрата - страны Западной Европы (Италия, Испания, Германия и др.) - 366 тыс. т в 2001 г., а также Китай - 150–170 тыс. т, США - 120–130 тыс. т, Япония - 110–120 тыс. т и страны Юго-Восточной Азии.

Большая часть цирконового концентрата используется в керамике (500 тыс. т/год), литейном производ- стве (170 тыс. т/год) и огнеупорах (155 тыс. т/год), а также в производстве диоксида циркония и других химических соединений (94 тыс. т). Структура потребления цирконового концентрата в различных странах неодинакова. В США наибольшее его количество используют в производстве литейных смесей, в Японии - огнеупоров, в Италии, Испании и Китае - строительной и сантехнической керамики.

В последнее время потребление огнеупоров из циркона сократилось, что связано с ростом спроса на высококачественные легированные стали, производство которых не требует использования цирконовых огнеупоров. Постепенно уменьшается и потребление циркона в литейном производстве из-за появления более экономичных заменителей.

Однако в мире в целом это сокращение с лихвой было компенсировано ростом спроса на циркон в производстве керамики и общим ростом потребления в Китае (с 10 до 160 тыс. т в период 1989–2001 гг.). На производство керамических изделий теперь приходится около половины мирового потребления циркона (в 1980 г. всего 25 %).

Прирост потребления циркона в производстве керамики в 2001 г. составил 9 %, тогда как в целом его использование увеличилось на 5 %. Интенсивно росло потребление в производстве экранов мониторов и телевизоров (8 %), а также химических соединений циркония (7 %).

Потребление диоксида циркония активно растет. В конце 90-х гг. оно составляло 36 тыс. т, из которьк половина использовалась в производстве огнеупоров, по 6 тыс. т - керамических пигментов, металла и химических соединений, остальное - в абразивах, электронике, катализаторах, конструкционной керамике и других областях. В 2000–2001 гг. наблюдался значительный рост потребления стабилизированного иттрием оксида циркония для тонкой керамики при производстве оптоволоконного кабеля и других высокотехнологичных продуктов, используемых в коммуникационных сетях, а также порошка оксида циркония для электронной промышленности.

Потребление металлического циркония в мире стабильно и составляет 4–5 тыс. т.

В России в условиях экономической стабильности до начала 90-х гг. потребление цирконовых концентратов (65 % ZrO2) составляло 40–45 тыс. т и при этом потребность удовлетворялась лишь на 50 %. В структуре потребления циркона до 1991 г. основную роль играли огнеупоры (около 40 %) и формовочные смеси для литейного производства (24 %); по 12 % расходовалось для производства металлического циркония и его соединений, строительной керамики и в прочих областях (радиоэлектроника, легкая промышленность и т.д.).

Добыча и производство

Основной товарной циркониевой продукцией служит цирконовый концентрат, на который приходится более 97 % добычи, в небольшом объеме используются бадделеитовый и калдаситовый концентраты.

Производство цирконового концентрата из комплексных циркон-рутил-ильменитовых прибрежно-морских россыпей возрастает, перемежаясь периодами незначительных спадов. Только за 90-е гг. оно увеличилось на 20 % (1,07 млн т концентрата в 2001 г.).

Добыча титансодержащих минералов (к которым относится и цирконий)в мире в 2007 г., по оценке Геологической службы США, составила 6,1 млн. т (в пересчете на диоксид титана), увеличившись по сравнению с 2006 г. на 5%. Мировым лидером в добыче титана стабильно выступает Австралия, располагающая огромными ресурсами т.н. тяжелых песков, содержащих титан и цирконий, и обеспечивающая четверть мировой добычи - 1,55 млн. т в 2007 г. Второе место также прочно занимает ЮАР, добывшая в 2007 г. почти 1,2 млн. т титана, третье - Канада, с объемом добычи порядка 0,8 млн. т в год.

Производство циркониевых концентратов в мире в 2007 г., по оценке Геологической службы США, увеличилось по сравнению с 2006 г. на 5% - до 1,24 млн. т. Основной прирост обеспечила Австралия, крупнейший продуцент циркония, благодаря чему ее удельный вес в мировом показателе возрос на 3 процентных пункта - до 44,5%. Также несколько увеличился выпуск циркониевых концентратов в ЮАР (на 2%), в остальных крупных продуцентах (в Китае, на Украине, в Бразилии, Индии), согласно оценкам Геологической службы США, объёмы производства не изменились.

Цирконий (или циркон) – это один из самых древних драгоценных самоцветов. Он высоко ценится и в ювелирном деле, и в нетрадиционной медицине, благодаря своим многочисленным целебным и магическим свойствам. Каким знакам зодиака подходит камень цирконий? И от каких болезней он поможет избавиться?

Общие сведения о камне

По своим свойствам цирконий очень похож на алмаз, только по более демократичной цене

По своим физическим свойствам циркон вполне может соперничать с алмазом, а по внешнему облику его можно смело ставить в один ряд со многими драгоценными и полудрагоценными камнями. Цирконий обладает эффектным металлическим блеском и огромным многообразием оттенков. Специалисты ювелирного ремесла по достоинству ценят этот натуральный минерал. При всех этих достоинствах, цена этого камня довольно доступна.

«Младший брат алмаза» – так называют его в ювелирной индустрии. Действительно, внешнее сходство этих двух минералов очевидно. В природе циркон встречается и в литосфере, и в морской воде. В промышленных масштабах этот камень добывается в нескольких странах мира: в США, Австралии, Индии, России, Бразилии и Украине.

Часто цирконий называют гиацинтом и старлитом

Откуда происходит название минерала – доподлинно неизвестно. Возможно, слово «циркон» происходит от персидского «zargun», что переводится как «золотой цвет». Кристаллы циркония также часто именуют гиацинтом или старлитом.

Цирконий – это прозрачный минерал, который может иметь широкий спектр оттенков: голубых, зеленоватых, золотистых и даже фиолетовых. Но ювелирами наиболее ценятся камни с максимально прозрачной структурой.

Уникальный минерал цирконий и его история

В Индии цирконий носит название - «камень дракона»

Древние индусы называли цирконий «камнем дракона». Они считали, что именно он управляет главными небесными светилами – Солнцем и Луной. В Индии этот минерал всегда был камнем могущества, богатства и власти.

Циркон справедливо считается старейшим из драгоценных минералов Земли. По возрасту он едва ли не ровесник нашей планеты. Учёные установили, что возраст циркона достигает 3-4 миллиардов лет! Правда, люди оценили все его достоинства не сразу.

Цирконий часто путают с другими минералами

Европейские ювелиры открыли для себя цирконий лишь в начале XVI века. Однако в те времена его очень часто путали с другими, похожими минералами. В промышленности этот камень стал использоваться лишь с 30-х годов ХХ столетия. Применение минерала существенно ограничивалось его высокой себестоимостью. Сегодня циркон, а также его различные сплавы и соединения используются в металлургии, строительстве, ядерной энергетике и медицине. В частности, из этого минерала изготавливают хирургические инструменты, костные и зубные протезы. Кроме того, применяют его и при производстве разнообразной посуды.

Есть ещё один интересный момент, который связан с историей циркония. Физическая Академия наук бывшего СССР смогла получить , который впоследствии стал искусственным заменителем бриллиантов. После этого фианит стали часто путать с цирконием.

Разновидности циркония

Цирконий существует в широкой цветовой палитре

На сегодняшний день, выделяется несколько разновидностей циркония. Главным критерием для такого разделения служит разнообразие расцветок камня. Итак, существуют следующие его виды:

старлит – прозрачный камень, получаемый посредством обжигания (может иметь голубой или синеватый оттенок);
гиацинт – прозрачный минерал красного, оранжевого или коричневатого цвета;
малакон – камень тёмно-коричневого окраса, который содержит в себе малую дозу радиации;
жаргон – минерал жёлтого, соломенного или слегка золотистого окраса;
матарский алмаз – бесцветный и прозрачный камень, добываемый из недр острова Матара (отсюда и название камня).

Физические и химические свойства циркония

С точки зрения химической науки, циркон относится к силикатам. В структуре циркония довольно часто есть примеси других элементов, в частности, меди, железа, цинка, кальция, титана и прочих. Количество примесей определяет цветовую гамму минерала, которая может быть в диапазоне от нежно-золотого до тёмно-коричневого цвета.

В минерале также довольно часто присутствует уран, попадаются экземпляры циркония с высоким радиационным фоном

Чаще всего циркон преобразуется в кристаллы призматической или пирамидальной формы. Под воздействием высоких температур минерал может менять цвет. Это свойство успешно используют ювелиры, получая экземпляры различных цветовых оттенков. Таким образом, цирконий может быть и тёмно-коричневого, и ярко бирюзового цвета. Правда, со временем цвета, полученные путём термического воздействия, тускнеют и исчезают окончательно.

Лечебные свойства циркония

Литотерапевты (термин происходит от двух слов: «лито» – камень и «терапия» – лечение) называют цирконий универсальным лечебным камнем. Его воздействие на организм человека во многом зависит от конкретного типа и окраса минерала.

Цирконий голубого цвета поможет в лечении заболеваний желудочно-кишечного тракта

Так, голубой циркон благотворно воздействует на работу пищеварительной системы, а гиацинт – выводит из организма шлаки. Минералы тёмных цветов эффективно борются с простудой и недомоганиями, вызванными переохлаждениями тела. А вот камни жёлтого или красного цвета улучшают аппетит.

Если вы мечтаете о стройной фигуре, то вам следует приобрести прозрачный цирконий. Он поможет сбросить лишний вес.

Практически все виды камня, по словам специалистов литотерапии, положительно воздействуют на эндокринную систему человеческого организма и работу щитовидной железы.

Магические свойства циркония

Цирконий – камень таинственный и мистический. Его магические свойства тоже определяются цветом минерала.

Камень циркония - отличный оберег для тех, кто много путешествует

Камень гиацинт издавна считается прекрасным спутником всех путешественников. Он помогает бизнесменам и работникам умственного труда. Прозрачные камни циркония развивают интеллектуальные способности, помогают в принятии правильных решений, а также развивают дар ясновидения. Камни жёлтого цвета положительно влияют на сексуальную жизнь человека и помогают одиноким людям найти свои половинки. Похожим воздействием обладает цирконий оранжевых оттенков.

Минералы зелёного цвета притягивают деньги и прочие материальные блага к своему владельцу. Цирконы коричневых тонов – надёжные «товарищи» всех работников сельскохозяйственного сектора. Талисман из голубого циркона гармонизирует жизнь и деятельность своего хозяина.

Следует выделить, что абсолютно все цирконы способны вернуть человеку уверенность в себе и своих силах. Минерал будет действовать ещё сильнее в том случае, если он будет помещён в золотую оправу.

Магические свойства камня цирконий для знаков зодиака

Цирконий - один из лучших камней для представителей знака зодиака Водолей

Украшения, амулеты, кулоны и талисманы из камня циркония подходят многим зодиакальным знакам. И прежде всего – . Представителям этого знака камень поможет развить интуицию, способности к анализу и эстетический вкус. Водолеям можно носить украшения из различных видов циркония. Однако лучше всего им подойдут камни жёлтого, золотого или голубого цвета.

История открытия циркония

В 1789 г. член Берлинской академии наук Мартин Генрих Клапрот опубликовал результаты анализа драгоценного камня, привезенного с берегов Цейлона. В ходе этого анализа было выделено вещество, которое Клапрот назвал цирконовой землей. Происхождение этого названия объясняют по-разному. Одни находят его истоки в арабском слове «заркун», что значит минерал, другие считают, что слово «цирконий» произошло от двух персидских слов «цар» - золото и «гун» - цвет (из-за золотистой окраски драгоценной разновидности циркона - гиацинта).

Выделенное Клапротом вещество не было новым элементом, но было окислом нового элемента, который впоследствии занял в таблице Д.И. Менделеева сороковую клетку. Пользуясь современными символами, формулу вещества, полученного Клапротом, записывают так: ZrO2. Чистый цирконий удалось получить лишь спустя 35 лет, но об этом далее.

Нахождение циркония в природе

Металл Цирконий. Соединения циркония широко распространены в литосфере. По разным данным содержание металла в земной коре от 170 до 250 г/т. Цирконий - литофильный элемент. В природе известны его соединения исключительно с кислородом в виде окислов и силикатов. Несмотря на то, что цирконий рассеянный элемент, насчитывается около 40 минералов, в которых цирконий присутствует в виде окислов или солей. В природе распространены главным образом циркон (ZrSiO4)(67,1% ZrO2), бадделеит (ZrO2) и различные сложные минералы (эвдиалит (Na, Ca)5(Zr, Fe, Mn) и др.). Во всех земных месторождениях цирконию сопутствует Hf, который входит в минералы циркона благодаря изоморфному замещению атома Zr.

Бадделеит был найден Юссаком в 1892 г в Бразилии. Основное месторождение находится в районе Посус-ди-Калдас (Бразилия). Там была найдена глыба бадделеита весом около 30 т, а в водных потоках и вдоль обрыва бадделеит встречается в виде аллювиальной гальки диаметром до 7,5 мм, известной под названием фавас (от португальского fava -- боб). Фавас обычно содержит свыше 90 % двуокиси циркония. Несмотря на то, что цирконий рассеянный элемент, насчитывается около 40 минералов, в которых цирконий присутствует в виде окислов или солей. Основные промышленные минералы: циркон ZrSiO4 , 4% HfO2), бадделеит ZrO2 (до 73,9% Zr, 4 - 6% HfO2).

Происхождение этого названия объясняют по-разному. Одни находят его истоки в арабском слове «зар-кун», что значит минерал, другие считают, что слово «цирконий» произошло от двух персидских слов «цар» - и «гун» - цвет (из-за золотистой окраски драгоценной разновидности циркона - гиацинта).

Получение циркония

Выделенное Клапротом вещество не было новым элементом, но было окислом нового элемента, который впоследствии занял з таблице Д. И. Менделеева сороковую клетку. Пользуясь современными символами, формулу , полученного Клапротом, записывают так: ZrO2.

Через 35 лет после опытов Клапрота известнейшему шведскому химику Йенсу Якобу Берцелиусу удалось получить металлический . Берцелиус восстановил фторцирконат калия металлическим натрием:

K2 + 4Na → Zr + 2KF + 4NaF

и получил серебристо-серый металл.

Образовавшийся в результате этой реакции, был хрупким из-за значительного содержания примесей. Металл не поддавался обработке и не смог найти практического применения. Но можно было предположить, что очищенный , подобно многим другим металлам, окажется достаточно пластичным.

В XIX и начале XX в. многие ученые пытались получись чистый цирконий, но все попытки долгое время заканчивались неудачей. Не помог испытанный алюмотер-мический метод, не привели к цели опыты, авторы которых стремились получить металлический цирконий из растворов его солей. Последнее объясняется в первую очередь высоким химическим сродством циркония к кислороду.

Для того чтобы можно было получить какой-либо металл электролизом из раствора его соли, этот металл должен образовывать одноатомные ионы. А цирконий таких ионов не образует. Сульфат циркония Zr (SО4)2, например, существует только в концентрированной серной кислоте, а при разбавлении начинаются реакции гидролиза и комплексообразования. В конечном счете получается

Zr(SО4)2 + Н2О → (ZrO)SО4 + H2SО4.

В водном растворе гидролизуется и хлористый цирконий

ZrCl4 + Н2О → ZrOCl2 + 2НСl

Некоторые исследователи считали, что им удалось-таки получить цирконий электролизом растворов, но они были введены в заблуждение видом продуктов, осевших на электродах. В одних случаях это были действительно , но не цирконий, а или , примеси которых содержались в циркониевом сырье; в других - внешне похожая на металл гидроокись циркония.

Этим способом был получен металлический цирконий, поддающийся обработке - ковке, вальцовке, прокатке - примерно так же легко, как .

Позже металлурги обнаружили, что пластические свойства циркония зависят главным образом от содержания в нем кислорода. Если в расплавленный цирконий проникнет свыше 0,7% кислорода, металл будет хрупким из-за образования твердых растворов кислорода в цирконии, свойства которых сильно отличаются от свойств чистого металла.

Метод получение циркония наращивания получил сначала некоторое распространение, но высокая стоимость циркония, полученного этим методом, сильно ограничивала области его применения. А свойства циркония оказались интересными.

Назрела необходимость в разработке нового, более дешевого способа получения циркония. Таким методом стал усовершенствованный метод Кролля.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Цирконий

В 1789 г. член Берлинской академии наук Мартин Генрих Клапрот опубликовал результаты анализа драгоценного камня, привезенного с берегов Цейлона. В ходе этого анализа было выделено вещество, которое Клапрот назвал цирконовой землей. Происхождение этого названия объясняют по разному. Одни находят его истоки в арабском слове «заркун», что значит минерал, другие считают, что слово «цирконий» произошло от двух персидских слов «цар» - золото и «гун» - цвет (из-за золотистой окраски драгоценной разновидности циркона - гиацинта).

Как получали и получают цирконий

Через 35 лет после опытов Клапрота известнейшему шведскому химику Йенсу Якобу Берцелиусу удалось получить металлический цирконий. Берцелиус восстановил фторцирконат калия металлическим натрием:

К 2 + 4Na > Zr + 2KF + 2NaF

и получил серебристо-серый металл.

Для того чтобы можно было получить какой-либо металл электролизом из раствора его соли, этот металл должен образовывать одноатомные ионы. А цирконий таких ионов не образует. Сульфат циркония Zr(SO 4) 2 , например, существует только в концентрированной серной кислоте, а при разбавлении начинаются реакции гидролиза и комплексообразования. В конечном счете получается:

Zr(SO 4) 2 + Н 2 О > (ZrO)SO 4 + H 2 SO 4 .

В водном растворе гидролизуется и хлористый цирконий:

ZrCl 4 + Н 2 О > ZrOCl 2 + 2HCl.

Это метод «наращивания», разработанный голландскими учеными ван Аркелем и де Буром. Суть его заключается в том, что летучее соединение (в данном случае тетрайодид циркония ZrI 4) подвергается термическому распаду в вакууме и на раскаленной нити вольфрама откладывается чистый металл.

Двуокись циркония

Пока ученые искали способ получения металлического циркония, практики уже начали применять некоторые из его соединений, в первую очередь двуокись циркония. Свойства двуокиси циркония в значительной мере зависят от того, каким способом она получена. ZrO 2 , образующаяся при прокаливании некоторых термически нестойких солей циркония, нерастворима в воде. Слабо прокаленная двуокись хорошо растворяется в кислотах, но, сильно прокаленная, она становится нерастворимой в минеральных кислотах, исключая плавиковую.

Еще одно интересное свойство: сильно нагретая двуокись циркония излучает свет настолько интенсивно, что ее можно применять в осветительной технике. Этим ее свойством воспользовался известный немецкий ученый Вальтер Герман Нернст. Стержни накаливания в лампе Нернста были изготовлены из ZrO 2 . В качестве источника света раскаленная двуокись циркония иногда и сейчас служит при лабораторных опытах.

В промышленности двуокись циркония первыми применили силикатные производства и металлургия. Еще в начале нашего века были изготовлены цирконовые огнеупоры, которые служат в три раза дольше обычных. Огнеупоры, содержащие добавку ZrO 2 , позволяют провести до 1200 плавок стали без ремонта печи. Это много.

Цирконовые кирпичи потеснили шамот (широко распространенный огнеупорный материал на основе глины или каолина) при выплавке металлического алюминия, и вот почему. Шамот сплавляется с алюминием, и на его поверхности образуются наросты шлака, которые надо периодически счищать. А цирконовые кирпичи расплавленным алюминием не смачиваются. Это позволяет печам, футерованным цирконом, непрерывно работать в течение десяти месяцев.

Значительные количества двуокиси циркония потребляют производства керамики, фарфора и стекла.

Список отраслей промышленности, нуждающихся в двуокиси циркония, можно было бы продолжить еще и еще. Но посмотрим, на что пригодился металлический цирконий, который так долго не удавалось получить.

Цирконий и металургия

Самым первым потребителем металлического циркония была черная металлургия. Цирконий оказался хорошим раскислителем. По раскисляющему действию он превосходит даже марганец и титан. Одновременно цирконий уменьшает содержание в стали газов и серы, присутствие которых делает ее менее пластичной.

Стали, легированные цирконием, не теряют необходимой вязкости в широком интервале температур, они хорошо сопротивляются ударным нагрузкам. Поэтому цирконий добавляют в сталь, идущую на изготовление броневых плит. При этом, вероятно, учитывается и тот факт, что добавки циркония положительно сказываются и на прочности стали. Если образец стали, не легированной цирконием, разрушается при нагрузке около 900 кг, то сталь той же рецептуры, но с добавкой всего лишь 0,1% циркония выдерживает нагрузку уже в 1600 кг.

Значительные количества циркония потребляет и цветная металлургия. Здесь его действие весьма разнообразно. Незначительные добавки циркония повышают теплостойкость алюминиевых сплавов, а многокомпонентные магниевые сплавы с добавкой циркония становятся более коррозионно-устойчивыми. Цирконий повышает стойкость титана к действию кислот. Коррозионная стойкость сплава титана с 14% Zr в 5%-ной соляной кислоте при 100°C в 70 раз (!) больше, чем у технически чистого титана. Иначе влияет цирконий на молибден. Добавка 5% циркония удваивает твердость этого тугоплавкого, но довольно мягкого металла.

Есть и другие области применения металлического циркония. Высокая коррозийная стойкость и относительная тугоплавкость позволили использовать его во многих отраслях промышленности. Фильеры для производства искусственного волокна, детали горячей арматуры, лабораторное и медицинское оборудование, катализаторы - вот далеко не полный перечень изделий из металлического циркония.

Однако не металлургия и не машиностроение стали основными потребителями этого металла. Огромные количества циркония потребовались ядерной энергетике.

Проблема циркония «реакторной чистоты»

В ядерную технику цирконий пришел не сразу. Для того чтобы стать полезным в этой отрасли, металл должен обладать определенным комплексом свойств. (Особенно, если он претендует на роль конструкционного материала при строительстве реакторов.) Главное из этих свойств - малое сечение захвата тепловых нейтронов. В принципе эту характеристику можно определить как способность материала задерживать, поглощать нейтроны и тем самым препятствовать распространению цепной реакции.

Величина сечения захвата нейтронов измеряется в барнах. Чем больше эта величина, тем больше нейтронов поглощает материал и тем сильнее препятствует развитию цепной реакции. Естественно, что для реакционной зоны реакторов выбираются материалы с минимальным сечением захвата.

У чистого металлического циркония эта величина равна 0,18 барна. Многие более дешевые металлы имеют сечениа захвата такого же порядка: у олова, например, оно равно 0,65 барна, у алюминия - 0,22 барна, а у магния - всего 0,06 барна. Но и олово, и магний, и алюминий легкоплавки и нежаропрочны; цирконий же плавится лишь при 1860°C.

Казалось, единственное ограничение - довольно высокая цена элемента №40 (хотя для этой отрасли денег жалеть не приходится), но возникло другое осложнение.

В земной коре цирконию всегда сопутствует гафний. В циркониевых рудах, например, его содержание обычно составляет от 0,5 до 2,0%. Химический аналог циркония (в менделеевской таблице гафний стоит непосредственно под цирконием) захватывает тепловые нейтроны в 500 раз интенсивнее циркония. Даже незначительные примеси гафния сильно сказываются на ходе реакции. Например, 1,5%-ная примесь гафния в 20 раз повышает сечение захвата циркония.

Перед техникой встала проблема - полностью разделить цирконий и гафний. Если индивидуальные свойства обоих металлов весьма привлекательны, то их совместное присутствие делает материал абсолютно непригодным для атомной техники.

Проблема разделения гафния и циркония оказалась очень сложной - химические свойства их почти одинаковы из-за чрезвычайного сходства в строении атомов. Для их разделения применяют сложную многоступенчатую очистку: ионный обмен, многократное осаждение, экстракцию.

Все эти операции значительно удорожают цирконий, а он и без того дорог: пластичный металл (99,7% Zr) во много раз дороже концентрата. Проблема экономичного разделения циркония и гафния еще ждет своего решения.

И все-таки цирконий стал «атомным» металлом

Об этом, в частности, свидетельствуют такие факты. На первой американской атомной подводной лодке «Наутилус» был установлен реактор из циркония. Позже выяснилось, что выгоднее делать из циркония оболочки топливных элементов, а не стационарные детали активной зоны реактора.

Тем не менее производство этого металла увеличивается из года в год, и темпы этого роста необыкновенно высоки. Достаточно сказать, что за десятилетие, с 1949 по 1959 г., мировое производство циркония выросло в 100 раз! По американским данным, в 1975 г. мировое производство циркония составило около 3000 т.

Цирконий, воздух и вода

В предыдущих главах почти ничего не рассказано о химических свойствах элемента №40. Главная причина этого - нежелание повторять многие статьи и монографии об элементах-металлах. Цирконий - типичнейший металл, характерный представитель своей группы (и подгруппы) и своего периода. Ему свойственна довольно высокая химическая активность, которая существует, однако, в скрытой форме.

О причинах этой скрытности и отношении циркония к воде и компонентам воздуха стоит рассказать подробнее.

Перевести ионы циркония в волу проще всего растворением некоторых его солей. Химическое поведение четырехвалентного иона циркония в водных растворах очень сложно. Оно зависит от множества химических факторов и процессов, протекающих в водных растворах.

Существование иона Zr +4 «в чистом виде» маловероятно. Долгое время, считали, что в водных растворах цирконий существует в виде ионов цирконила ZrO +2 . Более поздние исследования показали, что в действительности в растворах кроме цирконил-ионов присутствует большое число различных комплексных - гидратированных и гид-ролизованных - ионов циркония. Их общая сокращенная формула (4 p - m)+ .

Такое сложное поведение циркония в растворе объясняется большой химической активностью этого элемента. Препаративный цирконий (очищенный от ZrO 2) вступает во множество реакций, образуя простые и сложные соединения. «Секрет» повышенной химической активности циркония кроется в строении его электронных оболочек. Атомы циркония построены таким образом, что им свойственно стремление присоединить к себе как можно больше других ионов; если таких ионов в растворе недостаточно, то ионы циркония соединяются между собой и происходит полимеризация. При этом химическая активность циркония утрачивается; реакционная способность полимеризованных ионов циркония намного ниже, чем неполимеризованных. При полимеризации уменьшается и активность раствора в целом.

Такова в общих чертах «визитная карточка» одного из важных металлов нашего времени - элемента №40, циркония.

«Несовершенные алмазы»

В средние века были хорошо известны ювелирные украшения из так называемых несовершенных алмазов. Несовершенство их заключалось в меньшей, чем у обычного алмаза, твердости и несколько худшей игре цветов после огранки. Было у них и другое название - матарские (по месту добычи - Матаре, району острова Цейлон). Средневековые ювелиры не знали, что используемый ими драгоценный минерал - это монокристаллы циркона, основного минерала циркония. Циркон бывает самой различной окраски - от бесцветного до кроваво-красного. Красный драгоценный циркон ювелиры называют гиацинтом. Гиацинты известны очень давно. По библейскому преданию, древние первосвященники носили на груди 12 драгоценных камней и среди них гиацинт.

Редкий ли

В виде различных химических соединений цирконий широко распространен в природе. Его содержание в земной коре довольно велико - 0,025%, по распространенности он занимает двенадцатое место среди металлов. Несмотря на это, цирконий пользуется меньшей популярностью, чем многие из действительно редких металлов. Это произошло из-за крайней рассеянности циркония в земной коре и отсутствия крупных залежей его природных соединений.

Природные соединения циркония

Их известно более сорока. Цирконий присутствует в них в виде окислов или солей. Двуокись циркония, бадделеит ZrO 2 , и силикат циркония, циркон ZrSiO 4 имеют наибольшее промышленное значение. Самые мощные из разведанных залежей циркона и бадделеита расположены в США, Австралии, Бразилии. Индии, Западной Африке.

СССР располагает значительными запасами цирконового сырья, находящимися в различных районах Украины, Урала и Сибири.

PbZrO 3 - пьезоэлектрик

Пьезокристаллы нужны для многих радиотехнических приборов: стабилизаторов частот, генераторов ультразвуковых колебаний и других. Иногда им приходится работать в условиях повышенных температур. Кристаллы цирконата свинца практически не изменяют своих пьезоэлектрических свойств при температуре до 300°C.

Цирконий и мозг

Высокая коррозийная стойкость циркония позволила применить его в нейрохирургии. Из сплавов циркония делают кровоостанавливающие зажимы, хирургический инструмент и иногда даже нити для наложения швов при операциях мозга.

Подобные документы

Общая характеристика химических элементов IV группы таблицы Менделеева, их нахождение в природе и соединения с другими неметаллами. Получение германия, олова и свинца. Физико-химические свойства металлов подгруппы титана. Сферы применения циркония.

презентация , добавлен 23.04.2014

Родственник циркония. Назван в честь древнелатинского названия Копенгагена (Гафния). Цирконий и гафний - химические близнецы. Гафний в ядерных реакторах. Использование гафния в электротехнической и радиотехнической промышленности.

реферат , добавлен 22.04.2007

История открытия урана, его физические и химические свойства. Сферы применения уранат натрия, соединений урана, карбида урана-235 в сплаве с карбидом ниобия и карбидом циркония. Изотопы урана как разновидности атомов (и ядер) химического элемента.

реферат , добавлен 19.12.2010

Наноматериалы. Материалы на основе наноразмерного диоксида циркония. Принципы технологии получения нанокерамических композиций. Дифрактограммы полученных гидротермальным синтезом наноразмерных порошков. Продолжительность изотермической выдержки.

реферат , добавлен 04.02.2009

Уравнение состояния идеального газа. Электронные формулы атомов и элементов. Валентные электроны для циркония. Последовательное изменение окислительной способности свободных галогенов и восстановительной способности галогенид-ионов от фтора к йоду.

контрольная работа , добавлен 02.02.2011

История и происхождение названия меди, ее нахождение в природе. Физические и химические свойства элемента, его основные соединения. Применение в промышленности, биологические свойства. Нахождение серебра в природе и его свойства. Сведения о золоте.

курсовая работа , добавлен 08.06.2011

Характеристика элемента. Получение магния. Физические и химические свойства магния. Соединения магния. Неорганические соединения. Магнийорганические соединения. Природные соединения магния. Определение магния в почвах, в воде. Биологическое значение магни

реферат , добавлен 05.04.2004

Металлический барий и его распространенность в природе. Получение металлического бария. Электролиз хлорида бария. Термическое разложение гидрида. Химические и физические свойства. Применение. Соединения (общие свойства). Неорганические соединения.

История и свойства олова. Происхождение названия титана, его аллотропические модификации, химические и физические свойства. Основные характеристики, позволяющие использовать данный металл. Применение титана и его сплавов в отраслях промышленности.

реферат , добавлен 27.05.2014

История происхождения никеля. Степень распространенности элемента в природе, содержание его в месторождениях руд. Получение, химические и физические свойства металла. Виды никелевых сплавов. Использование соединений и чистого никеля в современной технике.