Цирконий

ЦИРКОНИЙ, Zr (лат. Zirсоnium * а. zirсоnium; н. Zirkonium; ф. zirсоnium; и. cirсоnio), — химический элемент IV группы периодической системы Менделеева, атомный номер 40, атомная масса 91,22. В природе 5 стабильных изотопов: ⁹⁰Zr (51,45%), ⁹¹Zr (11,22%), ⁹²Zr (17,15%), ⁹⁴Zr (17,38%) и ⁹⁶Zr (2,80%); известно 10 искусственных изотопов циркония с массовыми числами от 84 до 98.

Свойства циркония

Первоначально цирконий в виде оксида (ZrO₂) был выделен в 1789 немецким химиком М. Г. Клапротом при исследовании минерала циркона ZrSiO₄, отсюда и названием элемента. Порошкообразный цирконий в 1824 получил шведский учёный Й. Я. Берцелиус, металлический пластичный цирконий в 1925 — нидерландские исследователи А. ван Аркел и И. де Бур (при термической диссоциации йодида циркония).

Компактный цирконий — блестящий серебристо-белый металл. До температуры 863°С для циркония характерна гексагональная плотноупакованная кристаллическая решётка (а = 0,3228 нм, с = 0,512 нм) — а-Zr; при более высокой — кубическая объёмноцентрированная (а = 0,361 нм) — (Я-Zr); плотность а-Zr 6500 кг/м³, t плавления 1855°С, t кипения около 4337°С; теплопроводность 20,96 Вт/м•К. Молярная теплоёмкость 25,98 Дж/моль•К, удельное электрическое сопротивление 40,5•10^-4 Ом•м; температурный коэффициент линейного расширения 6,3•10^-6К^-1; парамагнитен. Чистый металлический цирконий пластичен.

Химические свойства циркония

Характерная степень окисления циркония +4, реже +3, +2, +1. При нормальных условиях цирконий устойчив к действию неорганических кислот и щелочей; реагирует с кислородом, галогенами; поглощает водород и азот. При нагревании взаимодействует с царской водкой, фтористоводородной и серной кислотами.

Цирконий в природе

Среднее содержание циркония в земной коре 1,7• 10^-2% (по массе), причём различные горные породы содержат примерно равные количества этого элемента; магматические (ультраосновные 3•10^-3, основные 1•10^-2, кислые 2•10^-2) и осадочные 2•10^-2%. Известно около 27 минералов циркония; промышленное значение имеют циркон и бадделеит. Основным типом промышленных месторождений являются прибрежно-морские и элювиально-делювиальные россыпи, а также щелочные и гранитные пегматиты.

Получение и применение

Цирконий получают в результате спекания рудного концентрата циркона с К₂SiF₆, выщелачивания спека и последующего восстановления ZrF₄ магнием или натрием до Zr-губки либо хлорированием концентрата при температуре 900-1000°С в присутствии кокса и затем металлотермического восстановления ZrCl₄ до Zr. Компактный ковкий цирконий получают плавлением в вакуумных дуговых печах Zr-губки.

Сплавы на основе циркония (очищенного от гафния) в качестве конструкционного материала используют при строительстве ядерных реакторов, в ракетостроении, химическом машиностроении и др. Из сплавов циркония и ниобия изготовляют обмотки сверхпроводящих магнитов. Радиоактивный изотоп ⁹⁵Zr (Т_1/2 65,3 суток) используют в научно-исследовательских целях.