Цирконий – полезные свойства и опасность металла

Этот металл универсален: его свойства используют металлурги, ядерщики, ювелиры, стоматологи, ортопеды. Запасы циркония на планете внушительны, их хватит всем.

Содержание

  1. Что представляет собой
  2. Как был открыт
  3. Как представлен в природе
  4. Месторождения
  5. Технология получения
  6. Физико-химические характеристики
  7. Где используется
  8. Промышленность
  9. Фианиты
  10. Другие сферы
  11. Влияние на человека
  12. Биологическое воздействие
  13. Недостаток/избыток
  14. Питание
  15. Цена
  16. Что представляет собой

    Цирконий – это пластичный серебристо-белый металл.

    Благородно-приглушенный блеск, толика матовости позволяют отличить его от других металлов.

    Элемент периодической системы Менделеева №40. Международное обозначение Zr (Zirconium).

    По составу это пять природных изотопов.

    Как был открыт

    История открытия металла охватывает полтора столетия:

    • Диоксид вещества первым получил немецкий химик Мартин Клапрот (1789 год). Исходником послужил минерал циркон.
    • Почти через сорок лет его шведский коллега Иенс Берцелиус получил свободный, но загрязненный примесями цирконий.
    • Образцы циркония как чистого металла удалось выделить к 1925 году голландцу Антону ван Аркелю.

    Происхождение термина «циркон» толкуют две версии: от созвучных арабского либо фарси. Они означают, соответственно, «киноварь» и «золотистый».

    Как представлен в природе

    Цирконий не относится к редким металлам. Но крупных месторождений не образует, рассеявшись по массиву земной коры.

    Тонна земной коры содержит 170-250 г вещества, литр воды – 0,00005 мг.

    Главная форма нахождения в природе – четыре десятка минералов. Самые известные и распространенные: циркон, бадделеит, эвдиалит. Формула последнего содержит два десятка символов.

    Циркон Эвдиалит

    В структуре всех минералов циркона присутствует гафний. Он же «сопровождает» цирконий на месторождениях.

    Месторождения

    Первая тройка стран по запасам сырья – Австралия, ЮАР, Россия. Крупными массивами породы располагают Бразилия, США, Индия.

    На долю России приходится десятая часть глобальных запасов:

    • Большинство сосредоточено на Европейской части (Мурманская, Тамбовская, Нижегородская области).
    • За Уралом это Томская, Читинская области.
    • Неисчерпаемый резерв представляют сиениты Хибин на Кольском полуострове.

    В США и на Мадагаскаре находят образцы циркона ювелирных либо коллекционных кондиций. В Хибинах – эвдиалиты.

    Технология получения

    Промышленное производство нацелено на получение металлического циркония.

    Кристаллы Циркония

    Для этого циркониевую руду обогащают до отметки 61-65% по диоксиду в составе. Концентрат преобразуют хлоридным, фторидным либо щелочным методами.

    Способ получения технологически чистого вещества (ZrO2) основан на щелочном процессе. Концентрат спекают, выщелачивают, очищают, гидролизуют.

    Физико-химические характеристики

    Физические и химические свойства вещества зависят от состава:

    • Освобожденный от примесей цирконий пластичен, легко обрабатывается при любой температуре (ковка, штамповка, прокат).
    • Даже малые доли газов (азот, водород, кислород, углерод) в составе делают пластичный металл хрупким. Например, наличие более 0,2% кислорода исключает прессовку.
    • При 200°C покрывается оксидной пленкой. Цвет металла меняется.

    Примеси в составе ухудшают характеристики циркония.

    Свойства атома Название, символ, номер Атомная масса
    (молярная масса) Электронная конфигурация Радиус атома Химические свойства Ковалентный радиус Радиус иона Электроотрицательность Электродный потенциал Степени окисления Энергия ионизации
    (первый электрон) Термодинамические свойства простого вещества Плотность (при н. у.) Температура плавления Температура кипения Уд. теплота плавления Уд. теплота испарения Молярная теплоёмкость Молярный объём Кристаллическая решётка простого вещества Структура решётки Параметры решётки Отношение c/a Температура Дебая Прочие характеристики Теплопроводность Номер CAS
    Цирко́ний / Zirconium (Zr), 40
    91,224(2) а. е. м. (г/моль)
    [Kr] 4d2 5s2
    160 пм
    145 пм
    (+4e) 79 пм
    1,33 (шкала Полинга)
    0, +1, +2, +3, +4
     659,7 (6,84) кДж/моль (эВ)
    6,506 г/см³
    2125 K
    4650 K
    19,2 кДж/моль
    567 кДж/моль
    25,3 Дж/(K·моль)
    14,1 см³/моль
    гексагональная
    a = 3,231, c = 5,148 Å
    1,593
    291 K
    (300 K) 22,7 Вт/(м·К)
    7440-67-7

    Мелкодисперсный порошковый цирконий воспламеняется при «средней» температуре. Это единственный недостаток металла.

    Где используется

    Цирконий применяют самостоятельно, в сплавах и соединениях. Для многих сфер его применение избавляет от закупки дорогих благородных металлов.

    Промышленность

    Здесь нашли применение металл и сплавы:

    • Металлургия. Материал огнеупоров для плавильных процессов. Легирующая присадка: 0,8% циркония в составе улучшает механические и утилитарные свойства сталей. Повышается порог прочности, термостойкости медных сплавов.
    • Ядерная энергетика. Начинка реакторов на АЭС (например, оболочка тепловыводящих элементов – ТВЭЛов).
    • Сверхпроводник. Сплав циркония с ниобием (1:3).
    • Конструкционный материал. Арматура, насосы, химическое оборудование, устойчивое к кислотам.

    Его добавляют к керамико-металлическим покрытиям для повышения их химической стойкости.

    Фианиты

    Кубическая модификация диоксида циркония плюс микродозы редкоземельных металлов – основа при производстве фианитов.

    Фианит

    Материал создан в Советском Союзе (1960-е годы), назван по месту изобретения – Физический институт Академии наук СССР (ФИАН).

    Фианит применяется для практических и эстетических целей:

    • Линзы, другая оптика специального назначения.
    • Хирургический инструментарий.
    • Синтетические волокна, проволока.

    Это финансово доступный заменитель натуральных бриллиантов в ювелирных изделиях. Создают камешки нужного цвета, размера, формы. Ювелиры оправляют фианиты золотом, платиной, серебром.

    Другие сферы

    Кроме «серьезных» отраслей, достоинства металла оценены  в других сферах:

    • Пиротехника. Бездымный, яркий фейерверк невозможен без этого металла. Его используют производители химических источников света (осветительные бомбы/ракеты, факелы). Еще больше света дает циркониево-цериевый сплав.
    • Медицина. Оценена «нейтральность» вещества к биологическому воздействию. Из диоксида циркония делают хирургический инструментарий, протезы взамен утраченных костей, разрушенных суставов, зубов.

    В стоматологии керамику на основе циркония ставят выше титановой: она служит пожизненно.

    • Товары широкого потребления. Из циркония, сплавов изготавливают посуду. Химико-биологическая стойкость, другие свойства металла обеспечивают соответствие изделий санитарным стандартам.

    Добавка вещества в эмаль делает ее матово-белой.

    Влияние на человека

    Цирконий не синтезируется биологическими организмами, но может поступать вовнутрь из воздуха либо с пищей.

    Биологическое воздействие

    Металл нашел применение медициной в следующих качествах:

    • Антисептик – стимуляция заживления ран, защита от проникновения инфекций, гноения.
    • Антиаллерген – сглаживает проявления аллергии.
    • Защита от радиации.

    Целители утверждают: серьги из металла в составе исцеляют кожу, гипертонию, артрозы, артриты.

    Недостаток/избыток

    «Отравиться» цирконием из продуктов питания невозможно: он содержится в микродозах.

    Опасным может быть воздействие пыли металла на работников металлургических и добывающих предприятий.

    Симптомы интоксикации:

    • Раздражение кожных покровов.
    • Пневмония.
    • Болезни легких.

    Металл аккумулируется мягкими тканями. Курс лечения предусматривает мероприятия по интоксикации организма.

    Питание

    Цирконием насыщены баранина, орехи (мускат, фисташки), бобовые.  Он есть в перце чили, растительных маслах, крупах (овсяной, рисе, пшенной).

    Ежесуточно человеку требуется 350 – 750 мкг элемента, в зависимости от возраста и массы тела.

    Цена

    Стоимость продукции из циркония определяется видом (руб./кг):

    • Порошок – 7 500.
    • Пруток – 7 760 – 9 750.
    • Концентрат – 108 – 880.
    • Фольга – 114 – 2 560.

    Разброс цены объясняется характеристиками товара (марка изделия, степень обработки, величина партии).

    Источник: jgems.ru

    Читайте также  Квест меч царицы Савской в Kingdom come deliverance
Mila Vitsa