Физические свойства и химические свойства циркония

 

Цирконий относится к числу тугоплавких элементов, входящих в четвертую и пятую группу периодической системы. Металл отличается высокой прочностью кристаллической решетки, что определяет повышенную плотность, температуру плавления и стойкость против коррозии.

Природный цирконий состоит из пяти изотопов с массовыми числами 90, 91, 92, 94 и 96. Кроме того, известно восемь искусственных радиоактивных изотопов циркония с массовыми числами 86, 87, 88, 89, 93, 95, 97. Цирконий имеет как металлические, так и металлоидные свойства. Существуют устойчивые нерастворимые цирконаты и гафнаты щелочных металлов типа Me₂MeO₃, а также многочисленные фторцирконаты, в которые цирконий входит в состав в виде анионов со фтором.

При температурах до 100 ^oC цирконий стоек по отношению к соляной, азотной и фосфорной кислотам любой концентрации и к серной кислоте концентрации до 50%; однако он легко растворяется в царской водке и плавиковой кислоте.

Отмечается высокая стойкость циркония по отношению к концентрированным растворам щелочей при повышенных температурах, расплавленным щелочным металлам до 600 ^оС, воде подогретой до 300-350 ^оС и пару до 400 ^оС.

При обыкновенной температуре цирконий стоек на воздухе, но при нагревании взаимодействует с кислородом с выделением значительных количеств тепла.

Коррозийная стойкость циркония значительно уменьшается в присутствии некоторых примесей. При нагревании цирконий образует галоидные соединения: с азотом и водородом - нитриды и гидриды, с углеродом - карбиды. [1]

 

Таблица 1.1 - Физические свойства циркония [1]

Свойство	Величина
Атомная масса	91, 22
Атомный номер	40
Плотность, г/см3	6, 45
Температура плавления, оС	1852
Температура кипения, оС	3580 - 3700
Удельная теплоемкость, кал/г ∙ оС	0, 0693
Теплопроводность при 50 оС кал / (см ∙ сек ∙ оС)	0, 050

 

1.3
Нахождение в природе и минералы циркония

 

Соединения циркония широко распространены в литосфере. Содержание циркония в земной коре 1, 7 ∙ 10^-2 %. Концентрация в морской воде 5 ∙ 10^-5 мг/л. Насчитывается около 40 минералов циркония.

Основной рудообразующий циркониевый минерал - циркон ZrSiO₄, содержащий 49, 5 % Zr. Он встречается во всех видах пород. Меньшее промышленное значение имеет бадделит ZrO₂. Запасы этих минералов превышают 25 - 27 млн. т.

Месторождения третьего минерала - эвдиалита, несмотря на огромные запасы, представляют для циркониевой промышленности лишь потенциальный интерес, потому что содержание циркония в эвдиалите в 5-7 раз меньше, чем в двух предыдущих минералах.

Во всех месторождениях вместе с цирконием присутствует и гафний благодаря изоморфному замещению атома циркония. Гафний не образует самостоятельных минералов, но в виде изоморфной примеси всегда сопутствует цирконию. Содержание двуокиси гафния: в цирконе - 0, 8-0, 8 %; в бадделеите - 0, 1-3, 5 %; в эвдиалите - 0, 1-1 %. Производство гафния может быть организовано лишь при комплексном использовании циркониевых руд.

В настоящее время разрабатываются россыпные месторождения, образованию которых способствовали высокая плотность, большая твердость, отсутствие спайности и химическая устойчивость минералов. Обычно в шлихах россыпных месторождений содержится 30-70 % рудных минералов, в том числе 0, 5-10 % циркона. Рентабельными считаются россыпи, содержащие не менее 8-10 кг циркона в 1 м³. [1]

Циркониевым минералам сопутствует магнетит, ильменит, рутил, монацит и др.

Наиболее крупные месторождения циркония находятся в США, Австралии, Индии, Бразилии, Марокко, Мавритании, Нигерии и на Шри-Ланке. Мировая доля производства в первых четырех странах составляет 100 - 160 тыс. т в год.

В России, на долю которой приходится 10 % мировых запасов циркония (3 место в мире после Австралии и ЮАР), основными месторождениями являются: Ковдорское коренное бадделит-апатит-магнетитовое в Мурманской области, Туганское россыпное циркон-рутил-ильменитовое в Томской области, Лукояновское россыпное циркон-рутил-ильменитовое в Нижегородской области, Катугинское коренное циркон-пирохлор-криолитовое в Читинской области. [5]

 

Применение циркония

 

В промышленности цирконий стал применяться с 30-х годов XX века. Из-за высокой стоимости его применение ограничено.

Единственным предприятием, специализирующемся на производстве циркония в России (и на территории бывшего СССР), является Чепецкий механический завод < http: //ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A7%D0%B5%D0%BF%D0%B5%D1%86%D0%BA%D0%B8%D0%B9_%D0%BC%D0%B5%D1%85%D0%B0%D0%BD%D0%B8%D1%87%D0%B5%D1%81%D0%BA%D0%B8%D0%B9_%D0%B7%D0%B0%D0%B2%D0%BE%D0%B4> (Глазов < http: //ru.wikipedia.org/wiki/%D0%93%D0%BB%D0%B0%D0%B7%D0%BE%D0%B2>, Удмуртия < http: //ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A3%D0%B4%D0%BC%D1%83%D1%80%D1%82%D0%B8%D1%8F> ).

Области применения циркония и его соединений весьма разнообразны. Значительная часть циркония используется в виде концентратов обогащения без химической переработки или с незначительной химической подготовкой, требующейся для удаления примесей. В больших масштабах потребляется двуокись циркония и в значительно меньших количествах - металл.

Цирконий имеет очень малое сечение < http: //ru.wikipedia.org/wiki/%D0%AF%D0%B4%D0%B5%D1%80%D0%BD%D0%BE%D0%B5_%D1%8D%D1%84%D1%84%D0%B5%D0%BA%D1%82%D0%B8%D0%B2%D0%BD%D0%BE%D0%B5_%D1%81%D0%B5%D1%87%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5> захвата тепловых нейтронов < http: //ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A2%D0%B5%D0%BF%D0%BB%D0%BE%D0%B2%D1%8B%D0%B5_%D0%BD%D0%B5%D0%B9%D1%82%D1%80%D0%BE%D0%BD%D1%8B> и высокую температуру плавления. Поэтому металлический цирконий, не содержащий гафния < http: //ru.wikipedia.org/wiki/%D0%93%D0%B0%D1%84%D0%BD%D0%B8%D0%B9>, и его сплавы < http: //ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D0%BF%D0%BB%D0%B0%D0%B2> применяются в атомной энергетике для изготовления тепловыделяющих элементов < http: //ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A2%D0%B5%D0%BF%D0%BB%D0%BE%D0%B2%D1%8B%D0%B4%D0%B5%D0%BB%D1%8F%D1%8E%D1%89%D0%B8%D0%B9_%D1%8D%D0%BB%D0%B5%D0%BC%D0%B5%D0%BD%D1%82>, тепловыделяющих сборок < http: //ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A2%D0%B5%D0%BF%D0%BB%D0%BE%D0%B2%D1%8B%D0%B4%D0%B5%D0%BB%D1%8F%D1%8E%D1%89%D0%B0%D1%8F_%D1%81%D0%B1%D0%BE%D1%80%D0%BA%D0%B0> и других конструкций ядерных реакторов.

В металлургии применяется в качестве лигатуры < http: //ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9B%D0%B8%D0%B3%D0%B0%D1%82%D1%83%D1%80%D0%B0_(%D0%BC%D0%B5%D1%82%D0%B0%D0%BB%D0%BB%D1%83%D1%80%D0%B3%D0%B8%D1%8F)>. Хороший раскислитель и деазотатор, по эффективности превосходит Mn < http: //ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9C%D0%B0%D1%80%D0%B3%D0%B0%D0%BD%D0%B5%D1%86>, Si < http: //ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9A%D1%80%D0%B5%D0%BC%D0%BD%D0%B8%D0%B9>, Ti < http: //ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A2%D0%B8%D1%82%D0%B0%D0%BD_(%D1%8D%D0%BB%D0%B5%D0%BC%D0%B5%D0%BD%D1%82)>. Легирование < http: //ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9B%D0%B5%D0%B3%D0%B8%D1%80%D0%BE%D0%B2%D0%B0%D0%BD%D0%B8%D0%B5> сталей < http: //ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D1%82%D0%B0%D0%BB%D1%8C> цирконием (до 0, 8 %) повышает их механические свойства и обрабатываемость. Делает также более прочными и жаростойкими сплавы меди < http: //ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9C%D0%B5%D0%B4%D1%8C> при незначительной потере электропроводности < http: //ru.wikipedia.org/wiki/%D0%AD%D0%BB%D0%B5%D0%BA%D1%82%D1%80%D0%BE%D0%BF%D1%80%D0%BE%D0%B2%D0%BE%D0%B4%D0%BD%D0%BE%D1%81%D1%82%D1%8C>.

Цирконий обладает замечательной способностью сгорать в кислороде воздуха (температура самовоспламенения - 250 °C) практически без выделения дыма и с высокой скоростью. При этом развивается самая высокая температура для металлических горючих (4650 °C). За счет высокой температуры образующаяся двуокись циркония < http: //ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9E%D0%BA%D1%81%D0%B8%D0%B4_%D1%86%D0%B8%D1%80%D0%BA%D0%BE%D0%BD%D0%B8%D1%8F(IV)> излучает значительное количество света, что используется очень широко в пиротехнике (производство салютов и фейерверков), производстве химических источников света, применяемых в различных областях деятельности человека (факелы, осветительные ракеты, осветительные бомбы, ФОТАБ - фотоавиабомбы < http: //ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A4%D0%BE%D1%82%D0%BE%D0%BE%D1%81%D0%B2%D0%B5%D1%82%D0%B8%D1%82%D0%B5%D0%BB%D1%8C%D0%BD%D0%B0%D1%8F_%D0%B0%D0%B2%D0%B8%D0%B0%D0%B1%D0%BE%D0%BC%D0%B1%D0%B0>; широко применялся в фотографии в составе одноразовых ламп-вспышек, пока не был вытеснен электронными вспышками). Для применения в этой сфере представляет интерес не только металлический цирконий, но и его сплавы с церием < http: //ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A6%D0%B5%D1%80%D0%B8%D0%B9>, дающие значительно больший световой поток. Порошкообразный цирконий применяют в смеси с окислителями (бертолетова соль < http: //ru.wikipedia.org/wiki/%D0%91%D0%B5%D1%80%D1%82%D0%BE%D0%BB%D0%B5%D1%82%D0%BE%D0%B2%D0%B0_%D1%81%D0%BE%D0%BB%D1%8C> ) как бездымное средство в сигнальных огнях пиротехники и в запалах, заменяя гремучую ртуть < http: //ru.wikipedia.org/wiki/%D0%93%D1%80%D0%B5%D0%BC%D1%83%D1%87%D0%B0%D1%8F_%D1%80%D1%82%D1%83%D1%82%D1%8C> и азид свинца < http: //ru.wikipedia.org/wiki/%D0%90%D0%B7%D0%B8%D0%B4_%D1%81%D0%B2%D0%B8%D0%BD%D1%86%D0%B0>. Проводились удачные эксперименты по использованию горения циркония в качестве источника света для накачки лазера < http: //ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9B%D0%B0%D0%B7%D0%B5%D1%80>.

В виде конструкционного материала идет на изготовление кислотостойких химических реакторов < http: //ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A5%D0%B8%D0%BC%D0%B8%D1%87%D0%B5%D1%81%D0%BA%D0%B8%D0%B9_%D1%80%D0%B5%D0%B0%D0%BA%D1%82%D0%BE%D1%80>, арматуры, насосов. Цирконий применяют как заменитель благородных металлов. В атомной энергетике цирконий является основным материалом оболочек твэлов < http: //ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A2%D0%B5%D0%BF%D0%BB%D0%BE%D0%B2%D1%8B%D0%B4%D0%B5%D0%BB%D1%8F%D1%8E%D1%89%D0%B8%D0%B9_%D1%8D%D0%BB%D0%B5%D0%BC%D0%B5%D0%BD%D1%82>.

Область применения диоксида циркония - производство огнеупоров-бакоров. Применяется в качестве заменителя шамота < http: //ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A8%D0%B0%D0%BC%D0%BE%D1%82>, так как в 3-4 раза увеличивает кампанию в печах для варки стекла и алюминия. Огнеупоры на основе стабилизированной двуокиси применяются в металлургической промышленности для желобов, стаканов при непрерывной разливке сталей, тиглей для плавки редкоземельных элементов. Также применяется в керметах < http: //ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9A%D0%B5%D1%80%D0%BC%D0%B5%D1%82> - керамикометаллических покрытиях, которые обладают высокой твёрдостью и устойчивостью ко многим химическим реагентам, выдерживают кратковременные нагревания до 2750 °C. Двуокись - глушитель эмалей < http: //ru.wikipedia.org/wiki/%D0%AD%D0%BC%D0%B0%D0%BB%D1%8C>, придает им белый и непрозрачный цвет. На основе кубической модификации двуокиси циркония, стабилизированной скандием < http: //ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D0%BA%D0%B0%D0%BD%D0%B4%D0%B8%D0%B9>, иттрием < http: //ru.wikipedia.org/wiki/%D0%98%D1%82%D1%82%D1%80%D0%B8%D0%B9>, редкими землями, получают материал - фианит < http: //ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A4%D0%B8%D0%B0%D0%BD%D0%B8%D1%82>. Этот материал применяется в качестве оптического материала с большим коэффициентом преломления (линзы плоские), в медицине (хирургический инструмент), в качестве синтетического ювелирного камня (дисперсия, показатель преломления и игра цвета больше, чем у бриллианта < http: //ru.wikipedia.org/wiki/%D0%91%D1%80%D0%B8%D0%BB%D0%BB%D0%B8%D0%B0%D0%BD%D1%82> ), при получении синтетических волокон и в производстве некоторых видов проволоки (волочение). При нагревании диоксид циркония проводит ток, что иногда используется для получения нагревательных элементов, устойчивых на воздухе при очень высокой температуре.

Нагретый цирконий способен проводить ионы кислорода как твердый электролит. Это свойство используется в промышленных анализаторах кислорода. [5]

 

⇐ Предыдущая123Следующая ⇒

Поделиться: