Zirconium (Zr), nguyên tố hóa học, kim loại thuộc nhóm 4 (IVb) của bảng tuần hoàn, được sử dụng làm vật liệu cấu trúc cho các lò phản ứng hạt nhân.
Thuộc tính nguyên tố
| số nguyên tử | 40 |
|---|---|
| trọng lượng nguyên tử | 91,22 |
| độ nóng chảy | 1.852 ° C (3.366 ° F) |
| điểm sôi | 3.578 ° C (6.472 ° F) |
| trọng lượng riêng | 6,49 ở 20 ° C (68 ° F) |
| trạng thái oxy hóa | +4 |
| cấu hình electron | [Kr] 4d 2 5s 2 |
Thuộc tính, sự xuất hiện và sử dụng
Zirconium, tối nghĩa trước cuối những năm 1940, đã trở thành một vật liệu kỹ thuật quan trọng cho các ứng dụng năng lượng hạt nhân vì nó rất trong suốt đối với neutron. Nguyên tố được xác định (1789) trong zircon, ZrSiO 4 (zirconium orthosilicate), từ oxit của nó bởi nhà hóa học người Đức Martin Heinrich Klaproth, và kim loại được phân lập (1824) dưới dạng không tinh khiết bởi nhà hóa học người Thụy Điển Jöns Jacob Berzelius. Kim loại không tinh khiết, ngay cả khi tinh khiết 99 phần trăm, cứng và giòn. Kim loại trắng, mềm, dễ uốn và dễ uốn có độ tinh khiết cao hơn lần đầu tiên được sản xuất với số lượng (1925) bởi các nhà hóa học người Hà Lan Anton E. van Arkel và JH de Boer bởi sự phân hủy nhiệt của zirconium tetraiodide, ZrI 4. Đầu những năm 1940, William Justin Kroll của Luxembourg đã phát triển quy trình sản xuất kim loại rẻ hơn dựa trên việc khử zirconium tetrachloride, ZrCl 4, bằng magiê. Đầu thế kỷ 21, các nhà sản xuất zirconium hàng đầu bao gồm Úc, Nam Phi, Trung Quốc và Indonesia; Mozambique, Ấn Độ và Sri Lanka là những nhà sản xuất bổ sung.
Zirconium tương đối phong phú trong lớp vỏ Trái đất, nhưng không có trong các lớp trầm tích tập trung và được quan sát một cách đặc trưng trong các ngôi sao loại S. Khoáng vật zircon, thường được tìm thấy trong các lớp phù sa ở lòng suối, bãi biển hoặc đáy hồ cũ, là nguồn thương mại duy nhất của zirconium. Baddeleyite, về cơ bản là zirconium dioxide, ZrO 2, là khoáng chất zirconium quan trọng duy nhất khác, nhưng sản phẩm thương mại được thu hồi rẻ hơn từ zircon. Zirconium được sản xuất theo quy trình tương tự như được sử dụng cho titan. Các khoáng chất zirconium này thường có hàm lượng hafnium thay đổi từ vài phần mười của 1 phần trăm đến vài phần trăm. Đối với một số mục đích, việc tách hai nguyên tố không quan trọng: zirconium chứa khoảng 1% hafnium được chấp nhận như zirconium nguyên chất.
Việc sử dụng zirconium quan trọng nhất là trong các lò phản ứng hạt nhân để bọc các thanh nhiên liệu, để hợp kim với urani và cho các cấu trúc lõi lò phản ứng vì sự kết hợp các tính chất độc đáo của nó. Zirconium có sức mạnh tốt ở nhiệt độ cao, chống ăn mòn từ các chất làm mát lưu thông nhanh, không hình thành các đồng vị phóng xạ cao và chịu được thiệt hại cơ học từ sự bắn phá neutron. Hafnium, có mặt trong tất cả các quặng zirconi, phải được loại bỏ một cách cẩn thận khỏi kim loại dành cho sử dụng lò phản ứng vì hafnium hấp thụ mạnh các neutron nhiệt.
Việc tách hafnium và zirconium thường được thực hiện bằng quy trình chiết ngược dòng chất lỏng-lỏng. Trong quy trình, tetraclorua zirconium thô được hòa tan trong dung dịch ammonium thiocyanate và methyl isobutyl ketone được truyền ngược dòng vào hỗn hợp nước, với kết quả là tetraclorua hafnium được chiết xuất tốt hơn.
Bán kính nguyên tử của zirconium và hafnium lần lượt là 1,45 và 1,44, trong khi bán kính của các ion là Zr 4+, 0,74 và Hf 4+, 0,75. Nhận dạng ảo của kích thước nguyên tử và ion, do sự co lại của lanthanoid, có tác dụng làm cho hành vi hóa học của hai nguyên tố này giống nhau hơn bất kỳ cặp nguyên tố nào khác được biết. Mặc dù hóa học của hafnium đã được nghiên cứu ít hơn so với zirconium, hai loại này tương tự nhau đến mức chỉ có sự khác biệt định lượng rất nhỏ, ví dụ, về độ hòa tan và độ bay hơi của các hợp chất, sẽ được dự kiến trong các trường hợp chưa được nghiên cứu.
Zirconium hấp thụ oxy, nitơ và hydro với số lượng đáng kinh ngạc. Ở khoảng 800 ° C (1.500 ° F), nó kết hợp hóa học với oxy để tạo ra oxit, ZrO 2. Zirconium làm giảm các vật liệu nồi nấu kim loại chịu lửa như các oxit của magiê, berili và thori. Ái lực mạnh mẽ này đối với oxy và các loại khí khác được sử dụng như là một công cụ để loại bỏ các khí dư trong các ống điện tử. Ở nhiệt độ bình thường trong không khí, zirconi bị động do hình thành màng bảo vệ oxit hoặc nitride. Ngay cả khi không có màng này, kim loại vẫn chịu được tác động của axit yếu và muối axit. Nó được hòa tan tốt nhất trong axit hydrofluoric, trong đó thủ tục hình thành phức hợp fluoro anion rất quan trọng trong việc ổn định dung dịch. Ở nhiệt độ bình thường, nó không đặc biệt phản ứng nhưng trở nên khá phản ứng với nhiều loại phi kim ở nhiệt độ cao. Do khả năng chống ăn mòn cao, zirconium đã được sử dụng rộng rãi trong chế tạo máy bơm, van và bộ trao đổi nhiệt. Zirconium cũng được sử dụng như một tác nhân hợp kim trong sản xuất một số hợp kim magiê và làm phụ gia trong sản xuất một số loại thép.
Zirconium tự nhiên là hỗn hợp của năm đồng vị bền: zirconium-90 (51,46%), zirconium-91 (11,23%), zirconium-92 (17,11%), zirconium-94 (17,40%), zirconium-96 (2,80%). Hai đồng vị tồn tại: dưới 862 ° C (1.584 ° F) một cấu trúc đóng kín hình lục giác, trên nhiệt độ đó là một khối lập phương tập trung vào cơ thể.
