Tsirkoonium (Zr), perioodilise tabeli 4. rühma (IVb) keemiline element, tuumareaktorite struktuurimaterjalina kasutatav metall.
Elemendi omadused
| aatomnumber | 40 |
|---|---|
| aatommass | 91,22 |
| sulamispunkt | 1,852 ° C (3,366 ° F) |
| keemispunkt | 3578 ° C (6 472 ° F) |
| erikaal | 6,49 temperatuuril 20 ° C (68 ° F) |
| oksüdatsiooni olek | +4 |
| elektronide konfiguratsioon | [Kr] 4d 2 5s 2 |
Omadused, esinemine ja kasutusala
Enne 1940. aastate lõppu varjatud tsirkoonium sai oluliseks tuumaenergiarakenduste insenerimaterjaliks, kuna see on neutronitele väga läbipaistev. Element identifitseeriti (1789) tsirkoonis, ZrSiO 4 (tsirkooniumi ortosilikaat), selle oksiidist Saksa keemiku Martin Heinrich Klaprothi poolt ja metalli eraldas (1824) ebapuhtas vormis Rootsi keemik Jöns Jacob Berzelius. Ebapuhas metall, isegi kui see on 99 protsenti puhas, on kõva ja rabe. Kõrgema puhtusastmega valget, pehmet, tempermalmist ja kõrgtugevat metalli toodeti esmakordselt (1925) Hollandi keemikute Anton E. van Arkeli ja JH de Boeri poolt tsirkooniumtetrajodiidi termilisel lagundamisel ZrI 4. 1940ndate alguses töötas William Justin Kroll Luksemburgist välja odavama metalli valmistamise protsessi, mille aluseks oli tsirkooniumtetrakloriidi (ZrCl 4) redutseerimine magneesiumi abil. 21. sajandi alguses kuulusid tsirkooniumi juhtivate tootjate hulka Austraalia, Lõuna-Aafrika, Hiina ja Indoneesia; India Mosambiik ja Sri Lanka olid täiendavad tootjad.
Tsirkooniumi on maakoores suhteliselt rikkalikult, kuid mitte kontsentreeritud maardlates ja seda on iseloomulikult täheldatud S-tüüpi tähtedes. Mineraalne tsirkoon, mida tavaliselt leidub vooluveekogudes, ookeanirandades või vanades järvepõhjades asuvates alluviaalsetes leiukohtades, on ainus tsirkooniumi kaubanduslik allikas. Baddeleyite, mis on põhiliselt puhas tsirkooniumdioksiid, ZrO 2, on ainus teine oluline tsirkooniumi mineraal, kuid kommertstoode saadakse tsirkoonist odavamalt. Tsirkooniumi toodetakse samal viisil kui titaani puhul. Nendes tsirkooniumi mineraalides on hafniumi sisaldus tavaliselt vahemikus mõnest kümnendikust 1 protsendist kuni mitme protsendini. Mõnel juhul pole kahe elemendi eraldamine oluline: tsirkoonium, mis sisaldab umbes 1 protsenti hafniumi, on sama vastuvõetav kui puhas tsirkoonium.
Tsirkooniumi kõige olulisem kasutusala on tuumareaktorites kütusevarraste plakeerimiseks, uraaniga legeerimiseks ja reaktori südamiku struktuurides selle ainulaadsete omaduste kombinatsiooni tõttu. Tsirkoonium on kõrgendatud temperatuuridel hea tugevusega, talub kiiresti ringlevate jahutusvedelike korrosiooni, ei moodusta väga radioaktiivseid isotoope ja talub neutronipommitamisest tulenevaid mehaanilisi kahjustusi. Kõigist tsirkooniumi maakidest esinev hafnium tuleb reaktorikasutuseks mõeldud metallist hoolikalt eemaldada, kuna hafnium absorbeerib tugevalt termilisi neutroneid.
Hafniumi ja tsirkooniumi eraldamine toimub tavaliselt vedeliku-vedeliku vastuvoolu-ekstraheerimise protseduuri abil. Protseduuri käigus lahustatakse töötlemata tsirkooniumtetrakloriid ammooniumtiotsüanaadi vesilahuses ja metüülisobutüülketoon juhitakse vesisegule vastuvoolu, mille tulemusel ekstraheeritakse eelistatavalt hafniumtetrakloriid.
Tsirkooniumi ja hafniumi aatomiraadius on vastavalt 1,45 ja 1,44 Å, ioonide raadiused on Zr 4+, 0,74 Å ja Hf 4+, 0,75 Å. Aatomiliste ja ioonsete suuruste virtuaalne identiteet, mis tuleneb lantanoidide kokkutõmbumisest, muudab nende kahe elemendi keemilise käitumise sarnasemaks kui kõigi teiste tuntud elementide paari puhul. Ehkki hafniumi keemiat on uuritud vähem kui tsirkooniumiga, on need kaks nii sarnased, et tegelikult uurimata juhtudel on oodata vaid väga väikeseid kvantitatiivseid erinevusi - näiteks ühendite lahustuvuse ja lenduvuse osas.
Tsirkoonium neelab hämmastavalt palju hapnikku, lämmastikku ja vesinikku. Umbes 800 ° C (1500 ° F) see ühendab keemiliselt hapnikuga, saades oksiid, ZrO 2. Tsirkoonium redutseerib sellised tulekindlad tiiglid, nagu magneesiumi, berülliumi ja tooriumi oksiidid. See tugev afiinsus hapniku ja teiste gaaside vastu on selle kasutamine getterina jääkgaaside eemaldamiseks elektrontorudes. Õhu normaalsetel temperatuuridel on tsirkoonium passiivne, kuna moodustub oksiidist või nitriidist kaitsev kile. Isegi ilma selle kileta on metall vastupidav nõrkade hapete ja happeliste soolade toimele. See lahustub kõige paremini vesinikfluoriidhappes, selles protseduuris on lahuse stabiliseerimisel oluline anioonsete fluorokomplekside moodustamine. Normaalsetel temperatuuridel ei ole see eriti reaktiivne, kuid muutub kõrgel temperatuuril mitmesuguste mittemetallidega üsna reaktiivseks. Suure korrosioonikindluse tõttu on tsirkoonium leidnud laialdast kasutamist pumpade, ventiilide ja soojusvahetite tootmisel. Tsirkooniumi kasutatakse ka legeeriva ainena mõnede magneesiumisulamite tootmisel ja lisandina teatud teraste tootmisel.
Looduslik tsirkoonium on segu viiest stabiilsest isotoobist: tsirkoonium-90 (51,46 protsenti), tsirkoonium-91 (11,23 protsenti), tsirkoonium-92 (17,11 protsenti), tsirkoonium-94 (17,40 protsenti), tsirkoonium-96 (2,80 protsenti). On olemas kaks allotropi: temperatuuril alla 862 ° C (1584 ° F) on kuusnurkne tihedalt pakendatud struktuur, kehatemperatuuri keskmisest kuubikust kõrgem on see temperatuur.
