Zr · Elemento 40 · Metallo di transizione
Praticamente trasparente ai neutroni, motivo per cui riveste le barre di combustibile di quasi ogni reattore nucleare.
Struttura
Non è un diagramma di punti su gusci — è un campione Monte Carlo dell'effettiva densità di probabilità |ψ|² per ogni sottoguscio occupato. Trascinate per ruotare. Il blu e il violetto indicano i segni opposti della funzione d'onda, che rendono possibile la formazione dei legami.
Valori misurati
Ogni barra mostra dove si colloca zirconio tra tutti i 118 elementi per quella proprietà.
Fonti: masse atomiche standard IUPAC 2021 · CRC Handbook of Chemistry and Physics · NIST. I valori contrassegnati con ~ sono previsti anziché misurati.
Dimensioni, in scala
Raggio 160 pm — cioè 0,16 nm, quindi ne servirebbero circa 3,13 milioni affiancati per coprire un millimetro.
Intervallo termico
Zirconio è liquido in un intervallo di 2554 K, da 2128 K a 4682 K.
Dove si trova
Zirconio si trova nel periodo 5, gruppo 4. Tutti gli elementi del gruppo 4 hanno lo stesso numero di elettroni esterni, per questo si comportano in modo così simile.
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Tutti i metalli di transizioneLa storia
Lo zirconio è il metallo incredibilmente tenace e resistente alla corrosione che mantiene sicuri i reattori nucleari e fa brillare i diamanti. Questo metallo di transizione lucente, grigio-bianco, ha la straordinaria proprietà di essere quasi trasparente ai neutroni, pur essendo estremamente resistente alla corrosione, il che lo rende assolutamente essenziale per la produzione di energia nucleare. Prende il nome dalla parola persiana "zargun", che significa color oro, e lo zirconio è diventato uno degli elementi più strategicamente importanti nella tecnologia moderna. Scoperto nel 1789 dal chimico tedesco Martin Heinrich Klaproth durante l'analisi della gemma zircone, lo zirconio è rimasto in gran parte una curiosità da laboratorio per oltre 150 anni. Il metallo puro non fu isolato fino al 1824 da Jöns Jacob Berzelius, e lo zirconio ad alta purezza divenne disponibile solo negli anni 1940, quando l'industria nucleare aveva un disperato bisogno di materiali che non interferissero con le reazioni nucleari. Ciò che rende lo zirconio assolutamente straordinario sono le sue proprietà nucleari uniche. A differenza della maggior parte dei metalli, lo zirconio è quasi trasparente ai neutroni: lo attraversano senza essere assorbiti. Questo rende le leghe di zirconio perfette per il rivestimento del combustibile dei reattori nucleari, poiché contengono il combustibile radioattivo consentendo al tempo stesso ai neutroni di muoversi liberamente e sostenere la reazione nucleare a catena. Oltre il 90% dei reattori nucleari nel mondo utilizza barre di combustibile in lega di zirconio. Lo zirconio ha un'incredibile resistenza alla corrosione, superiore persino a quella dell'acciaio inossidabile in ambienti difficili. Forma uno strato di ossido ultrasottile e autoriparante che lo protegge da acidi, alcali e acqua di mare. Questo rende lo zirconio perfetto per le apparecchiature di trattamento chimico, gli impianti medici e le applicazioni marine, dove gli altri metalli si corroderebbero rapidamente. Ecco qualcosa di davvero abbagliante: la zirconia cubica (biossido di zirconio sintetico) è uno dei simulanti del diamante più popolari mai creati. È quasi dura quanto il diamante, possiede brillanti proprietà ottiche e può essere prodotta in qualsiasi colore, costituendo la base di un'industria della gioielleria da miliardi di dollari.
Martin Heinrich Klaproth scoprì lo zirconio nel 1789 durante l'analisi di gemme di zircone. Jöns Jakob Berzelius isolò per primo il metallo zirconio impuro nel 1824, anche se per ottenere zirconio puro fu necessario sviluppare il processo Kroll negli anni 1940.
Applicazioni
L'eccezionale resistenza alla corrosione e il basso assorbimento neutronico dello zirconio lo rendono indispensabile per i reattori nucleari, mentre la sua biocompatibilità e resistenza consentono impianti medici avanzati e applicazioni aerospaziali.
Il rivestimento del combustibile in Zircaloy racchiude le pastiglie di combustibile di uranio nei reattori nucleari, offrendo resistenza alla corrosione nell'acqua ad alta temperatura e consentendo al contempo la trasmissione dei neutroni necessaria per mantenere la fissione nucleare. La bassa sezione d'urto di assorbimento dei neutroni dello zirconio lo rende ideale per i componenti del nocciolo del reattore, dove l'economia neutronica è fondamentale.
Le apparecchiature in zirconio trattano sostanze chimiche altamente corrosive, tra cui acido cloridrico, acido solforico e acidi organici, a temperature e concentrazioni che distruggerebbero l'acciaio inossidabile in poche ore. La produzione farmaceutica e quella di sostanze chimiche fini si affidano all'inerzia chimica dello zirconio per i processi ad alta purezza.
Le leghe di zirconio offrono eccezionali rapporti resistenza/peso per componenti aeronautici operanti in ambienti corrosivi. Le applicazioni spaziali sfruttano la resistenza dello zirconio all'ossigeno atomico e ai cicli termici nei componenti strutturali dei satelliti.
Da dove proviene
165 mg/kg della crosta terrestre · più abbondante del 85% degli elementi
Lo zirconio si trova principalmente nei minerali zircone (ZrSiO₄) e baddeleyite (ZrO₂). Lo zircone è uno dei minerali più durevoli della Terra: è sopravvissuto per miliardi di anni e fornisce informazioni fondamentali sulla storia della Terra primordiale e sulla formazione dei pianeti.
Manipolazione
Il metallo zirconio e la maggior parte dei suoi composti presentano una bassa tossicità e un'eccellente biocompatibilità. La polvere di zirconio comporta rischi di incendio ed esplosione che richiedono procedure adeguate di conservazione e manipolazione.
Per la lavorazione meccanica e la fabbricazione dello zirconio si applicano le procedure standard di sicurezza nella lavorazione dei metalli. I sistemi antincendio e la conservazione in atmosfera inerte prevengono l'accensione della polvere di zirconio.
Risposte rapide
Zirconio (simbolo Zr) è l'elemento 40 nella tavola periodica, appartenente a metallo di transizione nel periodo 5, gruppo 4. Praticamente trasparente ai neutroni, motivo per cui riveste le barre di combustibile di quasi ogni reattore nucleare. A temperatura ambiente è un solido.
[Kr] 4d² 5s², con 5 gusci occupati e la distribuzione 2, 8, 18, 10, 2.Zirconio fonde a 2128 K (1854.9 °C) ed entra in ebollizione a 4682 K (4408.9 °C). Questo lo annovera tra gli elementi più refrattari: rimane solido a temperature che vaporizzano la maggior parte dei metalli.
La massa atomica standard di Zirconio è 91.224 u. Si tratta di una media ponderata dei suoi isotopi presenti in natura, per questo raramente è un numero intero.
Zirconio ha una densità di 6.52 g/cm³. L'acqua ha una densità di 1.0 g/cm³, quindi un blocco di Zirconio è circa 6.5× più pesante.
Zirconio ha un'elettronegatività di Pauling pari a 1.33. La scala va da 0.70 (francio, il meno incline ad attirare elettroni) a 3.98 (fluoro, il più incline). I valori in questa fascia intermedia tendono a formare legami covalenti anziché legami fortemente ionici.
Zirconio è stato scoperto nel 1789 da Martin Heinrich Klaproth. Prende il nome da persiano zargun, "color dell'oro".
Zirconio costituisce informazioni 165 mg/kg della crosta terrestre: è abbastanza comune da poter essere estratto su larga scala.