Zr · Элемент 40 · Переходный металл
Практически прозрачен для нейтронов, поэтому им покрывают топливные стержни почти в каждом ядерном реакторе.
Строение
Это не диаграмма из точек на кольцах, а выборка методом Монте-Карло из фактической плотности вероятности |ψ|² для каждой занятой подоболочки. Перетаскивайте, чтобы вращать. Синий и фиолетовый цвета обозначают противоположные знаки волновой функции, благодаря чему возможно образование химических связей.
Измеренные значения
Каждый столбец показывает положение цирконий среди всех 118 элементов по этому свойству.
Источники: стандартные атомные веса IUPAC 2021 года · Справочник CRC по химии и физике · NIST. Значения, отмеченные символом ~, являются расчётными, а не измеренными.
Размер в масштабе
Радиус 160 pm — это 0,16 нм, поэтому около 3,13 миллионов таких атомов, расположенных бок о бок, протянулись бы на миллиметр.
Тепловой диапазон
Цирконий находится в жидком состоянии в диапазоне 2554 K — от 2128 K до 4682 K.
Положение
История
Цирконий — невероятно прочный, устойчивый к коррозии металл, который обеспечивает безопасность ядерных реакторов и заставляет алмазы сверкать. Этот блестящий серо-белый переходный металл обладает замечательным свойством: он почти прозрачен для нейтронов и при этом чрезвычайно устойчив к коррозии, что делает его абсолютно необходимым для производства ядерной энергии. Названный по персидскому слову «zargun», означающему «золотистый», цирконий стал одним из наиболее стратегически важных элементов в современной технологии. Открытый в 1789 году немецким химиком Martin Heinrich Klaproth при анализе драгоценного камня циркона, цирконий оставался главным образом лабораторным курьёзом более 150 лет. Чистый металл был выделен только в 1824 году Jöns Jacob Berzelius, а цирконий высокой чистоты стал доступен лишь в 1940-х годах, когда ядерной промышленности срочно потребовались материалы, не нарушающие ядерные реакции. Что делает цирконий абсолютно необычным, так это его уникальные ядерные свойства. В отличие от большинства металлов, цирконий почти прозрачен для нейтронов — они проходят прямо сквозь него, не поглощаясь. Благодаря этому сплавы циркония идеально подходят для оболочек ядерного топлива, удерживая радиоактивное топливо и позволяя нейтронам свободно перемещаться и поддерживать ядерную цепную реакцию. Более 90% ядерных реакторов по всему миру используют топливные стержни из сплавов циркония. Цирконий обладает невероятной устойчивостью к коррозии, превосходя даже нержавеющую сталь в агрессивных средах. Он образует сверхтонкий самовосстанавливающийся оксидный слой, защищающий его от кислот, щелочей и морской воды. Это делает цирконий идеальным материалом для оборудования химической переработки, медицинских имплантатов и морских применений, где другие металлы быстро подверглись бы коррозии. Вот ещё кое-что впечатляющее: кубический цирконий (синтетический диоксид циркония) — один из самых популярных имитаторов алмаза из когда-либо созданных. Он почти так же твёрд, как алмаз, обладает великолепными оптическими свойствами и может производиться в любом цвете, став основой ювелирной индустрии стоимостью в миллиарды долларов.
Martin Heinrich Klaproth открыл цирконий в 1789 году при анализе драгоценных камней циркона. Jöns Jakob Berzelius впервые выделил примесь металлического циркония в 1824 году, хотя для получения чистого циркония потребовалась разработка процесса Кролла в 1940-х годах.
Применение
Исключительная устойчивость циркония к коррозии и низкое поглощение нейтронов делают его незаменимым для ядерных реакторов, а биосовместимость и прочность позволяют использовать его в передовых медицинских имплантатах и аэрокосмических конструкциях.
Оболочка топлива из циркалоя окружает топливные таблетки из урана в ядерных реакторах, обеспечивая устойчивость к коррозии в горячей воде и пропуская нейтроны для поддержания ядерного деления. Низкое сечение поглощения нейтронов цирконием делает его идеальным для компонентов активной зоны реактора, где критически важна эффективность использования нейтронов.
Оборудование из циркония работает с высококоррозионными химическими веществами, включая соляную кислоту, серную кислоту и органические кислоты, при температурах и концентрациях, которые разрушают нержавеющую сталь за несколько часов. Фармацевтическое производство и производство тонких химикатов используют химическую инертность циркония для процессов высокой чистоты.
Сплавы циркония обеспечивают исключительное соотношение прочности и массы для компонентов летательных аппаратов, работающих в коррозионных средах. В космической технике устойчивость циркония к атомарному кислороду и термоциклированию используется в конструкционных компонентах спутников.
Откуда он происходит
165 мг/кг земной коры · более распространён, чем 85% элементов
Цирконий встречается главным образом в минералах циркон (ZrSiO₄) и бадделеит (ZrO₂). Циркон относится к самым долговечным минералам Земли: он сохраняется миллиарды лет и предоставляет важнейшую информацию о ранней истории Земли и формировании планет.
Обращение
Металлический цирконий и большинство его соединений обладают низкой токсичностью и отличной биосовместимостью. Порошок циркония представляет опасность пожара и взрыва, поэтому требует соблюдения надлежащих процедур хранения и обращения.
При механической обработке и изготовлении изделий из циркония применяются стандартные процедуры безопасности при работе с металлами. Системы пожаротушения и хранение в инертной атмосфере предотвращают воспламенение порошка циркония.
Краткие ответы
Цирконий (символ Zr) — элемент 40 в периодической таблице, представитель семейства Переходный металл в 5 периоде, 4 группе. Практически прозрачен для нейтронов, поэтому им покрывают топливные стержни почти в каждом ядерном реакторе. При комнатной температуре это твёрдое вещество.
[Kr] 4d² 5s²; она включает 5 занятых электронных оболочек с распределением 2, 8, 18, 10, 2.Цирконий плавится при 2128 K (1854.9 °C) и кипит при 4682 K (4408.9 °C). Это относит его к самым тугоплавким элементам — он остаётся твёрдым при температурах, при которых большинство металлов испаряется.
Стандартная атомная масса Цирконий составляет 91.224 u. Это средневзвешенное значение для его природных изотопов, поэтому оно редко бывает целым числом.
Плотность Цирконий составляет 6.52 г/см³. Плотность воды — 1,0 г/см³, поэтому блок из Цирконий примерно в 6.5× тяжелее.
Электроотрицательность Цирконий по шкале Полинга составляет 1.33. Шкала простирается от 0,70 (франций, наименее склонный притягивать электроны) до 3,98 (фтор, наиболее склонный). Значения в этом среднем диапазоне обычно соответствуют ковалентным, а не преимущественно ионным связям.
Цирконий был открыт в 1789 году Martin Heinrich Klaproth. Назван в честь персидское zargun, «золотистый».
На долю Цирконий приходится около 165 мг/кг земной коры — его достаточно много, чтобы добывать его в промышленных масштабах.