ЦИРКО́НИЙ (лат. Zirconium), Zr, химич. элемент IV группы короткой формы (4-й группы длинной формы) периодич. системы; ат. н. 40; ат. м. 91,224; относится к переходным элементам. В природе 5 стабильных изотопов с массовыми числами 90Zr (51,45%), 91Zr (11,22%), 92Zr (17,15%), 94Zr (17,38%) и 96Zr (2,80%). Из искусственно полученных радиоизотопов с массовыми числами 78–89, 93, 95, 97–112 наиболее применяемый 95Zr (T1/2 64,03 cут; β-излучатель).
Цирконий, свойства атома, химические и физические свойства.
Zr 40 Цирконий
91,224(2) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p6 4d2 5s2
Цирконий — элемент периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева с атомным номером 40. Расположен в 4-й группе (по старой классификации — побочной подгруппе четвертой группы), пятом периоде периодической системы.
Атом и молекула циркония. Формула циркония. Строение атома циркония
Изотопы и модификации циркония
Свойства циркония (таблица): температура, плотность, давление и пр.
Физические свойства циркония
Химические свойства циркония. Взаимодействие циркония. Химические реакции с цирконием
Получение циркония
Применение циркония
Таблица химических элементов Д.И. Менделеева
Применение
Ц. используют в качестве конструкционного материала в виде сплавов (см. Циркониевые сплавы) и добавок к сталям, Al, Cu, Mg, Ti, Nb, Mo, в виде циркалоя для оболочек твэлов и др. деталей ядерных реакторов, для сверхпроводящих сплавов. В хирургии используют как имплантат и материал мед. инструментов. Производят трубы, фитинги, фольгу, проволоку, губку. Из порошкообразного Ц. изготавливают детонаторы, компоненты осветит. ракет, заряды для объёмных взрывов. Соли Ц. используют в качестве красителей, компонентов лаков, катализаторов, водоотталкивающих средств для тканей, антиперспирантов и дезодорантов. Цирконаты применяют для получения высокотемпературной керамики и огнеупоров. Твёрдые растворы PbZrO3–PbTiO3, BaZrO3–BaTiO3 – диэлектрики и пьезоэлектрики. Циркон и его окрашенные разновидности (гиацинт) применяют в ювелирном деле.
Атом и молекула циркония. Формула циркония. Строение атома циркония:
Цирконий (лат. Zirconium, обнаружен в минерале цирконе, давшем название элементу) – химический элемент периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева с обозначением Zr и атомным номером 40. Расположен в 4-й группе (по старой классификации – побочной подгруппе четвертой группы), пятом периоде периодической системы.
Цирконий – металл. Относится к группе переходных металлов.
Цирконий обозначается символом Zr.
Как простое вещество цирконий при нормальных условиях представляет собой пластичный, блестящий металл серебристо-серого цвета.
Молекула циркония одноатомна.
Химическая формула циркония Zr.
Электронная конфигурация атома циркония 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p6 4d2 5s2. Потенциал ионизации (первый электрон) атома циркония равен 640,1 кДж/моль (6,634126(5) эВ).
Строение атома циркония. Атом циркония состоит из положительно заряженного ядра (+40), вокруг которого по пяти оболочкам движутся 40 электронов. При этом 38 электронов находятся на внутреннем уровне, а 2 электрона – на внешнем. Поскольку цирконий расположен в пятом периоде, оболочек всего пять. Первая – внутренняя оболочка представлена s-орбиталью. Вторая – внутренняя оболочка представлены s- и р-орбиталями. Третья и четвертая – внутренние оболочки представлены s-, р- и d-орбиталями. Пятая – внешняя оболочка представлена s-орбиталью. На внутреннем энергетическом уровне атома циркония на 4d-орбитали находится два неспаренных электрона. На внешнем энергетическом уровне атома циркония на s-орбитали находятся два спаренных электрона. В свою очередь ядро атома циркония состоит из 40 протонов и 51 нейтрон. Цирконий относится к элементам d-семейства.
Радиус атома циркония (вычисленный) составляет 206 пм.
Атомная масса атома циркония составляет 91,224(2) а. е. м.
Получение
Произ-во Ц. из концентратов ведут фторидным, хлоридным или щелочным способами; очистку, концентрирование и отделение от Hf – жидкостной экстракцией. Металл получают кальциетермич. восстановлением ZrF4, натриетермич. восстановлением ZrCl4, реже – электролитич. методом; чистый Ц. – иодидным рафинированием, переплавкой в вакуумных электродуговых и электронно-лучевых печах. Мировое произ-во Ц. 1,5–1,6 млн. т/год и с годами увеличивается.
Свойства циркония (таблица): температура, плотность, давление и пр.:
Подробные сведения на сайте ChemicalStudy.ru
| 100 | Общие сведения | |
| 101 | Название | Цирконий |
| 102 | Прежнее название | |
| 103 | Латинское название | Zirconium |
| 104 | Английское название | Zirconium |
| 105 | Символ | Zr |
| 106 | Атомный номер (номер в таблице) | 40 |
| 107 | Тип | Металл |
| 108 | Группа | Переходный металл |
| 109 | Открыт | Мартин Генрих Клапрот, Германия, 1789 г. |
| 110 | Год открытия | 1789 г. |
| 111 | Внешний вид и пр. | Пластичный, блестящий металл серебристо-серого цвета |
| 112 | Происхождение | Природный материал |
| 113 | Модификации | |
| 114 | Аллотропные модификации | 3 аллотропных модификации: – α-цирконий с гексагональной плотноупакованной кристаллической решёткой, – β-цирконий с кубической объёмно-центрированной кристаллической решёткой, – ω-цирконий с гексагональной кристаллической решёткой |
| 115 | Температура и иные условия перехода аллотропных модификаций друг в друга | |
| 116 | Конденсат Бозе-Эйнштейна | |
| 117 | Двумерные материалы | |
| 118 | Содержание в атмосфере и воздухе (по массе) | 0 % |
| 119 | Содержание в земной коре (по массе) | 0,013 % |
| 120 | Содержание в морях и океанах (по массе) | 2,6·10-9 % |
| 121 | Содержание во Вселенной и космосе (по массе) | 5,0·10-6 % |
| 122 | Содержание в Солнце (по массе) | 4,0·10-6 % |
| 123 | Содержание в метеоритах (по массе) | 0,00066 % |
| 124 | Содержание в организме человека (по массе) | 5,0·10-6 % |
| 200 | Свойства атома | |
| 201 | Атомная масса (молярная масса) | 91,224(2) а. е. м. (г/моль) |
| 202 | Электронная конфигурация | 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p6 4d2 5s2 |
| 203 | Электронная оболочка | K2 L8 M18 N10 O2 P0 Q0 R0 |
| 204 | Радиус атома (вычисленный) | 206 пм |
| 205 | Эмпирический радиус атома* | 155 пм |
| 206 | Ковалентный радиус* | 148 пм |
| 207 | Радиус иона (кристаллический) | Zr4+ 73 (4) пм, 86 (6) пм, 98 (8) пм (в скобках указано координационное число – характеристика, которая определяет число ближайших частиц (ионов или атомов) в молекуле или кристалле) |
| 208 | Радиус Ван-дер-Ваальса | |
| 209 | Электроны, Протоны, Нейтроны | 40 электронов, 40 протонов, 51 нейтрон |
| 210 | Семейство (блок) | элемент d-семейства |
| 211 | Период в периодической таблице | 5 |
| 212 | Группа в периодической таблице | 4-ая группа (по старой классификации – побочная подгруппа 4-ой группы) |
| 213 | Эмиссионный спектр излучения | |
| 300 | Химические свойства | |
| 301 | Степени окисления | -2, +1, +2, +3, +4 |
| 302 | Валентность | II, III, IV |
| 303 | Электроотрицательность | 1,33 (шкала Полинга) |
| 304 | Энергия ионизации (первый электрон) | 640,1 кДж/моль (6,634126(5) эВ) |
| 305 | Электродный потенциал | Zr4+ + 4e– → Zr, Eo = -1,539 В |
| 306 | Энергия сродства атома к электрону | 41,1 кДж/моль |
| 400 | Физические свойства | |
| 401 | Плотность* | 6,52 г/см3 (при 20 °C и иных стандартных условиях, состояние вещества – твердое тело), 5,8 г/см3 (при температуре плавления 1855 °C и иных стандартных условиях, состояние вещества – жидкость) |
| 402 | Температура плавления* | 1855 °C (2128 K, 3371 °F) |
| 403 | Температура кипения* | 4377 °C (4650 K, 7911 °F) |
| 404 | Температура сублимации | |
| 405 | Температура разложения | |
| 406 | Температура самовоспламенения смеси газа с воздухом | |
| 407 | Удельная теплота плавления (энтальпия плавления ΔHпл)* | 14 кДж/моль |
| 408 | Удельная теплота испарения (энтальпия кипения ΔHкип)* | 591 кДж/моль |
| 409 | Удельная теплоемкость при постоянном давлении | |
| 410 | Молярная теплоёмкость* | 25,36 Дж/(K·моль) |
| 411 | Молярный объём | 14,1 см³/моль |
| 412 | Теплопроводность | 22,6 Вт/(м·К) (при стандартных условиях), 22,7 Вт/(м·К) (при 300 K) |
| 500 | Кристаллическая решётка | |
| 511 | Кристаллическая решётка #1 | α-цирконий |
| 512 | Структура решётки | Гексагональная плотноупакованная |
| 513 | Параметры решётки | a = 3,231 Å, c = 5,148 Å |
| 514 | Отношение c/a | 1,593 |
| 515 | Температура Дебая | 291 K |
| 516 | Название пространственной группы симметрии | P63/mmc |
| 517 | Номер пространственной группы симметрии | 194 |
| 521 | Кристаллическая решётка #2 | β-цирконий |
| 522 | Структура решётки | Кубическая объёмно-центрированная |
| 523 | Параметры решётки | a = 3,61 Å |
| 524 | Отношение c/a | |
| 525 | Температура Дебая | |
| 526 | Название пространственной группы симметрии | Im_ 3m |
| 527 | Номер пространственной группы симметрии | 229 |
| 900 | Дополнительные сведения | |
| 901 | Номер CAS | 7440-67-7 |
Примечание:
205* Эмпирический радиус атома циркония согласно [1] и [3] составляет 160 пм.
206* Ковалентный радиус циркония согласно [1] и [3] составляет 175±7 пм и 145 пм соответственно.
401* Плотность циркония согласно [3] и [4] составляет 6,506 г/см3 (при 0 °C и иных стандартных условиях, состояние вещества – твердое тело) и 6,45 г/см3 (при 20 °C и иных стандартных условиях, состояние вещества – твердое тело) соответственно.
402* Температура плавления циркония согласно [3] составляет 1851,85 °С (2125 K, 3365,33 °F).
403* Температура кипения циркония согласно [4] составляет 4320 °С (4593,15 K, 7808 °F).
407* Удельная теплота плавления (энтальпия плавления ΔHпл) циркония согласно [3] и [4] составляет 19,2 кДж/моль и 14,6 кДж/моль соответственно.
408* Удельная теплота испарения (энтальпия кипения ΔHкип) циркония согласно [3] и [4] составляет 567 кДж/моль и 557,7 кДж/моль соответственно.
410* Молярная теплоёмкость циркония согласно [3] составляет 25,3 Дж/(K·моль).
Нахождение металла в природе
Залежи циркониевых руд есть по всей планете. Их можно встретить в виде различных солей, а также монокристаллов, масса которых нередко бывает более 1 кг. Богатые месторождения находятся в Индии, Бразилии, Западной Африке, ЮАР и пр. На территории Российской Федерации внушительные запасы металла располагаются в Сибири и на Урале.
В масштабах промышленности востребованы двуокись и силикат циркония, бадделеит, циркон. Последний является наиболее распространенным минералом на нашей планете. Люди знакомы с ним еще с давних времен. В Средние века многие ювелиры производили изделия из «несовершенных алмазов», которые в то время именовались цирконами. После проведения огранки они становились мутными и переливались совсем не так, как натуральные алмазы.
Встречаются радиоактивные цирконы. Ношение изделий из них оказывает негативное влияние на здоровье человека. Безопасными принято считать камни небольших размеров, имеющие относительную прозрачность или слабый окрас.
Крупные, интенсивно окрашенные материалы, особенно непрозрачные или темно-зеленые, могут иметь высокий радиационный уровень. Такие камни запрещается хранить в домашних коллекциях, проводить их огранку, транспортировать в больших количествах. Несмотря на высокую распространенность в природе, длительное время его популярность была значительно ниже по сравнению с редкими радиоактивными металлами. Это объясняется тем, что рудные залежи рассеянны и отсутствуют крупные месторождения.
Нередко в рудах соседом циркония является гафний, их свойства очень похожи. По отдельности каждый из металлов обладает хорошими свойствами, но в комплексе они непригодны для применения. Для разделения требуется многоуровневая очистка, которая значительно повышает стоимость производства циркония.
