Sejarah Sirkonium, Sifat, Struktur, Risiko, Penggunaan

Dia zirkonium Ini adalah elemen logam yang terletak di grup 4 dari tabel periodik dan yang diwakili oleh simbol kimia ZR. Itu milik kelompok titanium yang sama, berada di bawah ini, dan di atas hafnio.

Namanya tidak ada hubungannya dengan "sirkus", tetapi dengan warna emas atau atrifer mineral di mana ia diakui untuk pertama kalinya. Di kerak bumi, dan di lautan, atom berbentuk ion mereka dikaitkan dengan silikon dan titanium, oleh karena itu komponen pasir dan kerikil.

Bar Zirchon Logam. Sumber: Danny Peng [CC BY-SA 3.0 (https: // createveCommons.Org/lisensi/by-sa/3.0)]

Namun, itu juga dapat ditemukan dalam mineral yang terisolasi; Di antara mereka zirkon, ortosilikat Circonio. Kami juga dapat menyebutkan baddeleyita, yang sesuai dengan mineralogi formal oksida, Zro₂, disebut circ. Wajar jika nama -nama ini: 'Circonio', 'Circón' dan 'Circona' berbaur dan menyebabkan kebingungan.

Penemu adalah Martin Heinrich Klaproth, pada 1789; Sementara orang pertama yang mengisolasinya, tidak murni dan amorf, adalah Jöns Jakob Berzelius, pada tahun 1824. Bertahun -tahun kemudian proses diimprovisasi untuk mendapatkan lebih banyak keadaan dan sampel, dan aplikasi mereka meningkat saat mereka memperdalam sifat mereka.

Zirkonium adalah logam putih perak (gambar superior) yang memiliki ketahanan korosi tinggi, dan stabilitas tinggi terhadap sebagian besar asam; kecuali asam sulfat fluorhorhoric dan panas. Ini adalah elemen yang tidak beracun, meskipun dapat dengan mudah menembak mengingat piroporisitasnya, juga tidak dianggap berbahaya bagi lingkungan.

Dari zirkonium, oksida, dan paduannya, bahan seperti crosol, cetakan casting, pisau, jam tangan, pipa, reaktor, berlian palsu, antara lain, telah diproduksi. Dengan demikian, bersama -sama dengan titanium, logam khusus dan kandidat yang baik pada saat merancang bahan yang harus menahan kondisi bermusuhan.

Di sisi lain, dari zirkonium juga dimungkinkan untuk merancang bahan untuk aplikasi yang lebih halus; Misalnya: bingkai organetalik atau kerangka logam organik, yang dapat berfungsi sebagai penyimpanan molekul yang heterogen, penyerap, molekul, yang permeabel, antara lain, antara lain.

[TOC]

Sejarah

Pengakuan

Peradaban kuno sudah mengetahui mineral zirkonium, terutama zirkon, yang disajikan sebagai permata emas dengan warna yang mirip dengan emas; Dari sana ia memperoleh namanya, dari kata 'zargun' yang berarti 'warna emas', karena mineral gergon, terdiri dari zirkon (ortosilikat circumcircpeium), oksidanya diakui untuk pertama kalinya.

Pengakuan ini dilakukan oleh ahli kimia Jerman Martin Klaproth pada 1789, ketika ia mempelajari sampel sampel dari Sir Lanka (saat itu disebut Isla de Ceilán), dan yang dilarutkan dengan alkali. Oksida ini memberi nama Circona, dan menemukan bahwa itu merupakan 70% dari mineral. Namun, ia gagal dalam upayanya untuk menguranginya ke bentuk logamnya.

Isolasi

Sir Humphrey Davy juga mencoba. Baru pada tahun 1824 ketika ahli kimia Swedia Jacob Berzelius memperoleh amorf dan tidak murni, memanaskan campuran kalium fluorida (k₂Zrf₆) Dengan kalium logam.

Namun, keliling Berzelius adalah pengemudi listrik yang buruk, selain menjadi bahan yang tidak efektif untuk setiap penggunaan yang dapat ditawarkan logam lain di tempatnya.

Proses bar kristal

Zirkonium tetap dilupakan selama satu abad, sampai pada tahun 1925 ilmuwan Belanda Anton Eduard van Arkel dan Jan Hendrik de Boer, merancang proses bar kristal untuk mendapatkan sekeliling logam dengan kemurnian yang lebih besar yang lebih besar.

Proses ini terdiri dari pemanasan sirkonium tetrayoduro₄, Pada filamen tungsten pijar, sehingga zr⁴⁺ akhirnya dikurangi menjadi Zr; Dan hasilnya adalah batang kristal Circonio menutupi tungsten (mirip dengan gambar pertama).

Proses Kroll

Akhirnya, proses Kroll diterapkan pada tahun 1945 untuk mendapatkan sirku logam₄, Bukannya Tetrayoduro.

Sifat fisik dan kimia

Penampilan fisik

Permukaan dan warna perak berkilau. Jika teroksidasi, itu menjadi kelabu gelap. Dibagi halus adalah debu abu -abu dan amorf (secara dangkal).

Nomor atom

40

Masa molar

91.224 g/mol

Titik lebur

1855 ºC

Titik didih

4377 ºC

Suhu self -rection

330 ºC

Kepadatan

Pada suhu kamar: 6,52 g/cm³

Pada titik leleh: 5,8 g/cm³

Panas fusi

14 kJ/mol

Panas penguapan

591 kJ/mol

Kapasitas panas molar

25.36 J/(mol · k)

Elektronegativitas

1.33 pada skala Pauling

Energi ionisasi

-Pertama: 640.1 kJ/mol (zr⁺ gas)

-Kedua: 1270 kJ/mol (zr²⁺ gas)

-Ketiga: 2218 kJ/mol (zr³⁺ gas)

Konduktivitas termal

22.6 w/(m · k)

Resistivitas listrik

421 nΩ · m pada 20 ° C

Kekerasan Mohs

5.0

Ini dapat melayani Anda: Sodium bromide (NABR)

Reaktivitas

Zirkonium tidak larut dalam hampir semua asam dan basa yang kuat; encer, terkonsentrasi, atau panas. Ini karena lapisan pelindung oksida, yang terbentuk dengan cepat ketika terpapar ke atmosfer, menutupi logam dan mencegahnya berjalan. Namun, sangat larut dalam asam fluorhorat, dan sedikit larut dalam asam sulfat panas.

Itu tidak bereaksi dengan air dalam kondisi normal, tetapi dengan uapnya pada suhu tinggi untuk melepaskan hidrogen:

Zr + 2 jam₂O → ZRO₂ + 2 h₂

Dan juga bereaksi langsung dengan halogen pada suhu tinggi.

Struktur dan konfigurasi elektronik

Tautan logam

Atom sirkonium berinteraksi satu sama lain berkat ikatan logam mereka, yang diatur oleh elektron valensi mereka, dan menurut konfigurasi elektronik mereka ditemukan di orbital 4D dan 5S:

[Kr] 4d² 5S²

Oleh karena itu, zirkonium memiliki empat elektron untuk membentuk pita Valencia S dan D, produk yang tumpang tindih dari orbital 4D dan 5S, masing -masing, dari semua atom Ze dari kaca. Perhatikan bahwa ini konsisten dengan fakta bahwa zirkonium diposisikan dalam kelompok 4 dari tabel periodik.

Hasil dari "lautan elektron" ini, menyebar dan dipindahkan ke segala arah kaca, adalah gaya kohesi yang tercermin dalam titik leleh yang relatif tinggi (1855 ºC) zirkonium, dibandingkan dengan logam lainnya.

Fase kristal

Demikian juga, gaya atau ikatan logam ini bertanggung jawab untuk memesan atom ZR untuk mendefinisikan struktur heksagonal kompak (HCP); Ini, yang pertama dari dua fase kristalnya, dilambangkan sebagai α-zr.

Sementara itu, fase kristal kedua, β-Zr, dari struktur kubik yang berpusat di tubuh (BCC), muncul ketika zirchon dipanaskan hingga 863 ºC. Jika tekanan meningkat, struktur BCC β-ZR akan berakhir mendistorsi; Itu berubah bentuk saat memadatkan dan memperpendek jarak yang memisahkan atom ZR.

Angka oksidasi

Konfigurasi set elektronik pernah mengungkapkan bahwa atomnya mampu kehilangan hingga empat elektron jika dikombinasikan dengan lebih banyak elemen elektronegatif daripada itu. Dengan demikian, jika keberadaan kation zr diasumsikan⁴⁺, Kepadatan beban ionik yang sangat tinggi, maka jumlahnya atau status oksidasi akan +4 atau zr (iv).

Faktanya, ini adalah yang utama dan paling stabil dari bilangan oksidasi. Misalnya, serangkaian senyawa berikut memiliki zirkonium sebagai +4: zro₂ (Zr⁴⁺SALAH SATU₂^2-), Zr (wo₄)₂,  Zrbr₄ (Zr⁴⁺Br₄^-) dan Zri₄ (Zr⁴⁺yo₄^-).

Zirkonium juga dapat memiliki angka oksidasi positif lainnya: +1 (ZR⁺), +2 (zr²⁺) dan +3 (zr³⁺); Namun, senyawa mereka sangat jarang, jadi mereka hampir tidak dipertimbangkan ketika titik ini dibahas.

Jauh lebih sedikit dianggap zirkonium dengan bilangan oksidasi negatif: -1 (zr^-) dan -2 (zr^2-), dengan asumsi keberadaan anion "circumlis seperti itu".

Agar kondisi menjadi istimewa, elemen yang digabungkan harus memiliki elektronegativitas yang lebih rendah daripada zirkonium, atau harus dihubungkan dengan molekul; Seperti halnya kompleks anionik [ZR (CO)₆]^2-, di mana enam molekul CO dikoordinasikan dengan pusat ZR^2-.

Dimana itu dan dapatkan

Zirkon

Kristal sirkum yang kuat tertanam dalam kuarsa. Sumber: Rob Lavinsky, irocks.com-cc-by-sa-3.0 [CC BY-SA 3.0 (https: // createveCommons.Org/lisensi/by-sa/3.0)]

Zirkonium adalah elemen yang sangat melimpah di kerak bumi dan laut. Bijih utamanya adalah Mineral Circón (gambar superior), yang komposisinya kimianya adalah Zrsio₄ atau zro₂· Sio₂; Dan pada tingkat yang lebih rendah, karena kekurangannya, Mineral Baddeleyita, yang hampir sepenuhnya disusun₂.

Zirkonium menunjukkan kecenderungan geokimia yang kuat untuk bergaul dengan silikon dan titanium, sehingga memperkaya pasir dan kerikil pantai samudera, endapan aluvial dan tanah danau, serta batuan beku yang belum terkikis.

Perawatan dan proses Kroll

Oleh karena itu, kristal Circón harus terlebih dahulu terpisah dari rutilo dan ilmenita, paman₂, Dan juga dari kuarsa, sio₂. Untuk ini, pasir dikumpulkan dan ditempatkan di konsentrator spiral, di mana mineral mereka akhirnya memisahkan sesuai dengan perbedaan dalam kepadatan mereka.

Kemudian, titanium oksida dipisahkan dengan menerapkan medan magnet, sampai padatan yang tersisa hanya terdiri dari zirch (sudah tanpa guy₂ Tidak ada sio₂). Selesai ini, gaseous klorin digunakan sebagai agen pereduksi untuk mengubah Zro₂ ke zrcl₄, Seperti halnya titanium dalam proses Kroll:

Zro₂ + 2cl₂ + 2C (900 ° C) → ZRCL₄ + 2co

Dan akhirnya, ZRCL₄ Itu berkurang dengan magnesium cair:

Zrcl₄ + 2mg (1100 ° C) → 2mgcl₂ + Zr

Alasan mengapa pengurangan langsung tidak dibuat dari Zro₂ Itu karena karbida dapat dibentuk, yang bahkan lebih sulit dikurangi. Spons zirkonium yang dihasilkan dicuci dengan larutan asam klorida, dan meleleh di bawah atmosfer helium lembam untuk dapat membuat batang zirkonia logam.

Dapat melayani Anda: geometri molekuler: konsep, jenis dan contoh

Pemisahan zirkonium hafnium

Zirkonium memiliki persentase rendah (1 hingga 3%) dalam komposisinya, karena kesamaan kimianya antara atom -atomnya.

Ini saja tidak mewakili masalah apa pun untuk sebagian besar aplikasinya; Namun, hafnio tidak transparan dengan neutron, sedangkan zirchon ya. Oleh karena itu, zirkonium logam harus dimurnikan dari kotoran Hafnio untuk dapat digunakan dalam reaktor nuklir.

Untuk mencapai hal ini, teknik pemisahan campuran, seperti kristalisasi (dari garam fluoride mereka) dan distilasi (dari tetraklorida) fraksinasi, dan ekstraksi cair-cair digunakan menggunakan metil isobutil keton dan pelarut air dan air.

Isotop

Zirkonium ditemukan di Bumi sebagai campuran dari empat isotop stabil dan satu radioaktif, tetapi dengan setengah kehidupan yang begitu besar (T_1/2= 2.0 · 10¹⁹ bertahun -tahun), yang praktis sama stabilnya dengan yang lain.

Lima isotop ini, dengan kelimpahan masing -masing, tercantum di bawah ini:

-⁹⁰ZR (51,45%)

-⁹¹ZR (11,22%)

-⁹²ZR (17,15%)

-⁹⁴ZR (17,38%)

-⁹⁶ZR (2,80%, radioaktif yang disebutkan di atas)

Menjadi massa atom rata -rata 91.224 U, yang terletak lebih dekat ⁹⁰Zr dari ⁹¹Zr. Ini menunjukkan "berat" yang dimiliki isotop massa atom yang lebih besar ketika mereka diperhitungkan dalam perhitungan rata -rata tertimbang.

Selain dari ⁹⁶Zr ada di alam radioisotop lain: itu ⁹³Zr (T_1/2= 1.53 · 10⁶ bertahun-tahun). Namun, dalam jumlah jejak, sehingga kontribusinya terhadap massa atom rata -rata, 91.224 atau, tercela. Itulah sebabnya zirkonium jauh dari katalog seperti logam radioaktif.

Selain lima isotop alami zirkonium, dan radioisotope ⁹³Zr, yang buatan lainnya telah dibuat (28 sejauh ini), yang darinya ⁸⁸Zr (T_1/2= 83,4 hari), ⁸⁹Zr (T_1/2= 78.4 jam) dan ¹¹⁰ZR (30 milidetik).

Risiko

Logam

Zirkonium adalah logam yang relatif stabil, jadi tidak ada reaksinya yang kuat; Kecuali, Anda seperti debu yang terbagi halus. Ketika permukaan lembar keliling dikikis dengan amplas, ia menolak percikan api karena piroporisitasnya; Tapi ini segera padam di udara.

Namun, yang merupakan risiko kebakaran potensial adalah memanaskan bubuk zirkonium di hadapan oksigen: terbakar dengan nyala yang memiliki suhu 4460 ºC; Salah satu yang terpanas yang dikenal dengan logam.

Isotop sirkonium radioaktif (⁹³Zr dan ⁹⁶Zr), memancarkan radiasi energi rendah seperti itu, yang tidak berbahaya bagi makhluk hidup. Mengatakan semua hal di atas, itu dapat ditegaskan oleh saat -saat zirkonium logam adalah elemen non -oktoksik.

Ion

Ion sirkonium, zr⁴⁺, Mereka dapat disebarluaskan secara luas dalam makanan tertentu (sayuran dan gandum utuh) dan organisme. Tubuh manusia memiliki konsentrasi rata -rata 250 mg zirkonium, dan sejauh ini tidak ada penelitian yang menghubungkannya dengan gejala atau penyakit karena sedikit kelebihan konsumsi.

Zr⁴⁺ Ini bisa berbahaya tergantung pada anion Anda yang menyertainya. Misalnya, ZRCL₄ Pada konsentrasi tinggi telah terbukti mematikan untuk tikus, juga mempengaruhi anjing, karena mengurangi jumlah sel darah merahnya.

Garam sirkonium mengiritasi mata dan tenggorokan, dan tergantung pada individu apakah mereka dapat mengiritasi kulit atau tidak. Mengenai paru -paru, ada beberapa anomali yang dilaporkan pada mereka yang menghirupnya secara tidak sengaja. Di sisi lain, tidak ada studi medis yang menyatakan bahwa zirkonium adalah karsinogenik.

Mengingat hal ini, dapat dikatakan bahwa zirkonium logam, atau ionnya merupakan risiko yang mengkhawatirkan bagi kesehatan. Namun, ada senyawa zirkonium yang mengandung anion yang dapat menghasilkan dampak negatif pada kesehatan dan lingkungan, terutama jika mereka adalah anion organik dan aromatik.

Aplikasi

- Logam

Zirkonium, seperti logam itu sendiri, menemukan berbagai aplikasi berkat propertinya. Resistensi korosi yang tinggi, dan serangan asam dan basa yang kuat, serta zat reaktif lainnya, menjadikannya bahan yang ideal untuk pembuatan reaktor konvensional, pipa dan penukar panas.

Juga, dengan zirkonium dan paduannya, bahan refraktori dibuat yang harus mendukung kondisi ekstrem atau halus. Misalnya, mereka digunakan untuk memproduksi cetakan casting, piring dan kendaraan spasial, atau perangkat bedah inert sehingga mereka tidak bereaksi dengan jaringan tubuh.

Di sisi lain, piroporisitasnya digunakan untuk menciptakan senjata dan kembang api; Karena, partikel zirkonium yang sangat halus dapat terbakar dengan mudah, mengatakan percikan api pijar. Reaktivitasnya yang luar biasa dengan oksigen pada suhu tinggi digunakan untuk menangkapnya di dalam tabung yang disegel vakum, dan di dalam umbi.

Itu dapat melayani Anda: Apa hukum kimia berat? (Contoh)

Namun, penggunaan yang paling penting di atas segalanya adalah untuk berfungsi sebagai bahan untuk reaktor nuklir, karena zirkonium tidak bereaksi dengan neutron yang dilepaskan dalam penurunan radioaktif.

- Siram

Berlian zirkonik kubik. Sumber: Pixabay.

Titik leleh yang tinggi (2715 ºC)₂) ia melakukan alternatif lebih baik daripada zirkonium yang sama untuk pembuatan bahan refraktori; Misalnya, crosol yang menahan perubahan suhu yang tiba -tiba, keramik ulet, pisau yang lebih tajam daripada baja, kaca, antara lain.

Berbagai zirkon yang disebut 'Cubic Cirums', digunakan dalam perhiasan karena dengan itu mereka dapat membuat replika berlian yang sempurna dengan segi -segi (gambar superior).

- Garam dan lainnya

Circonium, garam anorganik atau organik, serta senyawa lainnya, memiliki aplikasi yang tak terhitung jumlahnya, di antaranya dapat kita sebutkan:

-Pigmen Biru dan Kuning ke Enamel Keramik dan Permata Palsu (Zrsio₄)

-Penyerap karbon dioksida (LI₂Zro₃)

-Pelapis dalam industri kertas (zirkonium asetat)

-Antitranspiran (zrocl₂ dan campuran dari garam surround dan aluminium yang kompleks)

-Lukisan dan tinta untuk kesan [ZR (CO₃)₃(NH₄)₂]

-Perawatan Dialisis Ginjal dan untuk Penghapusan Kontaminan Air (Fosfat dan Zirkonium Hidroksida)

-Perekat [ZR (Tidak₃)₄]

-Katalis untuk reaksi organik aminasi, oksidasi dan hidrogenasi (senyawa zirkonium apa pun yang menunjukkan aktivitas katalitik)

-Aditif untuk meningkatkan fluiditas semen

-Padatan ion alkali permeabel

- Bingkai organetalik

Atom sirkonium seperti ion zr⁴⁺ Mereka dapat membentuk tautan koordinasi dengan oksigen, zr^Iv-Atau, sedemikian rupa sehingga dapat berinteraksi tanpa masalah dengan ligan organik teroksigenasi; Yaitu, sirkumonium mampu membentuk beberapa senyawa organometalik.

Senyawa ini, parameter sintesis mengendalikan, dapat digunakan untuk membuat bingkai organometalik, lebih dikenal sebagai kerangka logam organik (MOF) Kerangka kerja logam-organik). Bahan -bahan ini menonjol karena sangat berpori dan memiliki struktur tiga dimensi yang menarik, seperti halnya zeolitas.

Aplikasi mereka sangat bergantung pada apa ligan organik yang dipilih untuk berkoordinasi dengan zirch, serta pada optimalisasi kondisi sintesis (suhu, pH, agitasi dan waktu reaksi, hubungan molar, volume pelarut, dll.).

UIO-66

Misalnya, di antara MOF sirkonium kita dapat menyebutkan UIO-66, yang didasarkan pada interaksi Zr-terephthalate (dari asam tereftallic). Molekul ini, yang bertindak sebagai penghubung, berkoordinasi dengan ZR⁴⁺ Melalui grup Anda -coo^-, membentuk empat tautan ZR-O.

Para peneliti di University of Illinois, dipimpin oleh Kenneth Suslick, mengamati bahwa UIO-66, di bawah kekuatan mekanik yang intens, menderita deformasi struktural ketika dua dari empat ikatan ZR-O rusak.

Akibatnya, UIO-66 dapat digunakan sebagai bahan yang dimaksudkan untuk menghilangkan energi mekanik, bahkan mampu menahan tekanan yang setara dengan peledakan TNT sebelum menderita patah tulang molekul.

MOFS-808

Mengubah asam tereftallic untuk asam trimetat (cincin benzen dengan tiga kelompok -COOH di posisi 2, 4, 6), kerangka kerja organometalik baru untuk zirconometall muncul untuk zirkonium: MOFS -808.

Sifat dan kemampuannya untuk berfungsi sebagai bahan penyimpanan hidrogen telah dipelajari; yaitu molekul m₂ Mereka akhirnya tetap tinggal di pori-pori MOFS-808, dan kemudian mengekstraknya bila perlu.

MIP-202

Dan akhirnya kami memiliki MOFS MIP-202, dari Poros Poros Material Institute. Kali ini mereka menggunakan asam aspartat (asam amino) sebagai ikatan. Sekali lagi, tautan ZR-O⁴⁺ dan oksigen dari aspartat (dari gugus -kelompok yang tidak menyenangkan), adalah kekuatan terarah yang memodelkan struktur tiga dimensi dan berpori dari bahan ini.

MIP-202 terbukti menjadi pengemudi proton yang sangat baik (h⁺), yang bergerak melalui pori -pori mereka, dari satu kompartemen ke kompartemen lainnya. Oleh karena itu, ia adalah kandidat yang akan digunakan sebagai bahan manufaktur untuk penukar proton; yang sangat diperlukan untuk pengembangan baterai hidrogen di masa depan.

Referensi

1. Shiver & Atkins. (2008). Kimia anorganik. (Edisi keempat). MC Graw Hill.
2. Wikipedia. (2019). Zirkonium. Diperoleh dari: di.Wikipedia.org
3. Sarah Pierce. (2019). Apa itu zirkonium? - Penggunaan, Fakta, Properti & Penemuan. Belajar. Pulih dari: belajar.com
4. John c. Jamieson. (1963). Struktur kristal titanium, zirkonium, dan hafnium pada tekanan tinggi. Vol. 140, edisi 3562, pp. 72-73. Doi: 10.1126/Sains.140.3562.72
5. Stephen Emma. (25 Oktober 2017). Zirkonium MOF Buckles Di Bawah Tekanan Dinamit. Dipulihkan dari: ChemistryWorld.com
6. Wang Sujing et al. (2018). Kerangka kerja logam asam amino zirkonium yang kuat untuk perilaku proton. doi.org/10.1038/S41467-018-07414-4
7. Emsley John. (1 April 2008). Zirkonium. Kimia dalam elemennya. Dipulihkan dari: ChemistryWorld.com
8. Kawano Jordan. (S.F.). Zirkonium. Dipulihkan dari: Kimia.Pomona.Edu
9. Kata. Doug Stewart. (2019). Fakta Elemen Zirkonium. Chemicool. Pulih dari: chemicool.com
10. Para editor Eeritlopaedia Britannica. (5 April 2019). Zirkonium. Encyclopædia Britannica. Dipulihkan dari: Britannica.com
11. Pusat Nasional Informasi Bioteknologi. (2019). Zirkonium. Database pubchem. CID = 23995. Pulih dari: pubchem.NCBI.Nlm.Nih.Pemerintah