Zirkonium

Från Wikipedia
Hoppa till: navigering, sök
Zirkonium
Zr-TableImage.png
Tecken
Zr
Atomnr.
40
Grupp
4
Period
5
Block
d
Allmänt
Ämnesklass övergångsmetaller
Densitet 6511 kg/m3 (273 K)
Hårdhet 5
Utseende Silvrigt vit
Utseende
Atomens egenskaper
Atommassa 91,224 u
Atomradie (beräknad) 155 (206) pm
Kovalent radie 148 pm
Elektronkonfiguration [Kr]4d25s2
e per skal 2, 8, 18, 10, 2
Oxidationstillstånd (O) 4 (amfoterisk)
Kristallstruktur Hexagonal
Ämnets fysiska egenskaper
Aggregationstillstånd fast
Smältpunkt 2128 K (1855 °C)
Kokpunkt 4682 K (4409 °C)
Molvolym 14,02 ·10-6 m3/mol
Ångbildningsvärme 58,2 kJ/mol
Smältvärme 16,9 kJ/mol
Ångtryck 0,00168 Pa vid 2125 K
Ljudhastighet 3800 m/s vid 293,15 K
Diverse
Elektronegativitet 1,33 (Paulingskalan)
Värmekapacitet 0,27 J/(kg·K)
Elektrisk ledningsförmåga 2,36 106 S/m (Ω−1·m−1)
Värmeledningsförmåga 22,7 W/(m·K)
1a jonisationspotential 640,1 kJ/mol
2a jonisationspotential 1270 kJ/mol
3e jonisationspotential 2218 kJ/mol
4e jonisationspotential 3313 kJ/mol
5e jonisationspotential 7752 kJ/mol
6e jonisationspotential 9500 kJ/mol
Stabilaste isotoper
Isotop F % Halv.tid Typ Energi (MeV) Prod.
90Zr 51,45 % 90Zr, stabil isotop med 50 neutroner
91Zr 11,22 % 91Zr, stabil isotop med 51 neutroner
92Zr 17,15 % 92Zr, stabil isotop med 52 neutroner
93Zr syntetisk 1,53*106 år β- 0,091 93Nb
94Zr 17,38 % 94Zr, stabil isotop med 54 neutroner
96Zr 2,8 % >3,8*1019 år β- 3,350 96Mo
SI-enheter & STP används om ej annat angivits.

Zirkonium är ett grå-vitt metalliskt grundämne som kemiskt liknar titan.

Egenskaper[redigera | redigera wikitext]

Zirkonium har god motståndskraft mot korrosion och låg benägenhet att absorbera neutroner (lågt tvärsnitt [förklaring behövs] eller liten träffyta.[förklaring behövs])

Zirkonium är mycket reaktivt, och förenar sig lätt med oxygen, nitrogen och kol. Även små mängder förorening med dessa ämnen har stor inverkan på hållfastheten och gör produkten oanvändbar där mekanisk styrka krävs.[1]

Vid temperaturer över ca 1000 °C reagerar zirkonium snabbt och exotermt med vatten under bildning av vätgas och zirkoniumoxid.

Zirkoniumpulver är självantändande i syre och används i vissa skott[förtydliga].

Historia[redigera | redigera wikitext]

Zirkoniumdioxid framställdes 1789 ur mineralet zirkon av den tyska kemisten Martin Heinrich Klaproth. Metalliskt zirkonium isolerades av Jöns Jacob Berzelius 1824. Namnet kommer av zirkon, vars namn i sin tur kommer av arabiskans zargun, guldfärgad. [2]

Användning[redigera | redigera wikitext]

Den goda motståndskraften mot korrosion samt låga benägenheten att absorbera neutroner gör att zirkoniumlegeringar är ett vanligt kapslingsmaterial för uranbränsle i kärnreaktorer[3]. Det låga tvärsnittet[förklaring behövs] förbättrar neutronekonomin i klyvningsprocessen samt minskar benägenheten för materialet att försämras av neutronbestrålning. Normalt samexisterar zirkonium och hafnium, men till skillnad från zirkonium är hafnium en mycket bra neutronabsorbator, varför det ur denna synpunkt är viktigt att kunna separera de två ämnena. För att zirkoniet ska kunna användas i reaktorer måste det innehålla mindre än 100 ppm hafnium [4]

Benägenheten att reagera med vatten vid höga temperaturer är väl känd och en försvårande omständighet vid olycksförlopp med överhettat kärnbränsle[5]

Förekomst[redigera | redigera wikitext]

Zirkonium är ganska vanligt i jordskorpan (det tjugonde vanligaste) och återfinns speciellt i Ryssland och Sydafrika.

Zirkon, zirkoniumsilikat (ZrSiO4) är det vanligast naturligt förekommande zirkoniummineralet. Det finns som förvittringsrest i strandsand. Brytvärda mängder finns huvudsakligen i Australien, men även i någon mån i Indien.[1]

Baddelyit, även kallat zirconia innehåller 90–93 % zirkondioxid, ZrO2 och utvinnes mest i Brasilien.[1]

Zirkit är ett blandmineral, som innehåller 73 – 85 % zirkon samt baddeleyit.[1]

Zirkonium förekommer ofta tillsammans med hafnium, uran och torium.

Zirkoniumstav

Framställning[redigera | redigera wikitext]

När Jöns Jacob Berzelius första gången framställde zirkonium var det ur kaliumfluorzirkonat (K2ZrF6) som reducerades med kalium. Nuförtiden framställer man zirkonium genom att reducera zirkoniumklorid (ZrCl4) med magnesium.

ZrCl4 + 2Mg → 2MgCl2 + Zr

Zirkonium kan även framställas genom reduktion av zirkoniumoxid med magnesium eller kalcium.

ZrO2 + 2Ca → 2CaO + Zr

Exempel på industriell framställning[redigera | redigera wikitext]

  • Grävskopa lastar zirkonsand på lastbil, som transporterar sanden till anrikningskakbord. Järn m  tas bort med magnetiska och elektrostatiska separatorer. Innehållet av 2 % hafnium fångas inte av fysiska metoder, utan måste tas bort på kemisk väg.
  • Ett koncentrat av 65 % ZrO2 upphettas i en ugn tillsammans med kol, varvid zirkoniumkarbid, ZrC bildas. Sandens oönskade innehåll av kisel frånskiljes i form av kiseldioxid,SiO2. Zirkoniumhalten är nu 75 – 85 %
  • Zirkoniumkarbiden kloreras med klorgas Cl2. Kvarvarande kisel samt oönskat titan och aluminium avgår i form av kilselklorid, SiCl4, titanklorid, TiCl4 och aluminiumklorid, AlCl3. Det som nu återstår är rå zirkoniumklorid, ZrCl4 + hafnium.
  • I ett kemiskt reningsverk separeras hafnium i form av hafniumhydroxid Hf(OH)4. Återstoden är zirkoniumhydroxid, Zr(OH)4, som filtreras, torkas och därefter kalcineras. Nu har man fått fram zirkoniumdioxid ZrO2 i någorlunda ren form för fortsatt omvandling till ren metall.

Se även[redigera | redigera wikitext]

Källor[redigera | redigera wikitext]

  1. ^ [a b c d] Metallen, nr 4 1956, AB Svenska Metallverken, Västerås
  2. ^ Anders Lennartsson, Periodiska systemet, Studentlitteratur, 2011
  3. ^ Scott, Malcom (1995). Science matters Nuclear Power. The Open University. Sid. 49-50. ISBN 0749281731 
  4. ^ A. A. Nayl, Y. A. El-Nadi, and J. A. Daoud (2009). ”Extraction and Separation of Zr(IV) and Hf(IV) from Nitrate Medium by Some CYANEX Extractants”. Separation Science and Technology "44" (12): sid. 2956 -2970. doi:0.1080/01496390903014169. .
  5. ^ ANL-6548 Studies of metal-water reactions at high temperatures III. Experimental and theoretical studies of the zirconium-water reaction, Louis Baker, Jr. and Louis C. Just, Argonne national laboratory, 1962.