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 (har liten träffyta).

Zirkonium är mycket reaktivt, och förenar sig lätt med oxygen, nitrogen och kol. Även små mängder förorening med dessa ämnen har stor inverkan. Generellt ökar hårdheten så mycket att resulterande metall motstår fortsatt bearbetning. Avsiktlig tillsats av små mängder aluminium, krom, molybden, nickel, niob titan eller volfram kan öka den mekaniska hållfastheten och användbarheten avsevärt[1]

Atomen har en omvandlingspunkt vid 863 °C. Under denna temperatur legerar sig zirkonium inte spontant med andra metaller.[1] (Jämför guld i kontakt med kvicksilver.)

Vid temperaturer över ca 1 000 °C reagerar zirkonium snabbt och exotermt med vatten under bildning av vätgas och zirkoniumoxid.

I luft får zirkonium snabbt ett tunt överdrag av zirkoniumdioxid, ZrO2 och zirkoniuminitrid, ZrN. Överdraget är mycket hårt och tätt och hindrar fortsatt påverkan. Så skyddat motstår zirkonium kall utsädd salpetersyra, kall utspädd svavelsyra och t o m varm utspädd klorvätesyra. Även mot starka baser är motsåndskraften god, t ex mot natriumhydroxid, NaOH. Motsåndskraften mot kokande vatten och överhettad vattenånga, som är mycket aggresivt, är bättre än vad s k rostfritt stål har.[1]

Zirkoniumpulver är självantändande i närvaro av oxygen.

En nackdel är att zirkonium är dyrt. 1956 kostade zirkoniumsvamp cirka 114 kr/kg, men svampen måste undergå en omständlig bearbetning innan man har användbar metall. 1956 uppskattades detta öka priset till omkring 230 kr/kg.[1] Det innebär i prisnivån i mitten på 2020-talet flera tusen kr/kg, och än mera efter bearbetning till någon användbar produkt.

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 absorptionstvärsnittet om 0,18 barn [1] 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 (absorptionstvärsnitt 120 barn), varför det ur denna synpunkt är viktigt att kunna separera de två ämnena. För att zirkonium ska kunna användas i kärnreaktorer måste hafniumhalten vara mindre än 100 ppm.[4]    Zirkoniums benägenhet 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 % zirkoniumdioxid, 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.

Nu för tiden framställer man zirkonium genom att reducera zirkoniumklorid (ZrCl4) med magnesium (krollprocessen).

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 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 ljusbågsugn med förbrukningsbara kolelektroder, varvid zirkoniumkarbid, ZrC bildas. Sandens oönskade innehåll av kisel frånskiljes i form av kiseldioxid,SiO2. Kiseldioxid är lättfllyktigt och avgår i form av rök. Zirkoniumhalten är nu 75 – 85 %
  • Zirkoniumkarbiden kloreras med klorgas Cl2, varvid zirkoniumtetraklorid, ZrCl4 bildas samt en blandning av oönskad kilseltetraklorid, SiCl4, titantetraklorid, TiCl4, aluminiumtriiklorid, AlCl3 och hafniumtetraklorid, HfCl4. Detta upphettas till 331 °C, då zirkoniumtetraklorid sublimerar till gasform. Genom fraktionerad kylning därefter separeras lättflyktig kiseltetraklorid, titantetraklorid och aluminiumtriklorid som nyttiga biprodukter. Hafnium liknar zirkonium kemiskt och följer zirkonium vidare i processen.
  • Om zirkonium ska användas i kärnkraftsammanhang är minsta spår av kvarvarande hafnium skadligt. Efter kylningen återhår zirkoniumtetraklorid, förorenat med hafniumtetraklorid till fast form. Detta omvandlas så till vattenlösliga salter. Genom tillsats av vissa i vatten olösliga organiska lösningsmedel som attakerar zirkonium hellre än hafnium eller tvärtom, allt efter val av det organiska lösningsmedlet kan man separera hafnium från zirkonium. Efter ytterligare några kemiska steg har man så fått bort hafniumdioxid, HfO2 som användbar biprodukt samt ren zirkoniumtetrahydroxid, Zr(OH)4.
  • Den nu hafniumfria zirkoniumtetrahydroxiden filtreras och torkas varpå följer kalcinering. Återstoden är ren zirkoniumdioxid ZrO2.
  • I nästa steg blandas zirkoniumdioxiden med kolpulver. Som bindemedel tillförs dextrin upplöst i vatten. Det hela pressas samman till briketter, som är lätt att transportera till kloreringsverket för förnyad klorering till ren zirkoniumtetraklorid.
  • Kloriden överförs slutligen till metall med krollprocessen, som använder magnesium som hjälpämne. (Det är samma process som används för framställning av metallisk titan.)

Högrent zirkonium[redigera | redigera wikitext]

Vid måttligt hög temperatur förgasas jod. Ångan får verka på zirkonium, som då korroderar till zirkoniumjodid, ZrJ4, som också är en gas. Gasblandningen leds mot en elektriskt upphettad motståndstråd. Zirkoniumjodiden sönderfaller då i jod, som återgår till processen och högrent zirkonium, som bildar kristaller som fastnar på tråden. Processen är långsam och blir så dyr att den inte får något kommersiellt intresse.[1]

Se även[redigera | redigera wikitext]

Källor[redigera | redigera wikitext]

  1. ^ [a b c d e f g h i] 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.