Цирко́ний (лат. Zirconium), Zr, химический элемент IV группы короткой формы (4-й группы длинной формы) периодической системы; атомный номер 40; атомная масса 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 (период полураспада T_1/2 64,03 cуток; β-излучатель).

Историческая справка

Открыт М. Клапротом в 1789 г. – в виде диоксида выделен из образца циркона; неочищенный металлический цирконий получен Й. Берцелиусом в 1824 г., чистый – нидерландскими учёными А. ван Аркелем и Я. Х. де Буром в 1925 г. Название получил по минералу циркону от персидского zargun – золотистый.

Распространённость в природе

Содержание в земной коре 0,025 % по массе, в воде океанов около 3·10^–5 мг/л. Важнейшие минералы – циркон ZrSiO₄ и бадделеит ZrO₂; известно около 140 других минералов, в каждом из которых содержится 1–3 % Hf по отношению к цирконию.Образец чистого циркония. Фото: Björn Wylezich / legion-media.ruОбразец чистого циркония. Фото: Björn Wylezich / legion-media.ru

Свойства

Конфигурация внешней электронной оболочки атома циркония 4d²5s²; степень окисления +4, реже +3, +2 и +1; энергия ионизации при переходе от Zr⁰ к Zr⁴⁺ равна соответственно 640,1, 1270, 2218 и 3313 кДж/моль; электроотрицательность по Полингу 1,33; ионный радиус Zr⁴⁺ от 73 (координационное число 4) до 103 пм (9).

Цирконий – серебристо-серый (в порошкообразном виде тёмно-серый) блестящий металл, в чистом виде пластичен и легко поддаётся механической обработке; небольшие примеси О, С, N придают хрупкость. При 863 °С переходит из α-фазы с гексагональной кристаллической решёткой в кубическую β-фазу; t_пл 1855 °С, t_кип около 4350 °С; плотность 6520 кг/м³; теплопроводность 23 Вт/(м·К); температурный коэффициент линейного расширения 5,7·10^–6 К^–1. Модуль упругости 95–97 ГПа, предел прочности при растяжении 380–510 МПа; твёрдость по Бринеллю 680–1880 МПа, по Виккерсу 600–1800 МПа, по Моосу 5 МПа.

При нагревании выше 400–500 °С взаимодействует с кислородом воздуха, образуя тонкую плёнку, затем твёрдые растворы и оксиды (Zr₆O, Zr₃O, ZrO₂). В порошкообразном состоянии легко воспламеняется, с окислителями взрывается, компактный, устойчив к горению. При 300 °С поглощает Н₂, образует гидриды (ZrH₂, ZrH_{1,640–1,965}, ZrH_1,44–1,56) и твёрдые растворы. Не растворяется в кислотах и растворах щелочей; неустойчив к растворам, содержащим F^–, и расплавам некоторых фторидов. Реагирует с хлоратом и нитратом калия, хроматами и другими оксосолями. Образует сульфаты, нитраты, фториды, хлориды, иодиды, фторо- и хлороцирконаты, бориды (ZrB, ZrB₂, ZrB₁₂), карбиды (ZrC и твёрдые растворы), нитриды (Zr₃N₂, ZrN, Zr₃N₄), сульфиды (ZrS_0,7, ZrS_0,9–1,5, ZrS₂, ZrS₃). Известны селениды и теллуриды, фосфиды, арсениды, силициды, германиды, станниды и другие бинарные соединения циркония. Существуют многочисленные цирконаты – соли гипотетической метациркониевой H₂ZrO₃, пироциркониевой H₂Zr₃O₇ и ортоциркониевой H₄ZrO₄ кислот.

Получение

Производство циркония из концентратов ведут фторидным, хлоридным или щелочным способами; очистку, концентрирование и отделение от Hf – жидкостной экстракцией. Металл получают кальциетермическим восстановлением ZrF₄, натриетермическим восстановлением ZrCl₄, реже – электролитическим методом; чистый цирконий – иодидным рафинированием, переплавкой в вакуумных электродуговых и электронно-лучевых печах. Мировое производство циркония 1,5–1,6 млн т/год и с годами увеличивается.

Применение

Цирконий используют в качестве конструкционного материала в виде сплавов и добавок к сталям, Al, Cu, Mg, Ti, Nb, Mo, в виде циркалоя для оболочек твэлов и других деталей ядерных реакторов, для сверхпроводящих сплавов. В хирургии используют как имплантат и материал медицинских инструментов. Производят трубы, фитинги, фольгу, проволоку, губку. Из порошкообразного циркония изготавливают детонаторы, компоненты осветительных ракет, заряды для объёмных взрывов. Соли циркония 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.