Zirconiu

De Wikipedia
(Redirixío dende Circoniu)
Saltar a: navegación, buscar
Wikipedia:Correxir
Itriu ← ZirconiuNiobiu
  Hexagonal.svg Capa electrónica 040 Circonio.svg
 
40
Zr
 
               
               
                                   
                                   
                                                               
                                                               
Tabla completaTabla enantada
Zr,40.jpg
Blanco abuxáu
Información xeneral
Nome, símbolu, númberu Zirconiu, Zr, 40
Serie química Metales de transición
Grupu, periodu, bloque 4, 5, d
Configuración electrónica [Kr38] 5s2
Durez Mohs 6
Electrones per nivel 2, 8, 18, 10, 2 (imaxe)
Propiedaes atómiques
Radiu mediu 155 pm
Radiu atómicu (calc) 206 pm (Radiu de Bohr)
Radiu covalente 148 pm
Estáu(aos) d'oxidación 4 (anfótero)
Propiedaes físiques
Estáu ordinariu Sólidu
Densidá 8570 kg/m3
Puntu de fusión 2128 K (1855 °C)
Puntu d'ebullición 4682 K (4409 °C)
Entalpía de vaporización 58,2 kJ/mol
Entalpía de fusión 16,9 kJ/mol
Presión de vapor 0,00168 Pa a 2125 K
Varios
Estructura cristalina Hexagonal
N° CAS 7440-67-7
Conductividá térmica 22,7 W/(m·K)
Velocidá del soníu 3800 m/s a 293,15 K (20 °C)
Isótopos más estables
Artículu principal: Isótopos del zirconiu
iso AN Periodu MD Ed PD
MeV
88Zr 83,4 d
Valores nel SI y condiciones normales de presión y temperatura, sacante que se diga lo contrario.
[editar datos en Wikidata]

El zirconiu[1] (o circoniu) ye un elementu químicu de númberu atómicu 40 y pesu atómicu 91.224. Asitiáu nel grupu 4 de la tabla periódica de los elementos. El so símbolu ye Zr. El nome de zirconiu tomar del mineral zircón, la fonte más importante de zirconiu, y que deriva de la palabra persa "zargun - زرگون", que significa "doráu".

Ye un metal de transición brillosa, de color blancu buxu, duru, resistente al escomiu, d'apariencia similar al aceru. Los minerales más importantes nos que s'atopa son el circón (ZrSiO4) y la badeleyita (ZrO2), anque debíu al gran paecíu ente'l zirconiu y el hafniu (nun hai otros elementos que se paezan tantu ente sigo) realmente estos minerales son amiestos de los dos; los procesos xeolóxicos nun fueron capaces de dixebralos. Utilízase sobremanera en reactores nucleares (pola so baxa sección de captura de neutrones). Tamién s'emplega como refractariu y opacificador, y en pequeñes cantidaes como axente d'aleación pol so fuerte resistencia al escomiu.

Hestoria[editar | editar la fonte]

Circoniu puru.

El zirconiu (del persa zargun, que significa «color doráu») afayóse en 1789 por Martin Heinrich Klaproth a partir del circón (Zr [SiO4]) piedra preciosa conocida dende l'antigüedá. En 1824 Jons Jakov Berzelius aisllar n'estáu impuru; hasta 1914 nun se preparar el metal puro.

En delles escritures bíbliques méntase'l mineral circón, que contien zirconiu, o dalguna de les variaciones de dichu mineral (jargón, xacintu, etc.) Nun se conocía que'l mineral contenía un nuevu elementu hasta que Klaproth analizó un jargón procedente de Ceilán, nel océanu Índicu, denominando al nuevu elementu como circonia. Berzelius aisllar impuru pola amenorgamientu de fluoruru de potasiu y zirconiu, K2ZrF6 con potasiu, pa lo cual caleció un amiestu de fluoruru de potasiu y zirconiu y potasiu nun tubu de fierro. Dempués tratáu con agua, ensugáu y calentamientu enllargáu n'ácidu clorhídricu esleíu llogró un polvu asemeyao a negru de carbón.[2]

Sicasí, hasta 1924 nun se va determinar, la correcta masa atómico, yá que se desconocía que'l zirconiu natural siempres contien pequeñes cantidaes de hafniu. Ensin esta información, les midíes de la masa atómico siempres fueron un daqué elevaes.[3]

La primer aplicación práctica de zirconiu utilízase como flax en fotografía.

Propiedaes[editar | editar la fonte]

Propiedaes físiques[editar | editar la fonte]

Estructura cristalina del zirconiu

Ye un metal sólidu a temperatura ambiente, blancu abuxáu, polencu. Ye un metal pesao (densidá 6,501 g/ cm³ a 25 °C [4]), pero más llixeru qu'el aceru, con una durez similar a la del cobre.

El puntu de fusión de zirconiu ye 1855 °C (3371 °F), y el so puntu de ebullición ye de 4371 °C (7900 °F).[5] zirconiu tien una electronegatividad de 1.33 na escala de Pauling. De los elementos del bloque d, el zirconiu tien la cuarta más baxa electronegatividad dempués de itriu, luteciu y hafniu.[6]

A temperatura ambiente'l zirconiu presenta una estructura cristalina hexagonal compacta, α-Zr, del mesmu tipu qu'el magnesiu. A 863 °C camuda a una estructura cristalina cúbica centrada, β-Zr, similar a la del wolframiu. El zirconiu caltien la fase-β hasta'l puntu de fusión.[7]

Les aleaciones con cinc vuélvense magnétiques per debaxo de 35 K.[5] ZrZn2 ye una de los dos sustances que presenten superconductividad y ferromagnetismu simultáneamente, la otra ye UGe2.[8] Per debaxo de 0.55 K el zirconiu ye superconductor.[9]

Puru ye dúctil y maleable, ye de fácil laminación y forxa. Pero pequeñes impureces de hidróxenu, carbonu o nitróxenu volver fráxil y malo de procesar.[10][11] La conductividá eléctrica ye relativamente mala pa ser un metal, ye namá'l 4 % de la del cobre. Pero a pesar de la so mal conductividá eléctrica ye relativamente bon conductor térmicu. Si comparar col titaniu los puntos son de fusión -y de ebullición son llixeramente más altu (puntu de fusión: titaniu: 1667 °C, de zirconiu: 1857 °C). La conductividá eléctrico y térmico ye meyor.

Les propiedaes de zirconiu y l'homólogu más pesáu, el hafniu, son similares por cuenta de la contracción lantánida. Esta fai que los radios atómicos sían asemeyaos (Zr: 159 pm, Hf: 156 pm [9] ) y tantu les propiedaes similares. Los dos metales, sicasí, difieren considerablemente na so densidá, Zr: 6,5 g/cm³ , Hf: 13,3 g/cm³.[12]

Una propiedá de gran importancia pal empléu del zirconiu en reactores nucleares ye la so baxa sección eficaz de captura de neutrones. Por contra'l hafniu tien una sección bien alzada esto fai necesariu'l procesu de separación p'aplicaciones nucleares.

Propiedaes químiques[editar | editar la fonte]

Les sos estado d'oxidación más comunes son +2, +3 y +4.

El zirconiu forma una delgada y compacta capa d'óxidu, zirconiu pasiváu y polo tanto inerte. Presenta una alta resistencia al escomiu por álcalis, ácidos, agua salao y otros axentes.[5] Les bases aguacientes bases reaccionen col zirconiu. Pero puede eslleise por aciu acedu fluorhídricu (HF), de xuru formando complexos colos fluoruros. Tamién, va eslleir nun amiestu de ácidu clorhídricu y sulfúricu especialmente cuando ta presente'l flúor.[13]

Cuando ta finamente estremáu ye altamente inflamable, puede amburar bonalmente en contactu col aire (reacciona enantes col nitróxenu que col osíxenu), especialmente a altes temperatures. En forma compacta ye muncho menos propensu a la ignición, a presiones moderaes, reacciona namái en caldia col osíxenu y el nitróxenu. Pero a una presión elevada de zirconiu reacciona con osíxenu a temperatura ambiente, una y bones l'óxidu de zirconiu formáu ye soluble nel metal fundíu.[9]

Isótopos[editar | editar la fonte]

El zirconiu d'orixe natural ta formáu por cuatro isótopos estables:90Zr, 91Zr, 92Zr, 94Zr y un radioisótopu de bien llarga vida media 96Zr. El 94Zr puede sufrir una doble desintegración beta (non reparada esperimentalmente) con una vida media de más de 1,10 × 1017 años. El 96Zr tien una vida media de 2,4 × 1019 años, polo que ye'l radioisótopo más llonxevu de zirconiu. D'estos isótopos naturales, el 90Zr ye la más común, representa 51,45 % de too el zirconio, ente que el 96Zr ye'l menos común, qu'entiende namái 2,80 % de zirconiu.[14]

Sintetizáronse veintiocho isótopo artificiales del zirconiu, que van na masa atómico de 78 a 110. El 93Zr ye l'isótopu artificial de vida más llarga, con una vida media de 1,53 × 106 años. El 110Zr ye l'isótopu más pesáu de zirconiu, y tamién el de más curtia duración, y envalórase que la vida media de namái 30 milisegundos. La mayoría tienen periodos de semidesintegración de menos d'un día, sacante'l 95Zr (64,02 díes), 88Zr (63,4 díes) y 89Zr (78,41 hores). Los radioisótopos n'o percima de númberu de masa 93 se desintegran por desintegración beta β -, ente que los que tán n'o per debaxo de 89 por desintegración β +. La única esceición ye'l 88Zr, que se desintegra por captura electrónica ε.[14]

Tamién esisten cinco isótopos de zirconiu na forma de isómeros metaestable: 83mZr, 85mZr, 89mZr, 90M1Zr, 90m2Zr y 91mZr. D'éstos, 90m2Zr tien la vida media más curtia 131 nanosegundos, ente que 89mZr ye'l más llonxevu con una vida media de 4,161 minutos.

Aplicaciones[editar | editar la fonte]

  • Principalmente (en redol a un 90 % del consumíu) utilízase, Xeneralmente aleado, zircaloy, en reactores nucleares, debíu la so resistencia al escomiu y el so bien baxa sección de captura de neutrones. La sección de captura del hafniu ye alta, polo que ye necesariu dixebralos pa esta aplicación (pa otres, nun ye necesariu), xeneralmente por aciu un procesu de estracción con dos disolventes non miscibles, o bien emplegando resines d'intercambiu iónicu.
  • Utilízase como aditivu en aceros llográndose materiales bien resistentes. Tamién s'empleguen aleaciones con níquel na industria químico pola so resistencia frente a sustances corroyentes, especialmente para válvules, bombes , tuberíes y intercambiadores de calor
  • L'óxidu de zirconiu impuru emplegar pa fabricar crisoles de llaboratoriu (que soporten cambeos sópitos de temperatura), recubrimientu de fornos y como material refractario n'industries cerámiques y de vidriu.
  • L'óxidu de zirconiu estabilizáu con itriu ye llargamente utilizáu n'odontolóxica pa la confección de prótesis fixes, prótesis removibles y pilastres d'implantes. Amás ye utilizáu pal reemplazu d'articulaciones yá que ye un mateiral bioinerte al igual que'l titaniu.
  • Tamién s'emplega en intercambiadores de calor, tubos de vacíu y filamentos de bombil emplegar pa la fabricación de antitranspirantes.
  • Con fines militares emplégase como axente incendiariu, como'l cartuchu aliendu de dragón.
  • Aleado con niobiu presenta superconductividad a baxes temperatures, polo que puede emplegase pa faer imanes superconductores. Per otra parte, l'aleación con cinc ye magnética per debaxo de los 35 K.
  • L'óxidu de zirconiu usar en xoyería; ye una xema artificial denominada circonita qu'asonsaña al diamante.
  • Podemos amestar una industria nos sos empiezos: la fabricación de fueyes de corte, que pueden ser desaxeradamente resistentes y duraderes, superando a les meyores aleaciones d'aceru. Güei podemos atopar cuchiellos y otros accesorios de cocina de tipu comercial y profesional.
  • Utilízase como aditivu pa fabricar sables sintéticos.

Bayura[editar | editar la fonte]

Producción mundial de circón.

Nun s'atopa na naturaleza como metal nativo, lo que reflexa la so inestabilidá intrínseca con respectu a l'agua. Pero forma parte de numberosos mineralye. Na corteza terrestre el zirconiu atopa presente nuna concentración d'aprosimao 130 mg/kg y alredor de 0.026 mg/L nel agua de mar.[15] En bayures ocupa'l puestu 18, pero a pesar de ser bien común, polo xeneral namái s'atopen en cantidaes bien pequeñes y cristales bien pequeños (típicamente 0,1 mm), lo que causó n'otres dómines consideróse un elementu escasu. Circoniu alcuéntrase principalmente en roques xilizes intrusivas, como'l granitu. La materia primo son xeneralmente depósitos secundarios, llamaos depósitos de prestar. Estos fórmense cuando la roca circundante degradar y queden los restos de zirconiu yá que son más resistentes albentestate. Amás, tales depósitos pueden ser causaos por corrientes d'agua, xuagar los cristales de circón y depositen n'otros llugares. En contraste, los depósitos primarios suelen tener un baxu conteníu de zirconiu y nun son rentables pa la minería. La principal fonte comercial de zirconiu ye'l mineral circón (silicatu de zirconiu, ZrSiO4),[10] que s'atopa principalmente en depósitos n'Australia, Brasil, India, Rusia y Estaos Xuníos, según en depósitos más pequeños de too el mundu.[11] El 80 % de la minería de circón producir n'Australia y Suráfrica.[10] la reserves de circón superen 60 millones de tonelaes en tol mundu[15] y la producción de zirconiu añal mundial ye d'aprosimao 900.000 tonelaes.[15] El zirconiu tamién s'atopa en más d'otros 140 mineralye, incluyendo minerales comercialmente utiles baddeleyita(ZrO2), kosnarite.[16] y la eudialita (Na4(CaCeFeMn)2ZrSi6O17(OHCl)2) El circón llógrase como subproductu de la minería y procesáu de minerales de metales pesaos de titaniu, la ilmenita (FeTiO3) y el rutilo (TiO2), y tamién de la minería del estañu. El zirconiu y el hafniu atopar nel circón nuna relación de 50 a 1 y ye bien difícil dixebralos. Tamién s'atopa n'otros minerales, como la badeleyita .

Tamién ye abondosu nes estrelles de tipu S y detectóse nel Sol y en meteoritos. Amás, atopóse una alta cantidá n'óxidu de zirconiu (en comparanza col presente na corteza terrestre) n'amueses llunares trayíes pol programa Apollo.[5]

Producción[editar | editar la fonte]

El circón ye un subproductu de la minería y el procesamientu de los minerales de titaniu ilmenita y rutilo, lo mesmo que de la minería del estañu.[17] Ente 2003 y 2007, los precios de circón aumentaron costantemente dende $360 a $840 por tonelada.[18]

Al ser recoyíu de les agües costeres, el sable de zirconiu que contienen se purifica por aciu concentradores n'espiral pa esaniciar los materiales más llixeros, que depués s'asitien de nuevu na agua con seguridá, yá que son tolos componentes naturales del sable de la sablera. Por aciu separación magnética esaníciense los minerales del titaniu ilmenita y rutilo.

La mayoría de circón utilízase directamente n'aplicaciones comerciales, pero un pequeñu porcentaxe convertir nel metal. El primer pasu consiste nel llogru del dióxidu de zirconiu fundiendo'l circón con hidróxidu de sodiu, dixestión química. Nun ye posible l'amenorgamientu directu d'óxidu de zirconiu con carbonu (como nel procesu de altu fornu), yá que se formen carburos de bien difíciles de dixebrar. La mayoría de zirconiu metálicu producir pol amenorgamientu del cloruru de zirconiu (IV) con magnesiu metálicu nel procesu Kroll.[5] Primero prepárase'l cloruru:

pa dempués amenorgalo con magnesiu nuna atmósfera d'heliu.

El metal resultante se sinteriza hasta que tea abondo dúctil pa metalurxa.[11] En procesos semi-industriales puede realizase la electrólisis de sales fundíos, llográndose'l zirconiu en polvu que puede utilizase darréu en pulvimetalurgia. Pal llogru del metal con mayor pureza síguese'l procesu van Arkel-de Boer basáu na disociación del yoduro de zirconiu, llográndose una esponxa de zirconiu metal denominada crystal-bar. Pa lo cual calezse, a unos 200 °C, so vacíu zirconiu con yodu pa llograr yoduro de zirconiu (IV). Esti descomponer nun alambre caliente, 1200 °C, de nuevu en yodu, que se caltien gaseosu, y zirconiu que se deposita sobre l'alambre:

Tantu nesti casu, como nel anterior, la esponxa llograda fundir pa llograr el lingote.

El zirconiu calidable comercial, inclusive siguiendo'l procesu van Arkel-de Boer, inda tien un conteníu de 1 % a 3 % de hafniu.[19] Esti contaminante nun ye importante pa la mayoría d'usos sacante n'aplicaciones nucleares.

Separación de zirconiu y hafniu[editar | editar la fonte]

El zirconiu comercial xeneralmente contien de 1 a 2,5 % de hafniu. Pa les aplicaciones avezaes esto non problemáticu por cuenta de les propiedaes químiques de hafniu y zirconiu son abondo similares. Pero les propiedaes d'absorción de neutrones difieren fuertemente, polo que se riquir la separación de hafniu del zirconiu p'aplicaciones qu'impliquen reactores nucleares.[20] Dellos métodos de separación tán n'usu.[19] La estracción líquidu-líquidu del tiocianato y los derivaos d'óxidu, esplota la llixera mayor solubilidá del deriváu de hafniu en metil-isobutil-cetona frente a l'agua. Esti métodu utilízase principalmente nos Estaos Xuníos. El zirconiu y hafniu tamién pueden dixebrase por cristalización fraccionada del hexafluorocirconato de potasiu (K2ZrF6), que ye menos soluble n'agua que'l deriváu de hafniu análogu. La destilación fraccionada de los tetracloruros, tamién llamáu destilación extractiva, utilízase principalmente n'Europa. Un procesu VAM cuádruple (fusión per arcu al vaciu), combináu con extrusión en caliente y distintes aplicaciones de laminación cúrase usando gas d'alta temperatura d'alta presión d'esterilización en autoclave, resultando'l zirconiu de grau de reactor aprosimao 10 vegaes más caru que'l grau comercial contamináu de hafniu. El hafniu separáu puede utilizase pa les barres de control del reactor.[21] La separación de hafniu ye especialmente importante p'aplicaciones nucleares dende Hf tien bien alta sección tresversal d'absorción de neutrones, unes 600 vegaes cimera a la de zirconio, y polo tanto tien que ser esaniciáu por cuenta de qu'aplicaciones del reactor.[22]

Precuros[editar | editar la fonte]

Nun son bien comunes los compuestos que contengan zirconiu, y la so tosicidá inherente ye baxa. El polvu metálico puede amburar en contactu col aire, polo qu'hai que consideralo como un axente de riesgu de fueu o esplosión. Nun se conoz nengún papel biolóxicu d'esti elementu.

Referencies[editar | editar la fonte]

  1. Real Academia Española. «Circoniu» (español). Diccionariu panhispánicu de duldes. Madrid: Santillana. Consultáu'l 23 d'avientu de 2010.
  2. Johann Joseph Prechtl: Jahrbücher des kaiserlichen königlichen polytechnischen Instituts in Wien, 1826, Bd. 9, S. 265.
  3. O. Hönigschmied, Y. Zintl, F. Gonzalez: Über das Atomgewicht des Zirconiums. In: Zeitschrift für allgemeine und anorganische Chemie, 1924, 139, S. 293–309.
  4. Gordon B. Skinner, Herrick L. Johnston: Thermal Expansion of Zirconium between 298°K and 1600°K. In: J. Chem. Phys. 1953, 21, S. 1383-1284, doi 10.1063/1.1699227.
  5. 5,0 5,1 5,2 5,3 5,4 (2007–2008) CRC Handbook of Chemistry and Physics 4. CRC Press, 42. ISBN 978-0-8493-0488-0.
  6. Winter. «Electronegativity (Pauling)». University of Sheffield. Consultáu'l 5 de marzu de 2008.
  7. Schnell I and Albers RC (January). «Zirconium under pressure: phase transitions and thermodynamics». Journal of Physics: Condensed Matter (Institute of Physics) 18. doi:10.1088/0953-8984/18/5/001. Bibcode2006JPCM...18.1483S. 
  8. Day (September). «Second Material Found that Superconducts in a Ferromagnetic State». Physics Today (American Institute of Physics) 54. doi:10.1063/1.1420499. Bibcode2001PhT....54i..16D. 
  9. 9,0 9,1 9,2 Holleman-Wiberg: Lehrbuch der Anorganischen Chemie. 102. Auflage, de Gruyter, Berlin 2007, ISBN 978-3-11-017770-1.
  10. 10,0 10,1 10,2 Emsley (2001). Nature's Building Blocks. Oxford: Oxford University Press, 506–510. ISBN 0-19-850341-5.
  11. 11,0 11,1 11,2 «Zirconium». How Products Are Made. Advameg Inc.. Consultáu'l 26 de marzu de 2008.
  12. N. N. Greenwood, A. Earnshaw: Chemie der Elemente. 1. Auflage, VCH Verlagsgesellschaft, 1988, ISBN 3-527-26169-9.
  13. (2005) Van Nostrand's Encyclopedia of Chemistry. Wylie-Interscience, 1778–1779. ISBN 0-471-61525-0.
  14. 14,0 14,1 Audi, G. «Nubase2003 Evaluation of Nuclear and Decay Properties». Nuclear Physics A (Atomic Mass Data Center) 729. doi:10.1016/j.nuclphysa.2003.11.001. Bibcode2003NuPhA.729....3A. 
  15. 15,0 15,1 15,2 Peterson (2007). Radiological and Chemical Fact Sheets to Support Health Risk Analyses for Contaminated Areas (PDF), Argonne National Laboratory, 64–65.
  16. Ralph, Jolyon and Ralph, Día. «Minerals that include Zr». Mindat.org. Consultáu'l 23 de febreru de 2008.
  17. Callaghan (21 de febreru de 2008). «Zirconium and Hafnium Statistics and Information». US Geological Survey. Consultáu'l 24 de febreru de 2008.
  18. «Zirconium and Hafnium». Mineral Commodity Summaries (US Geological Survey). January. http://minerals.usgs.gov/minerals/pubs/commodity/zirconium/mcs-2008-zirco.pdf. Consultáu el 24 de febreru de 2008. 
  19. 19,0 19,1 Nielsen, Ralph (2005) "Zirconium and Zirconium Compounds" in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, Wiley-VCH, Weinheim. doi 10.1002/14356007.a28_543
  20. Stwertka (1996). A Guide to the Elements. Oxford University Press, 117–119. ISBN 0-19-508083-1.
  21. Zardiackas, Lyle D.; Kraay, Matthew J. and Freese, Howard L.. Titanium, niobium, zirconium and tantalum for medical and surgical applications. ASTM International, 21–. ISBN 978-0-8031-3497-3.
  22. Brady, George Stuart; Clauser, Henry R. and Vaccari, John A.. Materials handbook: an encyclopedia for managers, technical professionals, purchasing and production managers, technicians, and supervisors. McGraw-Hill Professional, 1063–. ISBN 978-0-07-136076-0.

Enllaces esternos[editar | editar la fonte]

Circonio