Zirconi

Zirconi
40Zr
itri←zirconi→niobi Ti ↑ Zr ↓ Hf Taula periòdica
Aspecte
Blanc platejat Línies espectrals del zirconi
Propietats generals
Nom,símbol,nombre	Zirconi, Zr, 40
Categoria d'elements	Metalls de transició
Grup,període,bloc	4,5,d
Pes atòmic estàndard	91,224
Configuració electrònica	[Kr] 5s24d2 2, 8, 18, 10, 2
Propietats físiques
Fase	Sòlid
Densitat (prop de lat. a.)	6,52 g·cm−3
Densitat del líquid en elp. f.	5,8 g·cm−3
Punt de fusió	2.128K, 1.855 °C
Punt d'ebullició	4.682 K, 4.409 °C
Entalpia de fusió	14kJ·mol−1
Entalpia de vaporització	573 kJ·mol−1
Capacitat calorífica molar	25,36 J·mol−1·K−1
Pressió de vapor
P (Pa) 1 10 100 1 k 10 k 100 k a T (K) 2.639 2.891 3.197 3.575 4.053 4.678
Propietats atòmiques
Estats d'oxidació	4,3, 2, 1 (òxidamfòter)
Electronegativitat	1,33 (escala de Pauling)
Energies d'ionització	1a: 640,1 kJ·mol−1
	2a: 1.270 kJ·mol−1
	3a: 2.218 kJ·mol−1
Radi atòmic	160pm
Radi covalent	175±7 pm
Miscel·lània
Estructura cristal·lina	Hexagonal
Ordenació magnètica	Paramagnètic
Resistivitat elèctrica	(20 °C) 421 nΩ·m
Conductivitat tèrmica	22,6 W·m−1·K−1
Dilatació tèrmica	(25 °C) 5,7 µm·m−1·K−1
Velocitat del so(barra prima)	(20 °C) 3.800 m·s−1
Mòdul d'elasticitat	88 GPa
Mòdul de cisallament	33 GPa
Mòdul de compressibilitat	91,1 GPa
Coeficient de Poisson	0,34
Duresa de Mohs	5,0
Duresa de Vickers	903 MPa
Duresa de Brinell	650 MPa
Nombre CAS	7440-67-7
Isòtops més estables
Article principal:Isòtops del zirconi
Iso AN Semivida MD ED(MeV) PD 88Zr sin 83,4 d ε - 88Y γ 0,392D - 89Zr sin 78,4 h ε - 89Y β+ 0,902 89Y γ 0,909D - 90Zr 51,45% 90Zr ésestableamb 50neutrons 91Zr 11,22% 91Zr ésestableamb 51neutrons 92Zr 17,15% 92Zr ésestableamb 52neutrons 93Zr traça 1,53×106a β− 0,060 93Nb 94Zr 17,38% >1,1×1017a β−β− 1,144 94Mo 96Zr 2,8% 2,0×1019a β−β− 3,348 96Mo

Elzirconiés unelement químicdenombre atòmic40situat en el grup 4 de lataula periòdica dels elements.El seu símbol ésZr.

El zirconi (de l'àrabzargun,que significa 'color daurat') fou descobert el1789perMartin Klaprotha partir del mineralzircó.El 1824Jöns Jacob Berzeliusl'aïllà en estat impur;però no fou fins al1914que es preparà el metall pur. És unmetalldur, resistent a lacorrosió,semblant a l'acer.Elsmineralsmés importants en els quals es troba són elzircóZrSiO₄i labaddeleyitaZrO₂,encara que a causa de la gran semblança entre el zirconi i l'hafni(no hi ha altres elements que s'assemblen tant entre si) realment aquests minerals són mescles dels dos; els processos geològics no han estat capaços de separar-los. S'utilitza sobretot enreactors nuclears(per la seva baixa secció decaptura de neutrons) i per a formar part d'aliatges(zircaloy) amb alta resistència a lacorrosió.

Història

Zircó de Madagascar.

Martin Heinrich Klaproth.

Les gemmes que contenen zirconi eren conegudes en temps bíblics i s'anomenaven jacint, argot izircó.Es pensava que les varietats incolores eren un tipus dediamantd'inferior qualitat, però això es demostrà fals quan un químic alemany,Martin Heinrich Klaproth(1743-1817) analitzà un zircó el 1789 i descobrí el zirconi. Klaproth dirigiria una farmàcia aBerlíni investigà un exemplar d'argot, una pedra semipreciosa de l'illa deCeilan(Sri Lanka). Començà escalfant-la amb àlcali i obtingué un nou òxid ZrO₂,que anomenà zircònia, i que s'adonà que devia ser el d'un element encara no descobert que anomenà zirconi, derivat de zircó. El nom és d'etimologia incerta, però sembla que prové de la paraula persazargoon,‘daurat’.

Klaproth fou incapaç d'aïllar el metall pur.Humphry Davy,a Londres el 1808, intentà separar el zirconi del seu òxid perelectròlisi,que era la manera en què havia aïllat amb èxit els metalls de potassi i sodi, però no ho aconseguí. No fou fins al 1824 que l'element fou aïllat pel químic suecJöns Jacob Berzeliusescalfant hexafluorur de dipotassi i zirconi (K₂ZrF₆) amb potassi metall en un tub de ferro segellat, i l'obtingué el metall com a pols negre. Així i tot, no es trobà cap ús per al zirconi; no tenia cap aplicació comercial com a metall, i els seus compostos químics no tenien cap característica destacable. El metall d'alta puresa fou produït per primera vegada el 1925 pels químics neerlandesos Anton van Arkel (1893-1976) i Jan H. de Boer (1899-1971), mitjançant la descomposició deltetraiodur de zirconiZrI₄.A la dècada de 1940,William Justin Kroll(1889-1973) de Luxemburg desenvolupà un procés comercial, dirprocés Kroll,per aconseguir el metall pur.

Abundància i obtenció

BaddeleyitaZrO₂.

A l'escorça terrestreel zirconi ocupa la posició 18a en quan a abundància amb una concentració mitjana 190ppm.Als sols hom el troba entre 35 i 500 ppm, i a l'aigua de la mar en una concentració de 9 ppt i a l'atmosfera només en quantitat traces. També és abundant en lesestrellesdetipus Si s'ha detectat en elSoli enmeteorits.A més, s'ha trobat una alta quantitat d'òxid de zirconi (en comparació amb la present en l'escorça terrestre) en mostres provinents de laLluna.

El zirconi no es troba en la naturalesa com a metall lliure, però sí que formant part de nombrososminerals(se'n coneixen cent trenta). Els minerals amb més d'un 40 % de proporció de zirconi són:baddeleyitaZrO₂(74,03 %),calzirtitaCaZr₃TiO₉(54,13 %),reiditaZrSiO₄(49,77 %),tazheranitaCaTiZr₂O₈(45,80 %),zircóZrSiO₄(43,14 %) iallendeïtaSc₄Zr₃O₁₂(41,50 %).

La principal font de zirconi s'obté del mineralzircó(silicat de zirconi, ZrSiO₄), que es troba en dipòsits aAustràlia,Sud-àfrica,Estats Units,MoçambiciIndonèsia.El zircó s'obté com a subproducte de la mineria i processament de minerals de metalls pesants detitani,lailmenitaFeTiO₃i elrútilTiO₂,i també d'estany.El zirconi i l'hafnies troben en el zircó, el zirconi en un 43,14 % i el hafni en un 4,69 %, i és molt difícil separar-los.

L’obtenció del metall és efectuada, a partir deltetraclorur de zirconiZrCl₄,mitjançant elprocés Kroll.Els minerals es transformen en elcarbur de zirconiZrC, el qual es converteix en el tetraclorur, que es purifica per destil·lació i es redueix finalment ambmagnesi.Hom obté, així, zirconi contaminat amb un 1-3 % d’hafni,amb el qual ocorre conjuntament, però ha d’ésser eliminat per a les aplicacions nuclears de l’element.En processos semiindustrials es pot realitzar l'electròliside sals foses, obtenint-se el zirconi en pols que pot utilitzar-se posteriorment enpulverimetal·lúrgia.Per a l'obtenció del metall amb major puresa se segueix elprocés Van Arkel-de Boer,basat en la dissociació deltetraiodur de zirconiZrI₄,obtenint-se una esponja de zirconi metall. Tant en aquest cas, com en l'anterior, l'esponja obtinguda es fon per a obtenir el lingot.

Propietats

Barra de zirconi.

Propietats físiques

És unmetallblanc grisenc, brillant i molt resistent a lacorrosió.Té un punt de fusió de 1 854 °C, un punt d'ebullició de 4 406 °C i una densitat de 6,52 g/cm³. Cristal·litza en elsistema hexagonalper sota dels 865 °C i la seva estructura éscúbica centrada en el cosper damunt dels 865 °C. Ésdúctili fàcil de treballar, i té unes bones propietats de transferència de calor i de resistència a lacorrosió.És més lleuger que l'aceramb unaduresasemblant a la delcoure.

Propietats químiques

Diòxid de zirconi ZrO₂en pols.

Des del punt de vista químic, el zirconi és mitjanamentreactiu.Els seusestats d'oxidaciómés comuns són +2, +3 i +4. Finament dividit, es combina amb l’oxigen amb ignició, especialment en calent, mentre que en forma compacta l'oxidacióés molt més lenta.Quan està finament dividit pot cremar espontàniament en contacte amb l'aire(reacciona abans amb elnitrogenque amb l'oxigen), especialment a altes temperatures. La reacció és:

$${\ce {Zr(s) + O2(g) -> ZrO2(s)}}$$

És un metall resistent alsàcids,però es pot dissoldre ambàcid fluorhídric(HF), segurament formantcomplexosamb elsfluorurs.Reacciona amb els halògens formant els halurs de zirconi(+4):

$${\ce {Zr(s)\,+2F2(g)->ZrF4(s)\quad [blanc]}}$$$${\ce {Zr(s)\,+2Cl2(g)->ZrCl4(l)\quad [blanc]}}$$$${\ce {Zr(s)\,+2Br2(g)->ZrBr4(s)\quad [blanc]}}$$$${\ce {Zr(s)\,+2I2(g)->ZrI4(s)\quad [blanc]}}$$

Isòtops

En la naturalesa es troben quatreisòtopsestables les quals abundàncies isotòpiques són: Zr-90 51,45 %, Zr-91 11,22 %, Zr-92 17,15 % i Zr-94 17,38 %. També hom troba en un 2,8 % unradioisòtopde molt llarga vida (Zr-96) que té unperíode de semidesintegracióde 2 × 10¹⁹anys. El radioisòtop que el segueix en estabilitat és el Zr-93 que té un període de semidesintegració d'1,53 × 10⁶d'anys.

S'han caracteritzat vint-i-set radioisòtops més, la majoria tenen períodes de semidesintegració inferiors a undia,excepte el Zr-95 (64,02 dies), Zr-88 (63,4 dies) i Zr-89 (78,41 hores). El principalmode de decaïmentdels isòtops més lleugers que el Zr-92, és lacaptura electrònica,mentre que el dels més pesants que aquest és ladesintegració beta.

Aplicacions

Barres dezircaloyfarcides amb pastilles decombustible nuclear(urani) apilades una sobra l'altra. Les barres s'agrupen en feixos anomenats elements de combustible.

Té nombroses aplicacions, derivades fonamentalment de la seva resistència a la corrosió i de la petita secció de captura neutrònica.

Generació d'energia

El 90 % del zirconi produït s'utilitza en les barres dels elements combustibles(habitualmentdiòxid d'urani,UO₂) delsreactor nuclears,en forma dezircaloy(aliatges de zirconi i altres metalls) a causa de que es tracta d'unmaterialque es caracteritza per tenir una bona resistència tèrmica, és a dir que suporta bé les altestemperatures,ja que no fon fins als 2 200 °C. També es considera transparent per alsneutrons lents,perquè la sevasecció eficaçd'absorció d'aquests neutrons és molt petita.Dels diferents tipus de zircaloy els més emprats són:

• Zircaloy-2,Zy-2: Aliatge compost per un 98,25 % enmassade zirconi, un 1,45 % d'estany, un 0,135 % deferro,0,10 % decrom,0,055 % deníqueli menys d'un 0,01 % d'hafni.Es fa servir sobretot alsreactorsd'aigua bullent,BWR,de lescentrals nuclearsgeneradores d'electricitat.
• Zircaloy-4,Zy-4: Aliatge compost per un 98,23 % enmassade zirconi, un 1,45 % d'estany, un 0,21 % de ferro, 0,10 % de crom i menys d'un 0,01 % d'hafni.Es fa servir sobretot alsreactorsd'aigua pressuritzada,PWR, de les centrals nuclears generadores d'electricitat. Existeixen variants de Zy-4 que contenen menys quantitat d'estany, això es considera una millora que permet disminuir la descamació de la capa d'òxidque es forma inevitablement a la superfície de les barres de zircaloy durant el funcionament del reactor.

Imitació dediamantdezirconita.

Indústria de ceràmica

El principal consum de zirconi s'esdevé en la fabricació de revestiments ceràmics esmaltats, molt resistents a la calor a la vegada que actuen com a opacificants. Les parts dels motors de lesturbines de gasque han de resistir altes temperatures per a produir més electricitat i menys CO₂estan protegides amb una fina capa ceràmica altament refractària, composta per un òxid de zirconi i itri.

Joieria

L'òxid de zirconi(IV)ZnO₂sintètic cúbic (zirconita) s'utilitza en joieria com a gemma d'imitació; té unaduresade 8,5 en l'escala de Mohsi un altíndex de refracció,i la seva aparença és semblant a la deldiamant.

Medicina

Corones dentals fabricades amb diòxid de zirconi.

També s'utilitza l'òxid de zirconi (zircònia) en la fabricació d'implants dentals i en pròtesis ceràmiques per a corregir la deformació dels dits (hallux rigidus), ja que és biocompatible.

Els compostos que porten zirconi s’utilitzen en moltes aplicacions biomèdiques, inclosos implants icorones dentals,substitucions de genolls i malucs, reconstrucció de l'ossicle de l’orellai altres dispositius restauradors i protètics.

El zirconi uneix laurea,una propietat que s'ha utilitzat àmpliament en benefici dels pacients ambinsuficiència renal crònica.Per exemple, el zirconi és un component principal del sistema de regeneració i recirculació de dialitzat dependent de la columna sorbent conegut com a sistema REDY, que es va introduir per primera vegada el 1973. S'han realitzat més de dos milions de tractaments dediàlisimitjançant la columna sorbent del sistema REDY.Tot i que el sistema REDY va ser substituït als anys noranta per alternatives menys costoses, els nous sistemes de diàlisi basats en sorbents estan sent avaluats i aprovats per l'Administració d'Aliments i Fàrmacs (FDA)dels Estats Units. Renal Solutions va desenvolupar la tecnologia DIALISORB, un sistema portàtil de diàlisi de baix nivell d'aigua. A més, les versions de desenvolupament d'unronyóartificial portàtil han incorporat tecnologies basades en sorbents.

El ciclosilicat de zirconi de sodi s’utilitza per via oral en el tractament de lahiperpotas sắc mia.És un absorbent selectiu dissenyat per atrapar elsionspotassi en preferència d'altres ions del tracte gastrointestinal.

Una barreja de complexos monmèrics i polimèrics Zr⁴⁺i Al³⁺ambhidròxid,cloruriglicina,anomenada tetraclorhidrox gl o AZG, s’utilitza en una preparació com a antitranspirant en molts productes desodorants. Es selecciona per la seva capacitat d’obstruir els porus de la pell i evitar que la suor surti del cos.

Altres camps

La ceràmica d'òxid de zirconi (zircònia) s'usa per a fabricar ganivets, rodaments mecànics i discos abrasius.

Rol biològic

No es coneix cap rol biològic per aquest element.

Precaucions

No són gaire comuns els compostos que continguen zirconi, i la sevatoxicitatinherent és baixa. Lapolsmetàl·licapot cremar en contacte amb l'aire, per la qual cosa cal considerar-lo com un agent de risc defocoexplosió.

Vegeu també

• Zircaloy

Enllaços externs

• webelements - Zirconi(anglès)
• environmentalchemistry - Zirconi(anglès)

Viccionari