Wikipedia

Circoniu

elementu químicu de númberu atómicu 40 y símbolu Zr

El circoniu[1] 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 circoniu tomar del mineral zircón, la fonte más importante de circoniu, y que deriva de la pallabra persa "zargun - زرگون", que significa "doráu".

Itriu ← Circoniu → Niobiu
 
 
40		 Zr
  
               
               
                                   
                                   
                                                               
                                                               
Tabla completa • Tabla enantada

Blanco abuxao
Información xeneral
Nome, símbolu, númberu Circoniu, Zr, 40
Serie química Metales de transición
Grupu, periodu, bloque 4, 5, d
Masa atómica 91,224 u
Configuración electrónica [Kr38] 5s2
Durez Mohs 6
Electrones per nivel 2, 8, 18, 10, 2
Propiedaes atómiques
Radiu mediu 155 pm
Electronegatividá 1,33 (Pauling)
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 de bullidura 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
Nᵘ CAS 7440-67-7
Calor específica 0,27 J/(K·kg)
Conductividá llétrica 2,36·10⁶ S/m
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 circoniu
iso AN Periodu MD Ed PD
MeV
88Zr83,4 d
Valores nel SI y condiciones normales de presión y temperatura, sacante que se diga lo contrario.
[editar datos en Wikidata]

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 circoniu 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 seición 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.

Historia

editar
 
Circoniu puro.

El circoniu (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 contién circoniu, 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 circoniu, K2ZrF6 con potasiu, pa lo que caleció un amiestu de fluoruru de potasiu y circoniu 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 correuta masa atómico, yá que se desconocía que'l circoniu natural siempres contién pequeñes cantidaes de hafniu. Ensin esta información, les midíes de la masa atómico siempres fueron un daqué elevaes.[3]

La primer aplicación práutica de circoniu utilízase como flax en fotografía.

Propiedaes

editar

Propiedaes físiques

editar
 
Estructura cristalina del circoniu

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

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

A temperatura ambiente'l circoniu presenta una estructura cristalina hexagonal compacta, α-Zr, del mesmu tipu que'l magnesiu. A 863 °C camuda a una estructura cristalina cúbica centrada, β-Zr, similar a la del wolframiu. El circoniu caltién 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 sustancies que presenten superconductividá y ferromagnetismu simultáneamente, la otra ye UGe2.[8] Per debaxo de 0.55 K el circoniu ye superconductor.[9]

Puru ye dúctil y maleable, ye de fácil laminación y forxa. Pero pequeñes impureces d'hidróxenu, carbonu o nitróxenu volver fráxil y malo de procesar.[10][11] La conductividá llétrica ye relativamente mala pa ser un metal, ye namái'l 4 % de la del cobre. Pero a pesar de la so mal conductividá llétrica 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 circoniu: 1857 °C). La conductividá llétrico y térmico ye meyor.

Les propiedaes de circoniu y l'homólogu más pesáu, el hafniu, son similares por cuenta de la contraición 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 emplegu del circoniu en reactores nucleares ye la so baxa seición eficaz de captura de neutrones. Por contra'l hafniu tien una seición bien alzada esto fai necesariu'l procesu de separación p'aplicaciones nucleares.

Propiedaes químiques

editar

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

El circoniu forma una delgada y compacta capa d'óxidu, circoniu 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 circoniu. Pero puede eslleise por aciu acedu fluorhídricu (HF), de xuru formando complexos colos fluoruros. Tamién, va eslleir nun amiestu d'ácidu clorhídricu y sulfúricu especialmente cuando ta presente'l flúor.[13]

Cuando ta finamente estremáu ye altamente inflamable, puede amburar bonalmente en contautu 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 circoniu reacciona con osíxenu a temperatura ambiente, una y bones l'óxidu de circoniu formáu ye soluble nel metal fundíu.[9]

Isótopos

editar

El circoniu 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 circoniu. D'estos isótopos naturales, el 90Zr ye la más común, representa 51,45 % de tol circoniu, ente que el 96Zr ye'l menos común, qu'entiende namái 2,80 % de circoniu.[14]

Sintetizáronse ventiocho isótopo artificiales del circoniu, 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 circoniu, 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 circoniu na forma d'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
  • 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 seición de captura de neutrones. La seición de captura del hafniu ye alta, polo que ye necesariu dixebralos pa esta aplicación (pa otres, nun ye necesariu), xeneralmente por aciu un procesu d'estracción con dos disolventes non miscibles, o bien emplegando resines d'intercambiu iónicu.
  • Utilízase como aditivu n'aceros llográndose materiales bien resistentes. Tamién s'empleguen aleaciones con níquel na industria químico pola so resistencia frente a sustancies corroyentes, especialmente para válvules, bombes , tuberíes y intercambiadores de calor
  • L'óxidu de circoniu 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 circoniu 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 n'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 superconductividá 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 circoniu usar en xoyería; ye una xema artificial denomada 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
 
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 minerales. Na corteza terrestre el circoniu atopa presente nuna concentración d'aproximao 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 circoniu 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 circoniu y nun son rentables pa la minería. La principal fonte comercial de circoniu ye'l mineral circón (silicatu de circoniu, ZrSiO4),[10] que s'atopa principalmente en depósitos n'Australia, Brasil, India, Rusia y Estaos Xuníos, según en depósitos más pequeños de tol mundu.[11] El 80 % de la minería de circón producir n'Australia y Sudáfrica.[10] la reserves de circón superen 60 millones de tonelaes en tol mundu[15] y la producción de circoniu añal mundial ye d'aproximao 900.000 tonelaes.[15] El circoniu tamién s'atopa en más d'otros 140 minerales, 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 circoniu y el hafniu atopar nel circón nuna rellación 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 circoniu (en comparanza col presente na corteza terrestre) en muestres llunares trayíes pol programa Apollo.[5]

Producción

editar

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 constantemente dende $360 a $840 por tonelada.[18]

Al ser recoyíu de les agües costeres, el sable de circoniu 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 direutamente n'aplicaciones comerciales, pero un pequeñu porcentaxe convertir nel metal. El primer pasu consiste nel llogru del dióxidu de circoniu fundiendo'l circón con hidróxidu de sodiu, dixestión química. Nun ye posible l'amenorgamientu direutu d'óxidu de circoniu con carbonu (como nel procesu d'altu fornu), yá que se formen carburos de bien difíciles de dixebrar. La mayoría de circoniu metálicu producir pol amenorgamientu del cloruru de circoniu (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 circoniu 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 circoniu, llográndose una esponxa de circoniu metal denomada crystal-bar. Pa lo cual calezse, a unos 200 °C, so vacíu circoniu con yodu pa llograr yoduro de circoniu (IV). Esti descomponer nun alambre caliente, 1200 °C, de nuevu en yodu, que se caltién gaseosu, y circoniu que se deposita sobre l'alambre:

 

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

El circoniu 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 circoniu y hafniu

editar

El circoniu comercial xeneralmente contién de 1 a 2,5 % d'hafniu. Pa les aplicaciones avezaes esto non problemáticu por cuenta de les propiedaes químiques de hafniu y circoniu son abondo similares. Pero les propiedaes d'absorción de neutrones difieren fuertemente, polo que se riquir la separación de hafniu del circoniu 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 circoniu 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 estrusión en caliente y distintes aplicaciones de laminación cúrase usando gas d'alta temperatura d'alta presión d'esterilización en autoclave, resultando'l circoniu de grau de reactor aproximao 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 seición tresversal d'absorción de neutrones, unes 600 vegaes cimera a la de circoniu, y polo tanto tien que ser esaniciáu por cuenta de qu'aplicaciones del reactor.[22]

Procuros

editar

Nun son bien comunes los compuestos que contengan circoniu, y la so toxicidá inherente ye baxa. El polvu metálico puede amburar en contautu 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
  1. ↑ Esti términu apaez nel Diccionariu de l'Academia de la Llingua Asturiana. Ver: circoniu
  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, páx. 42. ISBN 978-0-8493-0488-0.
  6. ↑ Winter, Mark. «Electronegativity (Pauling)». University of Sheffield. Consultáu'l 5 de marzu de 2008.
  7. ↑ Schnell I and Albers RC (January 2006). «Zirconium under pressure: phase transitions and thermodynamics». Journal of Physics: Condensed Matter (Institute of Physics) 18 (5):  páxs. 16. doi:10.1088/0953-8984/18/5/001. Bibcode: 2006JPCM...18.1483S. 
  8. ↑ Day, Charles (September 2001). «Second Material Found that Superconducts in a Ferromagnetic State». Physics Today (American Institute of Physics) 54 (9):  páxs. 16. doi:10.1063/1.1420499. Bibcode: 2001PhT....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, John (2001). Nature's Building Blocks. Oxford: Oxford University Press, páx. 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, páx. 1778–1779. ISBN 0-471-61525-0.
  14. ↑ 14,0 14,1 Audi, G (2003). «Nubase2003 Evaluation of Nuclear and Decay Properties». Nuclear Physics A (Atomic Mass Data Center) 729:  páxs. 3–128. doi:10.1016/j.nuclphysa.2003.11.001. Bibcode: 2003NuPhA.729....3A. 
  15. ↑ 15,0 15,1 15,2 Peterson, John; MacDonell, Margaret (2007). Radiological and Chemical Fact Sheets to Support Health Risk Analyses for Contaminated Areas (PDF), Argonne National Laboratory, páx. 64–65. Consultáu'l 26 de febreru de 2008.
  16. ↑ Ralph, Jolyon and Ralph, Día. «Minerals that include Zr». Mindat.org. Consultáu'l 23 de febreru de 2008.
  17. ↑ Callaghan, R. (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):  páxs. 192–193. January 2008. http://minerals.usgs.gov/minerals/pubs/commodity/zirconium/mcs-2008-zirco.pdf. Consultáu'l 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, Albert (1996). A Guide to the Elements. Oxford University Press, páx. 117–119. ISBN 0-19-508083-1.
  21. ↑ Zardiackas, Lyle D.; Kraay, Matthew J. and Freese, Howard L. (1 de xineru de 2006). Titanium, niobium, zirconium and tantalum for medical and surgical applications. ASTM International, páx. 21–. ISBN 978-0-8031-3497-3. Consultáu'l 18 de marzu de 2011.
  22. ↑ Brady, George Stuart; Clauser, Henry R. and Vaccari, John A. (24 de xunetu de 2002). Materials handbook: an encyclopedia for managers, technical professionals, purchasing and production managers, technicians, and supervisors. McGraw-Hill Professional, páx. 1063–. ISBN 978-0-07-136076-0. Consultáu'l 18 de marzu de 2011.

Enllaces esternos

editar


Sacáu de «https://ast.wikipedia.org/w/index.php?title=Circoniu&oldid=4154256»