Что такое цирконий и где он применяется?

Древнейший металл обладает уникальными свойствами, которые востребованы в различных сферах жизнедеятельности. С развитием новых технологий производства популярность циркония только увеличивается. Разгадать эту загадку помогут исторические данные, а также свойства, состав химического элемента.

В знаменитой таблице Д. И. Менделеева атомный номер циркония соответствует 40, его обозначение Zr. Цирконий относится к 4-й группе, стоит в 5-м периоде. Масса атома равна 91,22 г/моль. Радиус атома соответствует 160 пикометров. В центре находится ядро, а также нейтроны, протоны. Вокруг атома расположено 5 орбит, которые содержат 40 электронов. Природный материал присутствует в виде окислов, солей или силикатов. Внешне металл выглядит как сталь. В состав металлического элемента могут входить дополнительные примеси, благодаря которым получаются разные цвета, оттенки.

Цирконий следует отличать от циркона и кубического циркония. Дело в том, что цирконий – это металл, напоминающий сталь. Циркон – это камень природного происхождения, напоминающий золото. В его составе содержатся атомы циркония.

По мнению ученых, цирконий – древнейший химический компонент, образовался 3,5 миллиарда лет назад. Его следы были обнаружены в самых глубоких слоях земной коры. В процессе изучения минерала циркона, ученый из Германии Клапрот смог выделить нерастворимый концентрат, диоксид циркония. Это событие произошло в 1789 году.

Ученый из Швеции Берцелиус смог выделить цирконий как свободный элемент в 1824 году. Чистый химический элемент был получен лишь в 1925 году. Это удалось сделать голландскому химику Антону Эдурарду ван Аркел. Происхождение названия самого химического элемента до сих пор неизвестно. Существует мнение, что корни следует искать в арабском языке. Есть точка зрения, что название пришло из персидского языка.

Металл с серебристым цветом обладает хорошей пластичностью. Цирконий устойчив к коррозии, щелочным растворам, не разрушается в кислой среде. Его легко обрабатывать с помощью проката, ковки или вальцовки. Снаружи материал имеет невидимое глазу покрытие, надежно защищающее от воздействия газов, пара, воды. Элемент устойчив к влиянию высоких температурных показателей, аммиака, кислоты, щелочей.

В порошкообразном состоянии даже при нормальной комнатной температуре химический элемент взрывоопасен, он легко воспламеняется. Следует заметить, что элемент полезен в качестве примесей. Его добавляют в состав различных сплавов. Это повышает прочностные характеристики, износостойкость получаемого материала. Однако добавление каких-либо примесей в химический элемент недопустимо, так как значительно ухудшает его свойства.

• При температуре 20 С плотность циркония составляет 6,5 г/см3.
• Прочность равна 175 МПа.
• Показатель упругости – 96 МПа.
• Температура плавления равняется 1855 С.
• Температура кипения примерно равна 4350 С.
• Теплопроводность составляет 300 К.
• Цирконий магнитится при нагревании.
• В чистом виде элемент пластичен. Однако добавление примесей в виде азота, кислорода, водорода, углерода делает материал хрупким.
• Твердость по Бринеллю равна 640-670 МН/м2. На данный показатель большое влияние оказывает присутствие кислорода. Чем его больше, тем больше твердость. При большой твердости цирконий невозможно обрабатывать давлением. Взаимодействие с кислородом провоцируется увеличением температурных показателей.
• Цирконий устойчив в воде при температуре до 300 С.
• Жесткость по Виккерсу составляет от 600 до 1700 МПа.

• У циркония высшая степень окисления, которая составляет +4. Меньший показатель окисления можно встретить в металле при наличии примесей в виде хлора, брома. Окисление происходит при температурах 200-400 С.
• При нагревании элемента до 250 С и выше происходит поглощение водорода, вследствие чего образуются гибриды с металлическими свойствами.
• Взаимодействие с галогенами способствует образованию галогенидов циркония.
• Оксиды образуются при температуре 500 С и выше.
• Электроотрицательность равна нулю.
• Ковалентный радиус равен 145 пм.

Цирконий добывают из концентратов руды. Часто его можно встретить в виде окислов, силикатов. В чистом химический элемент он не залегает в земной коре. В природе можно встретить циркон, бадделеит. Месторождения химического элемента рассеяны по всему миру. Крупные залежи встречаются редко. Большое количество залежей руды находится в Австралии, в Бразилии, Индии, Южной Африке. В России богатыми по запасам руды считаются Мурманская, Томская, Тамбовская, Нижегородская области. Первое место по наличию запасов циркония занимает Кольский полуостров.

Нередко в руде наряду с цирконием присутствует гафний, который имеет схожие свойства. Каждый элемент по отдельности обладает ценными характеристиками, однако их сочетание недопустимо, так как делает природный материал непригодным для применения. Для того чтобы отделить один химический элемент от другого, применяется многоэтапная система очистки. Это существенно повышает в цене производство циркония. В промышленности применяются концентраты диоксида циркония, которые получают путем обогащения руды.

Существуют различные способы извлечения металла.

• Хлоридный. Метод Кроля основан на хлорировании двуокиси циркония. Далее производится очистка, восстановление с помощью магния. Частое применение метода обусловлено его относительно недорогой стоимостью. Возможны 2 способа хлорирования. Прямой процесс производится при температурных показателях от 900 С до 1000 С. Второй способ заключается в хлорировании первоначальной смеси при температуре от 400 С до 900 С.
• Фторидный. Метод предполагает спекание концентрированной смеси циркония с калием при температуре от 600 до 700 С. Полученный концентрат ощелачивают, очищают. Далее проводят электролиз расплава и выделяют металлический компонент.
• Щелочной. Метод предназначен для выделения диоксида циркония. Для получения металлического элемента проводится фторидный или хлоридный метод. Благодаря процессу ощелачивания цирконий преобразуют в растворимый компонент. Это делается путем спекания, например, со смесью карбоната и хлорида кальция при температуре от 1000 до 1300 С. Затем проводится ощелачивание, очищение, гидролизация и прокаливание. Таким образом, цирконий получают в условиях лаборатории. Из конечного продукта формируют прутья, которые поступают на производство.

В зависимости от сферы применения, химический элемент может быть представлен как твердый сплав с серебристым оттенком или в виде порошка синего цвета. Синтезируемые из химического элемента самоцветы могут быть разных оттенков. Описание цвета, его интенсивности зависит от количества и вида примесей, например, церия, титана, эрбия, хрома. Также силикат циркония, входящий в состав циркона, представлен следующими разновидностями.

• Гиацинт. Обладает бурым, красным или розовым оттенком.
• Матарский алмаз. Прозрачный камень не имеет цвета, добывается на острове Матара.
• Жаргон. Отличается наличием соломенного, золотистого оттенка.
• Старлит. Прозрачный камень с голубым оттенком.
• Малакон. Имеет темно-коричневый цвет.

В зависимости от вида, состояния химического элемента его применение распространено в различных сферах жизни.

• Металл используют в производственных целях, в ювелирных украшениях, в повседневной жизни.
• В промышленности чаще применяют циркон, силикат циркония, двуокись циркония, бадделеит.
• В металлургической промышленности химический элемент применяется для легирования сталей. Его добавляют в сплавы для улучшения качества. Благодаря цирконию повышается прочность, облегчается процесс резки.
• При изготовлении пиротехники цирконий используется в виде порошка. При горении смеси отсутствует дым, поэтому ее используют при создании фейерверков, салютов.
• В химической промышленности цирконий используют при изготовлении износостойкой керамики.
• Металл получил широкое применение при производстве военной техники, например, для изготовления дистанционных бомб, пуль, ракет с освещением. Металлические сплавы являются неотъемлемой частью конструкций ядерных реакторов.
• Производство эмали, керамики, глазури также не обходится без участия циркония. В этом случае используется оксид циркония. Он не темнеет, имеет презентабельный вид, повышает качество продукции.
• Металл применяется при дублении кожи. В этом случае используются соединения с сульфатом.
• В машиностроительной отрасли металл используют при изготовлении насосов, запирающей арматуры.
• В отличие от свинцовых фартуков, даже тонкая пластина металла значительно эффективнее защищает от проникновения рентгеновских лучей.
• Циркониевые компоненты не вызывают аллергическую реакцию, отторжение, обладают износостойкостью, прочностью, пластичностью. Их используют в травматологии при лечении различных переломов.
• Широкое применение диоксида циркония в стоматологии обусловлено отсутствием раздражающего фактора при воздействии на мягкие ткани или костную структуру. Из металла изготавливают инструменты, зубные импланты, коронки, скобы, пластины, зажимы, шовные материал.
• Бижутерия из диоксида циркония и кубического циркония славится не только изысканным внешним видом, но и благотворным влиянием на весь организм.

Существует мнение, что в зависимости от цветовой гаммы происходит разное воздействие на организм.

• При простуде рекомендуется использовать металл черного цвета.
• При плохом аппетите поможет элемент с красным оттенком.
• Для очищения организма используют коричневый цвет.
• Прозрачные минералы или камни синего цвета способствуют восстановлению обмена веществ.

Из циркония изготавливается посуда, например, кружки, ложки, стаканы и другая утварь. Также металл применяется в оптике, которая предназначена для эксплуатации в экстремальных условиях, например, при высоких температурах или ее резких перепадах. Фианиты имеют большой угол преломления, это используют при изготовлении линз. Отдельно следует упомянуть о применении металла в ювелирных украшениях. В древние времена циркон называли «несовершенным алмазом», так как после огранки их сияние было более блеклым по сравнению с натуральными камнями.

Следует отметить, что для украшений используются камни небольших размеров, так как они более безопасны в плане излучения радиации. Они слабо окрашены, имеют небольшую прозрачность. Камни больших размеров отличаются избыточной радиоактивностью. Они непрозрачны, имеют яркую окраску. Такие камни нельзя хранить дома, огранять или транспортировать. Цирконий используют при изготовлении колец, сережек, диадем, подвесок, кулонов. Часто делают металлические вставки в изделия, напыление.

Правильный уход, хранение позволит сохранить украшения в первозданном виде. Очищение рекомендуется проводить с помощью ткани, смоченной в мыльной воде. Затем изделие промывают под водой, насухо вытирают, полируют фланелью. Камни лучше хранить отдельно от других украшений. Это позволит избежать механических повреждений.

Чтобы не ошибиться в подлинности изделия, следует обращать внимание на следующие моменты.

• Структуру преломления световых лучей. Она должна быть многогранной.
• Наличие металлического блеска. Он отличается равномерностью.
• Присутствие желтоватых вкраплений.

В средневековые времена испанские ювелиры делали уникальные украшения из циркона, который обладал большой радиоактивностью. По внешнему виду они очень напоминали драгоценные камни. Носить такие украшения было крайне опасно. Еще в древние времена было отмечено, что длительное ношение крупных камней темного цвета приводило к скорой смерти их владельца. Гиацинт был назван в честь цветка. Согласно мифологии Аполлон вырастил цветок из крови молодого человека по имени Гиацинт, которого Аполлон очень любил.

Из-за блеска, наличия различных цветов камень можно было легко спутать с алмазом, сапфиром, турмалином или топазом. Этим часто пользовались мошенники, выдавая ювелирные изделия за драгоценности. Жители Азии боготворили камень и наделяли его магическими свойствами. Для них он был талисманом. Из него изготавливали амулеты, кулоны.

В Индии камень наделяли способностью управлять солнцем, луной. Считалось, что талисман помогает в делах ученым, бизнесменам, странствующим, а также влюбленным. Астрологи также обратили внимание на уникальные свойства камня. По их мнению, цирконий подходит Овнам, Козерогам, Водолеям. Его ношение следует ограничивать, а то и вовсе избегать Тельцам, Весам, Стрельцам, Ракам.

Так, желтые или синие минералы, обладающие металлическим свечением, идеально подходят Водолеям. Ношение изделия способствует развитию интуиции, аналитических способностей, появлению изысканного вкуса. А вот Козерогам подходит камень голубого оттенка, который рекомендуется носить с левой стороны. Это усиливает магическую связь. Камни соломенного или красного цвета больше подходят Овнам. Ношение изделия способствует развитию магических способностей, внимательности, осторожности.