Circonio
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| Circonio | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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40 Zr | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| Apariencia | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
blanco plateado  | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Propiedades generales | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Nombre, símbolo, número | de circonio, Zr, 40 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Pronunciación | / z del ər k oʊ n yo ə m / zər- KOH -ni-əm | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Categoría metálico | metal de transición | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Grupo, período, bloque | 4, 5, d | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Peso atómico estándar | 91.224 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Configuración electrónica | [ Kr ] 5s 2 4d 2 2, 8, 18, 10, 2  |
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| Historia | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Descubrimiento | Martin Heinrich Klaproth (1789) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Primer aislamiento | Jöns Jakob Berzelius (1824) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Propiedades físicas | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Fase | sólido | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Densidad (cerca rt) | 6,52 g · cm -3 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Líquido densidad en mp | 5.8 g · cm -3 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Punto de fusion | 2128 K , 1855 ° C, 3371 ° F | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Punto de ebullicion | 4682 K, 4409 ° C, 7968 ° F | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Calor de fusión | 14 kJ · mol -1 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| El calor de vaporización | 573 kJ · mol -1 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Capacidad calorífica molar | 25.36 J · mol -1 · K -1 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Presión del vapor | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| Propiedades atómicas | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Estados de oxidación | 4, 3, 2, 1 ( óxido anfótero) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Electronegatividad | 1,33 (escala de Pauling) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Energías de ionización | Primero: 640.1 kJ · mol -1 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Segundo: 1270 kJ · mol -1 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Tercero: 2218 kJ · mol -1 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Radio atómico | 160 pm | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Radio covalente | 175 ± 19:00 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Miscelánea | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Estructura cristalina | hexagonal compacta  | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Ordenamiento magnético | paramagnético | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| La resistividad eléctrica | (20 ° C) 421 nΩ · m | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Conductividad térmica | 22.6 W · m -1 · K -1 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Expansión térmica | (25 ° C) 5,7 micras · m -1 · K -1 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Velocidad del sonido (varilla delgada) | (20 ° C) 3800 m · s -1 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| El módulo de Young | 88 GPa | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Módulo de corte | 33 GPa | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Módulo de volumen | 91.1 GPa | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Relación de Poisson | 0.34 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Dureza de Mohs | 5.0 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Dureza Vickers | 903 MPa | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Dureza Brinell | 650 MPa | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Número de registro del CAS | 7440-67-7 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| La mayoría de los isótopos estables | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Artículo principal: Los isótopos de circonio | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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El zirconio es un elemento químico con el símbolo de Zr, número atómico 40 y peso atómico de 91,224. El nombre de zirconio se toma del mineral circón, la fuente más importante de circonio. Es un blanco y gris, fuerte brillante, metal de transición que se asemeja titanio . El circonio se utiliza principalmente como una refractario y opacificante, aunque se utiliza en pequeñas cantidades como agente de aleación por su fuerte resistencia a la corrosión. Circonio forma una variedad de inorgánica y compuestos organometálicos tales como dióxido de circonio y dicloruro de zirconoceno, respectivamente. Cinco isótopos se producen de forma natural, tres de los cuales son estables. Compuestos de circonio no han conocido papel biológico.
Características
El circonio es una lustroso, de color blanco grisáceo, blando, dúctil y metal maleable que es sólido a temperatura ambiente, aunque se vuelve duro y frágil a purezas más bajas. En forma de polvo, de circonio es altamente inflamable, pero la forma sólida es mucho menos propensas a la ignición. El circonio es altamente resistente a la corrosión por álcalis, ácidos, agua salada y otros agentes. Sin embargo, se disolverá en clorhídrico y ácido sulfúrico , especialmente cuando el flúor está presente. Las aleaciones con zinc vuelven magnético por debajo de 35 K.
Punto de fusión de circonio es 1855 ° C (3371 ° F), y su punto de ebullición es de 4371 ° C (7900 ° F). El circonio tiene una electronegatividad de 1,33 en la escala de Pauling. De los elementos dentro de d-bloque, circonio tiene la electronegatividad cuarto más bajo después de itrio , lutecio y hafnio .
A temperatura ambiente de circonio presenta una estructura cristalina hexagonal empaquetada, α-Zr, que cambia a β-Zr una estructura cristalina cúbica centrada en el cuerpo a 863 ° C. Existe circonio en la fase β hasta que el punto de fusión.
ZrZn 2 es uno de sólo dos sustancias para exhibir la superconductividad y ferromagnetismo simultáneamente, con la otra UGE siendo 2.
Isótopos
Naturalmente zirconio se producen se compone de cinco isótopos. 90 Zr, Zr 91, 92 y 94 Zr Zr son estables. 94 Zr puede sufrir descomposición doble beta (no observado experimentalmente) con una vida media de más de 1,10 × 10 17 años. 96 Zr tiene una vida media de 2,4 × 10 19 años, por lo que es el radioisótopo más longevo de circonio. De estos isótopos naturales, Zr 90 es el más común, lo que representa 51.45% de todo el circonio. 96 Zr es el menos común, que comprende sólo 2,80% de circonio.
Veintiocho isótopos artificiales de circonio se han sintetizado, que varían en masa atómica 78-110. 93 Zr es el isótopo artificial más larga vida, con una vida media de 1,53 × 10 6 años. 110 Zr, el isótopo más pesado de circonio, también es la más corta duración, con una vida media estimada de sólo 30 milisegundos. Los isótopos radiactivos en o por encima de masas número 93 se desintegran por β -, mientras que los que están en o por debajo de 89 por caries β +. La única excepción es 88 Zr, que decae por ε.
Cinco isótopos de circonio también existen como isómeros metaestables: 83m Zr, Zr 85m, 89m Zr, Zr 90M1, 90m2 Zr y 91m Zr. De estos, 90m2 Zr tiene la vida media más corta a 131 nanosegundos. 89m Zr es el más largo vivió con una vida media de 4,161 minutos.
Aparición
El circonio tiene una concentración de aproximadamente 130 mg / kg dentro de la Corteza de la Tierra y alrededor de 0.026 mg / L en el agua de mar . No se encuentra en la naturaleza como una metal nativo, lo que refleja su inestabilidad intrínseca con respecto al agua. La fuente comercial principal de circonio es el mineral de silicato, circón (ZrSiO4), que se encuentra principalmente en Australia, Brasil, India, Rusia, Sudáfrica y Estados Unidos, así como en depósitos más pequeños de todo el mundo. 80% de la minería de circón se produce en Australia y Sudáfrica. Recursos circón superan los 60 millones de toneladas métricas en todo el mundo y la producción anual de circonio en todo el mundo es de aproximadamente 900.000 toneladas métricas. Circonio también ocurre en otros más de 140 minerales, incluidos los minerales comercialmente útiles baddeleyite y kosnarite.
Zr es relativamente abundante en Estrellas S-tipo, y se ha detectado en el sol y en meteoritos. Muestras de rocas lunares traídas de varios Misiones del programa Apolo a la luna tienen un circonio bastante alto contenido de óxido en relación con las rocas terrestres.
Producción
El zirconio es un subproducto de la minería y el procesamiento de los de titanio minerales ilmenita y rutilo, así como estaño minería. De 2003 a 2007, los precios de circón han aumentado constantemente desde $ 360 a $ 840 por tonelada metrica.
Al ser recogidos de las aguas costeras, la arena que contiene circón-se purifica por concentradores en espiral para eliminar materiales más ligeros, que luego se colocan de nuevo en el agua con seguridad, ya que son todos los componentes naturales de arena de la playa. Uso separación magnética, los minerales de titanio ilmenita y se retiran rutilo.
La mayoría de circón se utiliza directamente en aplicaciones comerciales, pero un pequeño porcentaje se convierte en el metal. La mayoría de metal Zr se produce por la reducción de la de zirconio (IV) cloruro de con magnesio metal en el Proceso de Kroll. De circonio de calidad comercial para la mayoría de usos todavía tiene un contenido de 1% a 3% de hafnio. Este contaminante no es importante excepto en aplicaciones nucleares. El metal resultante es sinterizado hasta dúctil suficiente para mecanizar metales.
La separación de circonio y hafnio
De metal de circonio comercial contiene típicamente 1-2,5% de hafnio , que no es problemático porque las propiedades químicas de hafnio y circonio son bastante similares. Sus propiedades absorbentes de neutrones difieren fuertemente, sin embargo, que requiere la separación de hafnio a partir de circonio para aplicaciones que implican los reactores nucleares. Varios dispositivos de separación están en uso. La extracción líquido-líquido de la derivados de tiocianato-óxido, explota la ligeramente mayor solubilidad del derivado hafnio en metil isobutil cetona vs agua. Este método se utiliza principalmente en los Estados Unidos. Zr y Hf también se pueden separar por cristalización fraccionada de hexafluorocirconato de potasio (K 2 ZrF 6), que es menos soluble en agua que el derivado de hafnio análoga. La destilación fraccionada de los tetracloruros, también llamado destilación extractiva, se utiliza sobre todo en Europa. Un proceso cuádruple VAM (vacío arco de fusión), combinado con extrusión en caliente y diferentes aplicaciones de laminación se cura usando gas de alta temperatura de alta presión autoclave, lo que resulta en circonio de grado de reactor que es aproximadamente 10 veces más caro que el grado comercial hafnio-contaminada. El hafnio separado puede ser usado para barras de control del reactor. La separación de hafnio es especialmente importante para las aplicaciones nucleares desde Hf tiene una sección transversal de absorción de neutrones muy alto, 600 veces superior a la de zirconio, y por lo tanto tiene que ser eliminado para aplicaciones de reactores.
Compuestos
Al igual que otros metales de transición , circonio forma una amplia gama de compuestos inorgánicos y complejos de coordinación. En general, estos compuestos son sólidos incoloros diamagnéticos que Zr tiene el estado de oxidación IV +. Número mucho menor de Zr (III) compuestos son conocidos, y Zr (II) es muy raro.
Los óxidos, nitruros y carburos
El óxido más común es dióxido de circonio, ZrO2, también conocido como óxido de circonio. Este sólido incoloro tiene excepcional tenacidad a la fractura y resistencia química, especialmente en su forma cúbica. Estas propiedades hacen zirconia útil como un revestimiento de barrera térmica, aunque también es común un diamante sustituto. Tungstato de circonio es una sustancia inusual en que se reduce en todas las direcciones cuando se calienta, mientras que la mayoría de las otras sustancias se expanden cuando se calientan. Cloruro de zirconilo es un complejo de zirconio soluble en agua rara, que tiene la fórmula relativamente complicado [Zr 4 (OH) 12 (H 2 O) 16] Cl 8.
Carburo de circonio y nitruro de zirconio son sólidos refractarios. El carburo se utiliza para hacer herramientas de perforación y bordes de corte. También se conoce de circonio (II) de hidruro.
Halogenuros y pseudohaluros
Todos los cuatro haluros comunes son conocidos, ZrF 4, ZrCl 4, ZrBr 4 y Zri 4. Todos tienen estructuras poliméricas y son mucho menos volátiles que los correspondientes tetrahaluros titanio monoméricas. Todos tienden a hidrolizar para dar los llamados oxihaluros y dióxidos. El tetra correspondiente También se conocen alcóxidos. A diferencia de los haluros, los alcóxidos se disuelven en disolventes no polares.
Derivados orgánicos
Química orgánico de zirconio es el estudio de compuestos que contienen un carbono enlace -circonio. El primero de estos compuestos fue dibromuro zirconoceno ((C 5 H 5) 2 ZrBr 2), publicado en 1952 por Birmingham y Wilkinson. Reactivo de Schwartz, elaborado en 1970 por PC Wailes y H. Weigold, es un metaloceno utilizado en síntesis orgánica para transformaciones de alquenos y alquinos. El circonio es también un componente de algunos Catalizadores de Ziegler-Natta, utilizados para producir polipropileno. Esta aplicación aprovecha la capacidad de circonio para formar reversiblemente bonos de carbono. La mayoría de los complejos de Zr (II) son derivados de zirconacene, siendo un ejemplo (C 5 Me 5) 2 Zr (CO) 2.
Historia
El mineral que contiene zirconio circón y minerales relacionados ( jargoon, jacinto, jacinto, jacinto) fueron mencionados en los escritos bíblicos. El mineral no se sabe que contiene un nuevo elemento hasta 1789, cuando Klaproth analizó una jargoon de la isla de Ceilán (hoy Sri Lanka). Él nombró el nuevo elemento Zirkonerde (zirconia). Humphry Davy intentó aislar este elemento nuevo en 1808 a través de la electrólisis, pero fracasó. Circonio metálico se obtuvo por primera vez en una forma impura en 1824 por Berzelius por calentamiento de una mezcla de potasio y fluoruro de potasio zirconio en un tubo de hierro.
La proceso de la barra de cristal (también conocido como el Proceso de yoduro), descubierto por Anton Eduard van Arkel y Jan Hendrik de Boer en 1925, fue el primer proceso industrial para la producción comercial de circonio metálico. El proceso implica la formación y descomposición térmica subsiguiente de tetrayoduro de circonio. Este método fue sustituido en 1945 por el mucho más barato Proceso Kroll desarrollado por William Justin Kroll, en el que el tetracloruro de zirconio se reduce por el magnesio:
- ZrCl4 + 2 Mg → Zr + 2 MgCl2
Aplicaciones
Aproximadamente 900.000 toneladas de minerales de Zr se producen comercialmente en 1995, sobre todo como circón.
Compuestos
La gran mayoría de circón se utiliza directamente en una variedad de aplicaciones de alta temperatura. Este material es resistente y duro, así como resistente al ataque químico. Debido a estas propiedades, circón encuentra muchas aplicaciones, algunas de las cuales están altamente publicitados. Su uso principal es como un opacificante, confiriendo un aspecto blanco opaco a los materiales cerámicos. Debido a su resistencia química, circón también se utiliza en ambientes agresivos, tales como moldes para metales fundidos. El dióxido de zirconio (ZrO 2) se utiliza en crisoles de laboratorio, hornos metalúrgicos, como material refractario, y puede ser sinterizado en una cuchillo de cerámica. Circón (ZrSiO4) se corta en las piedras preciosas para su uso en joyería .
Metal
Una pequeña fracción de circón se convierte en el metal, que encuentra diversas aplicaciones de nicho. Debido a una excelente resistencia a la corrosión del circonio, a menudo se utiliza como agente de aleación en materiales que están expuestas a ambientes agresivos, tales como aparatos de prótesis, filamentos de luz y ver casos. La alta reactividad de circonio hacia oxígeno, evidente sólo a altas temperaturas, es la base de algunas aplicaciones especializadas como cebadores y como explosivos captadores de tubos de vacío. El mismo comportamiento es probablemente la base de la utilización de Zr nano-partículas el material pirofórico en armas explosivas, tales como la BLU-97 / B Efectos Combinados bomba de efecto incendiario.
Las aplicaciones nucleares
Revestimiento para los combustibles de reactores nucleares consume aproximadamente 1% de la oferta de circonio. Para este propósito, se utiliza principalmente en la forma de zircaloys. Los beneficios de las aleaciones de Zr es su baja por captura neutrónica sección transversal y una buena resistencia a la corrosión bajo condiciones normales de servicio. El desarrollo de métodos eficientes para la separación de circonio del hafnio se requiere para esta aplicación.
Una desventaja de las aleaciones de circonio es su reactividad hacia el agua a altas temperaturas que conducen a la formación de hidrógeno gas y a la degradación acelerada de la barra de combustible de revestimiento:
- Zr + 2 H 2 O → ZrO2 + 2 H 2
Este reacción exotérmica es muy lento por debajo de 100 ° C, pero a temperaturas superiores a 900 ° C, la reacción es rápida. La mayoría de los metales se someten a reacciones similares. La reacción redox es relevante a la inestabilidad de conjuntos de combustible a altas temperaturas. Esta reacción fue responsable de una pequeña explosión de hidrógeno observada por primera vez en el interior del edificio del reactor de Three Mile Island, la planta de energía nuclear en 1979, pero entonces, el edificio de contención no fue dañado. La misma reacción se produjo en los reactores 1, 2 y 3 de la Me central nuclear de Fukushima (Japón) tras el enfriamiento de reactores fue interrumpida por la terremoto y el tsunami del 11 de marzo 2011 que conduce a la Accidentes nucleares de Fukushima I. Después de ventilación de hidrógeno en la sala de mantenimiento de estos tres reactores, la mezcla explosiva de hidrógeno con el aire de oxígeno detonó, dañando gravemente las instalaciones y al menos uno de los edificios de contención. Para evitar una explosión, la ventilación directa de hidrógeno a la atmósfera abierta habría sido una opción de diseño preferida. Ahora, para evitar el riesgo de explosión en muchos reactor de agua a presión (PWR) edificios de contención, un catalizador recombinador -basado está instalado para convertir rápidamente hidrógeno y oxígeno en agua a temperatura ambiente antes de que se alcance el límite de explosividad.
Industrias espaciales y aeronáuticos
Materiales fabricados a partir de metal de circonio y su óxido (ZrO 2) se utilizan en partes de vehículos espaciales por su resistencia al calor. Zirconia es también un componente de alguna abrasivos, como muelas y papel de lija.
Piezas de alta temperatura, tales como cámaras de combustión, palas y paletas en los motores a reacción y estacionaria turbinas de gas están en medida creciente protegida por fina capas de cerámica. Estas capas de cerámica se componen generalmente por una mezcla de zirconia y itrio.
Cámaras de tomografía por emisión de positrones
El isótopo 89 Zr se ha aplicado recientemente a la de seguimiento y cuantificación de anticuerpos moleculares con La tomografía por emisión de positrones (PET) cámaras (un método llamado "inmuno-PET"). Inmuno-PET ha alcanzado la madurez en términos de desarrollo técnico y ahora está entrando en la fase de aplicaciones clínicas a gran escala. Hasta hace poco, el radiomarcado con 89 Zr era un procedimiento complicado que requiere varios pasos. En 2001-2003 se desarrolló un procedimiento de varios pasos mejorados por medio de un derivado de succinilada deferoxamina B (N-sucDf) como bifuncional quelato, y una mejor forma de unión 89 Zr a mAbs se informó en 2009. El nuevo método es rápido, sólo consta de dos pasos, y utiliza dos ingredientes ampliamente disponibles: 89 Zr y el quelato adecuado.
Aplicaciones Defunct
Carbonato de zirconio (3ZrO 2 · CO 2 · H 2 O) se utilizó en lociones para tratar hiedra venenosa, pero se suspendió debido a que ocasionalmente causó reacciones en la piel.
Seguridad
Circonio no ha conocido papel biológico, y compuestos de zirconio son de baja toxicidad. El cuerpo humano contiene, en promedio, sólo 1 miligramo de circonio, y la ingesta diaria es de aproximadamente 50 g por día. Contenido de circonio en la sangre humana es tan bajo como 10 partes por mil millones. Las plantas acuáticas fácilmente ocupan zirconio soluble, pero es poco frecuente en las plantas terrestres. El setenta por ciento de las plantas no tienen contenido de circonio detectable, y los que tienen tan poco como 5 partes por mil millones.
La exposición a corto plazo a circonio en polvo puede causar irritación, pero sólo el contacto con los ojos requiere atención médica. La inhalación de compuestos de zirconio puede causar que la piel y pulmón granulomas. Aerosoles de circonio pueden causar granulomas pulmonares. La exposición permanente a tetracloruro de circonio se tradujo en un aumento de la mortalidad en ratas y conejillos de indias y una disminución de la sangre hemoglobina y glóbulos rojos en los perros. Los EE.UU. Administración de Seguridad y Salud en el Trabajo recomienda a 5 mg / m 3 ponderada en el tiempo límite de la media y un 10 mg / m 3 límite de exposición a corto plazo para el polvo del aire.
