Химия - Цирконий - Физико-химические свойства

01 марта 2011


Оглавление:
1. Цирконий
2. История и происхождение названия
3. Физико-химические свойства
4. Применение циркония и его соединений
5. Биологическая роль и физиологическое действие

Цирконий — блестящий серебристо-серый металл. Существует в двух кристаллических модификациях:

• α-Zr — с гексагональной решёткой типа магния
  
• β-Zr — с кубической объёмноцентрированной решёткой типа α-Fe. Переход α ↔ β происходит при 863 °C, ΔH перехода 3,89 кДж/моль. Добавки Al, Sn, Pb, Cd повышают, а Fe, Cr, Ni, Mo, Cu, Ti, Mn, Co, V и Nb понижают температуру перехода.

Плотность α-циркония при 20 °C равна 6,5107 г/см³; температура плавления T_пл — 1855 °C; температура кипения T_кип — 4409 °C; удельная теплоёмкость 0,291 кДж/ или 0,0693 кал/, коэффициент теплопроводности 20,96 Вт/ или 0,050 кал/; температурный коэффициент линейного расширения 6,9×10; удельное электрическое сопротивление циркония высокой степени чистоты 44,1 мкОм·см. температура перехода в состояние сверхпроводимости 0,7 К.

Цирконий парамагнитен; удельная магнитная восприимчивость увеличивается при нагревании и при −73 °C равна 1,28×10, а при 327 °C — 1,41×10. Сечение захвата тепловых нейтронов 0,18×10 м², примесь гафния увеличивает это значение, поэтому для изготовления твэлов применяется цирконий, хорошо очищенный от гафния. Чистый цирконий пластичен, легко поддаётся холодной и горячей обработке. Наличие растворённых в металле малых количеств кислорода, азота, водорода и углерода вызывает хрупкость циркония. Модуль упругости 97 ГН/м²; предел прочности при растяжении 253 МН/м²; твёрдость по Бринеллю 640—670 МН/м²; на твёрдость очень сильное влияние оказывает содержание кислорода: при концентрации более 0,2 % цирконий не поддаётся холодной обработке давлением.

Внешняя электронная конфигурация атома циркония 4d5s. Для циркония характерна степень окисления +4. Более низкие степени окисления +2 и +3 известны для циркония только в его соединениях с хлором, бромом и иодом.

Компактный цирконий медленно начинает окисляться в пределах 200—400 °C, покрываясь плёнкой циркония двуокиси ZrO₂; выше 800 °C энергично взаимодействует с кислородом воздуха. Порошкообразный металл пирофорен — может воспламеняться на воздухе при обычной температуре. Цирконий активно поглощает водород уже при 300 °C, образуя твёрдый раствор и гидриды ZrH и ZrH₂; при 1200—1300 °C в вакууме гидриды диссоциируют и весь водород может быть удалён из металла. С азотом цирконий образует при 700—800 °C нитрид ZrN. Цирконий взаимодействует с углеродом при температуре выше 900 °C с образованием карбида ZrC. Карбид и нитрид циркония — твёрдые тугоплавкие соединения; карбид циркония — полупродукт для получения хлорида ZrCl₄. Цирконий вступает в реакцию со фтором при обычной температуре, а с хлором, бромом и иодом при температуре выше 200 °C, образуя высшие галогениды ZrHal₄.

Цирконий устойчив в воде и водяных парах до 300 °C, при более высоких температурах начинается экзотермическая пароциркониевая реакция

Zr + 2H₂O = ZrO₂ + 2H₂,

которая имеет важное значение при развитии аварий в ядерных реакторах с водным теплоносителем и/или замедлителем.

Не реагирует с соляной и серной кислотами, а также с растворами щелочей. С азотной кислотой и царской водкой он взаимодействует при температуре выше 100 °C. Растворяется в плавиковой и горячей концентрированной серной кислотах. Из кислых растворов могут быть выделены соли соответствующих кислот разного состава, зависящего от концентрации кислоты. Так, из концентрированных сернокислых растворов циркония осаждается кристаллогидрат Zr₂·4H₂O; из разбавленных растворов — основные сульфаты общей формулы xZrO₂·ySO₃·zH₂O. Сульфаты циркония при 800—900 °C полностью разлагаются с образованием двуокиси циркония. Из азотнокислых растворов кристаллизуется Zr₄·5H₂O или ZrO₂·xH₂O, из солянокислых растворов — ZrOCl₂·8H₂O, который обезвоживается при 180—200 °C.

Просмотров: 8981

<<< Цинк

Эйнштейний >>>