Цирконий и его характеристики

Общая характеристика циркония

Цирконий – довольно распространенный элемент: содержание его в земной коре составляет 0,025% (масс.). Однако цирконий очень распылен и сколько-нибудь значительные скопления его встречаются редко.

В свободном состоянии цирконий представляет собой блестящий металл (рис. 1) плотностью 6,45 г/см ³, плавящийся при 1855^oС. Не содержащий примесей цирконий очень пластичен и легко поддается холодной и горячей обработке. Как и у титана механические свойства циркония резко ухудшаются при содержании в нем примесей неметаллов, особенно кислорода.

Рис. 1. Цирконий. Внешний вид.

Атомная и молекулярная масса циркония

Относительной молекулярная масса вещества (M_r) – это число, показывающее, во сколько раз масса данной молекулы больше 1/12 массы атома углерода, а относительная атомная масса элемента (A_r) — во сколько раз средняя масса атомов химического элемента больше 1/12 массы атома углерода.

Поскольку в свободном состоянии цирконий существует в виде одноатомных молекул Zr, значения его атомной и молекулярной масс совпадают. Они равны 91,224.

Изотопы циркония

Известно, что в природе цирконий может находиться в виде пяти стабильных изотопов, один из которых является радиоактивным (⁹⁶Zr):⁹⁰Zr, ⁹¹Zr,⁹²Zr и ⁹⁴Zr. Их массовые числа равны 90, 91, 92, 94 и 96 соответственно. Ядро атома изотопа рубидия ⁹⁰Zr содержит сорок протонов и пятьдесят нейтронов, остальные изотопы отличаются от него только числом нейтронов.

Существуют искусственные нестабильные изотопы рубидия циркония с массовыми числами от 78-ми до 110-ти, среди которых наиболее долгоживущим является изотоп ⁹³Zr с периодом полураспада равным 1,53 млн. лет.

Ионы циркония

На внешнем энергетическом уровне атома циркония имеется четыре электрона, которые являются валентным:

1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s²4p⁶4d²5s².

В результате химического взаимодействия цирконий отдает свои валентные электроны, т.е. является их донором, и превращается в положительно заряженный ион:

Zr⁰ -1e → Zr⁺;

Zr⁰ -2e → Zr²⁺;

Zr⁰ -3e → Zr³⁺;

Zr⁰ -4e → Zr⁴⁺.

Молекула и атом циркония

В свободном состоянии цирконий существует в виде одноатомных молекул Zr. Приведем некоторые свойства, характеризующие атом и молекулу циркония:

Сплавы циркония

Сплавы на основе циркония нашли широкое применение в качестве конструкционных материалов для энергетических атомных реакторов. К главным сплавам циркония относятся циркаллои – сплавы, содержащие небольшие количества олова, железа, хрома и никеля.

При производстве стали присадки циркония служат для удаления из нее кислорода, азота и серы. Кроме того, цирконий используется в качестве легирующего компонента некоторых броневых, нержавеющих и жаропрочных сталей.

Добавка циркония к меди значительно повышает ее прочность, почти не снижая электрическую проводимость. Сплав на основе магния с добавкой 4-5% цинка и 0,6 – 7% циркония вдвое прочнее чистого магния и не теряет прочности при 200^oС.

Примеры решения задач