همه چیز در رابطه با کاربرد فلز زیرکونیوم و ترکیبات آن
فلز زیرکونیوم ترکیبی خاکستری نقره ای رنگ بسیار قوی ، انعطاف پذیر ، شکل پذیر و براق است. خصوصیات شیمیایی و فیزیکی آن مشابه فلز تیتانیوم می باشد. فلز زیرکونیوم در برابر گرما و خوردگی بسیار مقاوم است ، سبکتر از فولاد است و سختی آن مشابه مس است. این فلز وقتی به قطعات کوچکتر تقسیم می شود ، می تواند خود به خود در هوا شعله ور شود ، به ویژه در دماهای بالا این اتفاق می افتد . پودر زیرکونیوم سیاه رنگ است و به عنوان یک عامل بسیار خطرناک برای آتش سوزی در نظر گرفته می شود. زیرکونیوم در اسیدها و مواد قلیایی حل نمی شود و بسیار مقاوم است.
زیرکونیوم نوعی عنصر شکل پذیر است و به راحتی ترکیبات پایدار تشکیل می دهد و از این فلز و آلیاژهای آن قرن ها به روش های بسیار متنوعی استفاده می شده است.
به گفته آزمایشگاه ملی لوس آلاموس ، زیرکونیوم در ستاره های دارای دمای کم، خورشید ، شهاب سنگ ها و در سنگ های ماه پیدا شده است. با توجه به تجزیه و تحلیل نمونه های سنگ ماه از ماموریت های مختلف آپولو ، به نظر می رسد که سنگ های ماه در مقایسه با سنگ های که در زمین وجود دارند به طور شگفت آوری مقدار زیادی زیرکون دارند. در ادامه مقاله در نشریه جهان شیمی فیزیک توضیحات بیشتری در این رابطه ارائه می گردد لطفا همراه ما باشید.
تاریخچه کشف فلز زیرکونیوم
زیرکونیوم یک سنگ قیمتی است که در انواع آبی ، زرد ، سبز ، قهوه ای ، نارنجی ، قرمز و گاهی بنفش وجود دارد. نام آن از “زرگون” یا رنگ طلایی فارسی آمده است. به گفته پیتر ون ، مورخ هلندیقرن هاست که از این فلز در ساخت جواهرات و سایر تزئینات استفاده می شود. زیرکونیم شباهت بسیار زیادی به الماس نسبت به هر سنگ طبیعی دیگری دارد . در دوران قرون وسطی ، از خواص سنگ زیرکونیوم برای بهبود خواب ، افزایش ثروت ، عزت و خرد و از بین بردن آفت ها و ارواح شیطانی می شد.
مارتین هاینریش کلاپروت شیمی دان آلمانی ، زیرکونیوم را در سال ۱۷۸۹ در نمونه زیرکون از سریلانکا کشف کرد . مشخص شد که ترکیب نمونه ۲۵ درصد سیلیس ، ۰.۵ درصد اکسید آهن و ۷۰ درصد اکسید جدیدی است که وی آن را زیرکونرد (یا “زیرکون زمین”) نامید. بعداً كلاپروت زیرکنرود را در یاسینت یافت ، یك نوع زیركون زرد كم رنگ که قادر به جدا كردن آن فلز نشد.
بهتر است بدانید:
سر همفری دیوی یک شیمیدان انگلیسی ، در سال ۱۸۰۸ با استفاده از الکترولیز تلاش کرد تا زیرکونرد را برای گرفتن زیرکونیم خالص جدا کند اما ناموفق بود. با این حال او نام زیرکونیوم را برای فلز خود پیشنهاد داد. جونز جی. برزلیوس ،یک شیمی دان سوئدی بالاخره موفق به جدا کردن زیرکونیوم شد. وی زیرکونیوم را به شکل یک پودر سیاه در نتیجه گرم شدن یک لوله آهنی حاوی مخلوطی از پتاسیم و پتاسیم زیرکونیوم فلوراید تولید کرد (Kr ۲ ZrF ۶ )
طبق گفته انجمن سلطنتی شیمی ، آنتون ادوارد ون آرکل و یان هندریک دو بوئر شیمی دانان هلندی ، در سال ۱۹۲۵ با گرم کردن تتراکلرید زیرکونیوم (ZrCl ۴ ) با منیزیم ، زیرکونیوم خالص را تولید کردند . در این روش یک میله کریستال زیرکونیوم خالص تولید شد.
کاربرد ترکیبات زیرکونیوم
زیرکونیوم در ترکیبات خود عمدتا در حالت اکسیداسیون ۴+ است . برخی از ترکیبات با ثبات کمتر نیز شناخته شده اند که در آنها حالت اکسیداسیون ۳+ است. (مهمترین موردی که زیرکونیوم را از تیتانیوم متفاوت می کند این است که حالت اکسیداسیون پایین زیرکونیوم از اهمیت کمی برخوردار است.)
ترکیبات مختلف زیرکونیوم کاربردهای مهمی در صنعت دارند. در این میان دی اکسید زیرکونیوم (همچنین به نام زیرکونیا)، ZrO ۲ ، سخت، سفید و یا زرد قهوه ای جامد با بالاترین نقطه ذوب حدود ۲۷۰۰ درجه سانتی می باشد . این ماده معمولاً به عنوان یک شبیه ساز سنگ های قیمتی مانند الماس ، ساینده ، مواد نسوز و اجزای شیشه های مقاوم در برابر اسید و قلیا و سرامیک های مورد استفاده در سلول های سوختی استفاده می شود.
از دیگر ترکیبات مهم صنعتی زیرکونیوم می توان به تتراکلرید زیرکونیوم ZrCl ۴ و سولفات زیرکونیوم Zr (SO ۴ ) ۲ ∙۴ H ۲ O اشاره کرد. از تتراکلرید زیرکونیوم برای تولید ترکیبات زیرکونیوم آلی و به عنوان کاتالیزور در این موارد استفاده می شود. سولفات زیرکونیوم تولید شده توسط اسید سولفوریک ، هیدوکسید زیرکونیوم ، Zr (OH) ۴ ، به عنوان روان کننده ، معرف شیمیایی و در برنزه کننده چرم سفید کاربرد دارد.
منابع فلز زیرکونیوم
زیرکونیوم عمدتا از دی اکسید زیرکونیوم (بدلایت) و زیرکون بدست می آید. این مواد معدنی نسبتاً سنگین در کانسارهای پلاسر و ماسه های بادی وجود دارد و در استرالیا ، آفریقای جنوبی ، ایالات متحده آمریکا ، روسیه و برزیل استخراج می شوند.
مواد شیمیایی بر پایه فلز زیرکونیوم
طیف گسترده ای از مواد شیمیایی مبتنی بر زیرکونیوم وجود دارد که برای خصوصیات ذاتی آنها در کاربردهای مختلف یا به عنوان واسطه برای تولید سایر مشتقات زیرکونیوم استفاده می شود.
اکسی کلرید زیرکونیوم (ZOC ) اولین محصول شیمیایی است که از فرآوری شن و ماسه زیرکون با روش های مختلف حاصل می شود که به طور کلی شامل همجوشی سوزاننده ، انحلال در اسید کلریدریک و جداسازی است. ZOC نقطه آغازین برای ساخت سایر مواد شیمیایی زیرکونیوم یا دی اکسیدهای زیرکونیوم است و همچنین می تواند به طور مستقیم در کاربردهایی مانند پوشش رنگی TiO ۲ مورد استفاده قرار گیرد.
مشتقات ZOC شامل اکسیدهای خلوص بالا و تثبیت شده و نمک های واکنشی مانند سولفات پایه زیرکونیوم (ZBS ) و کربنات پایه زیرکونیوم (ZBC) هستند. ZBS و ZBC به عنوان واسطه برای مواد شیمیایی زیرکونیوم آبی پایین دست و همچنین مستقیماً در کاربردهای خاص استفاده می شوند. مواد شیمیایی زیرکونیوم آبی در محدوده pH قرار دارند که باعث افزایش قابلیت انعطاف پذیری آنها می شود.
اسید زیرکونیوم سولفات تتراهیدرات (AZST ) به عنوان یک منبع مهم از زیرکونیوم دارای بیشترین کاربرد در رنگدانه اصلی در رنگ ، پوشش ، پلاستیک ، کاغذ و بسیاری از محصولات دیگر است. افزودن AZST باعث می شود سطح ذره به جای جذب نور ماورا بنفش که اثر زردی نور خورشید را کاهش می دهد ، آن را منعکس کند. گونه های زیرکونیوم بی رنگ موجود در AZST برای برنزه شدن چرم های سفید ایده آل است. هیدروکسید زیرکونیوم (ZHO) به عنوان پیش ماده تولید پودرهای پیشرفته دی اکسید زیرکونیوم استفاده می شود.
کاربرد فلز زیرکونیوم
این فلز در آلیاژهایی مانند زیرکالیا که در برنامه های هسته ای کاربرد دارد، استفاده می شود زیرا نوترون ها را به راحتی جذب نمی کند. همچنین در مبدل های کاتالیزوری ، کلاهک های کوبه ای و آجرهای کوره مورد استفاده قرار می گیرد. از بددلایت و زیرکونیوم ناخالص (زیرکونیا) در بوته های آزمایشگاهی استفاده می شود
عمده ترین کاربردهای زیرکون (ZrSiO ۴) ساخت مواد نسوز ، مات کردن سرامیک و ماسه های ریخته گری است. زیرکونیوم همچنین به عنوان یک سنگ قیمتی طبیعی مورد استفاده در جواهرات به بازار عرضه می شود. این فلز همچنین برای ساخت شیشه برای تلویزیون ، از بین بردن گازهای باقیمانده از لوله های خلا الکترونیکی و همچنین به عنوان یک عامل سخت کننده در آلیاژها ، به ویژه فولاد و در لامپ های عکاسی استفاده می شود. کاربرد زیرکونیوم در پزشکی تولید ابزارهای جراحی و دندانپزشکی است. صنایع کاغذ سازی و بسته بندی در حال حاضر دریافته اند که ترکیبات زیرکونیوم پوشش های سطحی خوبی ایجاد می کنند زیرا از مقاومت بسیار خوبی در برابر آب برخوردار هستند.
اسفنج و آلیاژهای فلز زیرکونیوم
اسفنج زیرکونیوم با تزریق گاز یا مخلوط کردن یک ماده کف کننده در فلز مذاب تولید می شود و کف ایجاد شده توسط ماده کف کننده در دمای بالا تثبیت می شود که عمدتا در صنعت هسته ای استفاده می شود ، همچنین برای تولید آلیاژهای زیرکونیوم برای اجزای راکتور هسته ای مانند روکش میله های سوخت استفاده می شود.
اسفنج زیرکونیوم همچنین در طیف گسترده ای از برنامه ها از جمله مبدل های حرارتی ، برای جذب انرژی ، انتشار جریان و اپتیک های سبک استفاده می شود.
فلز زیرکونیوم در محیط زیست
زیرکونیوم عنصر کمیاب خاصی نیست اما از آنجا که متداول ترین ماده معدنی آن ، زیرکون ، در برابر گرمازدگی بسیار مقاوم است ، در محیط فقط کمی متحرک است. زیرکونیوم بیش از دو برابر مس و روی و بیش از ۱۰ برابر سرب در طبیعت وجود دارد.
سنگ معدن اصلی زیرکون (ZrSiO۴)است که در استرالیا ، ایالات متحده آمریکا و سریلانکا استخراج می شود و بددلایت (اکسید زیرکونیومZrO۲) ) که در برزیل استخراج می شود. تولید جهانی زیرکون بیش از ۹۰۰۰۰۰ تن در سال است و ۷۰۰۰ تن فلز زیرکونیوم تولید می شود. ذخایر تخمینی در جهان بیش از یک میلیارد تن است. استرالیا ، آفریقای جنوبی ، هند ، سریلانکا و ایالات متحده آمریکا ذخایر گسترده ای از ماسه های زیرکون و زیرکونیا دارند.
اثرات زیرکونیوم بر سلامتی
زیرکونیوم و نمک های آن به طور کلی سمیت سیستمیک کمی دارند. میزان تقریبی مصرف در رژیم غذایی حدود ۵۰ میکروگرم است. بیشتر آنها بدون جذب شدن از روده عبور می کنند و آنچه جذب می شود تمایل دارد کمی بیشتر از بافت در استخوان جمع شود.
زیرکونیوم ۹۵ یکی از رادیونوکلئیدها است که در آزمایش جوی سلاح های هسته ای نقش دارد. این یکی از رادیونوکلئیدهای با عمر طولانی است که خطر ابتلا به سرطان را برای دهه ها و قرن های آینده افزایش داده و ادامه خواهد داد.
اثرات زیست محیطی فلز زیرکونیوم
زیرکونیوم بعید است خطری برای محیط زیست ایجاد کند. در حالی که گیاهان آبزی بسیار سریع زیرکونیوم محلول را جذب می کنند ، گیاهان موجود در خشکی تمایل کمی به جذب زیرکونیوم دارند و در واقع ۷۰٪ گیاهانی که آزمایش شده اند ، هیچگونه زیرکونیومی درون خود جذب نکرده اند.
