Цирконий представляет собой металл серо-серебристого цвета. Этот химический элемент занимает сороковое место в таблице Менделеева (Zirconium). В чистом виде он не встречается в природе, его получают из различных концентратов руд. Популярность металла увеличивается с каждым годом, он широко востребован в металлургии, ядерной энергетике, ювелирном деле, медицине и т. д.
Общие сведения
Цирконий представлен в виде различных химических соединений — окислов или солей, которых ученым известно более сорока единиц. Еще в 1789 году химик Клапрот из камня гиацинта выделил циркониевый окисел. Долгое время получить металл в чистом виде не удавалось. И только в начале XX века это стало возможным.
Опытным путем цирконий получили способом «наращивания». При проведении этих манипуляций он откладывается на нить из вольфрама, которую предварительно раскаляют. Стоимость металла, полученного таким образом, была очень высокой. Вскоре ученые разработали бюджетный промышленный вариант, именуемый методом Кроля. Суть его состоит в том, что сначала осуществляется процедура хлорирования двуокиси циркония, а после этого вещество восстанавливают металлическим магнием.
Полученный металл переплавляют в прутья и отправляют конечному потребителю. Кроме этого метода, существуют и другие промышленные способы получения — щелочной и фторидный. Оказывается, цирконий обладает специфическими свойствами: имеет высокую активность, присущую металлам (представителем которых он и является), но ее проявления осуществляются не в открытой форме.
По внешнему виду цирконий очень напоминает сталь. Его важнейшим свойством в обычных условиях является устойчивость к коррозии. Кроме того, он хорошо поддается обработке путем прокатки, вальцовки, ковки. Специальная окисная пленка, которую невозможно увидеть человеческим глазом, надежно защищает металл от воздействия водяных паров. При увеличении температуры до 300ºС происходит ее медленное разрушение, а при 700ºС происходит полное окисление.
Помимо вышеописанных свойств, металлический цирконий имеет высокую жаростойкость, устойчив к воздействию щелочей, аммиака или кислот, хорошо удерживает радиацию. Совсем иными качествами обладает на воздухе циркониевый порошок, а также стружка — эти элементы и при комнатной температуре могут взрываться и самовозгораться.
Цирконий при взаимодействии с большим количеством металлов образует сплавы. Добавление его в малых дозах значительно повышает характеристики последних, увеличивая показатели прочности и устойчивости к появлению коррозии. Однако если добавлять другие металлы к цирконию, это только ухудшит его характеристики, поэтому такой способ не востребован.
Нахождение металла в природе
Залежи циркониевых руд есть по всей планете. Их можно встретить в виде различных солей, а также монокристаллов, масса которых нередко бывает более 1 кг. Богатые месторождения находятся в Индии, Бразилии, Западной Африке, ЮАР и пр. На территории Российской Федерации внушительные запасы металла располагаются в Сибири и на Урале.
В масштабах промышленности востребованы двуокись и силикат циркония, бадделеит, циркон. Последний является наиболее распространенным минералом на нашей планете. Люди знакомы с ним еще с давних времен. В Средние века многие ювелиры производили изделия из «несовершенных алмазов», которые в то время именовались цирконами. После проведения огранки они становились мутными и переливались совсем не так, как натуральные алмазы.
Встречаются радиоактивные цирконы. Ношение изделий из них оказывает негативное влияние на здоровье человека. Безопасными принято считать камни небольших размеров, имеющие относительную прозрачность или слабый окрас.
Крупные, интенсивно окрашенные материалы, особенно непрозрачные или темно-зеленые, могут иметь высокий радиационный уровень. Такие камни запрещается хранить в домашних коллекциях, проводить их огранку, транспортировать в больших количествах. Несмотря на высокую распространенность в природе, длительное время его популярность была значительно ниже по сравнению с редкими радиоактивными металлами. Это объясняется тем, что рудные залежи рассеянны и отсутствуют крупные месторождения.
Нередко в рудах соседом циркония является гафний, их свойства очень похожи. По отдельности каждый из металлов обладает хорошими свойствами, но в комплексе они непригодны для применения. Для разделения требуется многоуровневая очистка, которая значительно повышает стоимость производства циркония.
Физические и химические характеристики
Плотность циркония составляет 6506 кг/м3. Металл имеет температуру плавления 1855,3ºС, не обладает высокими показателями теплопроводности, всего 21 Вт/м*ºС, например, для титана это значение почти в два раза больше. Электросопротивление прямо пропорционально показателям азота и кислорода в составе.
Для чистого металла не характерны высокие механические свойства. Твердость циркония по шкале Виккерса составляет 70 единиц, прочность 175 МПа, что в 3 раза меньше показателей углеродистой стали. Элемент относится к пластичным металлам, модуль упругости — 96 МПа.
Все описанные свойства условны ввиду того, что их значения варьируются при увеличении количества примесей в составе. Например, при повышении содержания кислорода уменьшается пластичность металла до таких показателей, что проводить штамповку или ковку невозможно. При повышении количества водорода возрастает хрупкость.
Металл устойчив к воздействию воды, а также многих кислот и щелочей. Однако как и с механическими свойствами, устойчивость к коррозии зависит от присутствия алюминия и титана. Металл не реагирует с 50% раствором соляной и серной кислот. При температуре 780ºС и более цирконий начинает активно поглощать кислород. Медленнее происходят аналогичные процессы с азотом, но они протекают при температуре 600ºС.
В этом смысле наиболее активным газом является водород. Он проникает в металл уже при 145 градусах. Этот процесс сопровождается интенсивным выделением тепла настолько, что металл даже увеличивается в объеме. Циркониевый порошок настолько опасен, что может воспламеняться под действием воздуха. Однако, это обратимый процесс, полностью удалить водород можно на специализированном оборудовании при температуре не менее 800ºС.
Область применения
Ввиду своих свойств есть многие отрасли промышленности, где применяется цирконий. Некоторые из них:
- В электротехнике сплав циркония и ниобия используется как сверхпроводник, он выдерживает высокие нагрузки. Кроме того, металлом покрываются электронные платы в радиоаппаратуре для поглощения выделяемых газов. Фильтры на рентгеновских трубках имеют высокие показатели монохромности.
- Цирконий востребован в ядерной энергетике в качестве оболочек узлов термоядерных реакторов.
- Металлургическая промышленность использует циркон в качестве легирующего вещества. Металл считается сильным окислителем, по своим характеристикам превосходит марганец и кремний. Увеличивает прочность материалов, при этом улучшается процесс резки. В изготовлении корундовой керамики используется в качестве основного компонента.
- В машиностроении служит материалом для производства насосов, запорной арматуры, функционирующей под действием различных агрессивных сред.
Производство фейерверков и салютов. Это объясняется тем, что при горении отсутствует выделение дыма.- Применяется цирконий и химической промышленности, являясь материалом для кермета — специального металлокерамического покрытия, имеющего высокие показатели устойчивости к износу и действию кислот.
- В оптике широко применяется фианит — обработанный цирконий с примесями скандия и прочих редкоземельных металлов. У фианитов большой угол преломления, что способствует их использованию в производстве линз. В ювелирном деле он является синтетическим аналогом бриллианта.
- Цирконием наполняют трассирующие пули и осветительные ракеты в военном производстве.
Лечебные свойства и стоимость
В стоматологических клиниках при лечении различных переломов используют импланты на основе циркониевых сплавов. Если сравнивать их с титановыми или нержавеющими аналогами, они имеют ряд преимуществ:
- биологическая совместимость — обусловлена отсутствием аллергии и отторжения;
- прочность;
- легкость;
- устойчивость к коррозии;
- пластичность.
Кроме того, в челюстно-лицевой хирургии применяются импланты и инструменты из циркония — сверла, зубные протезы, шовные нити, скобы, винты, зажимы для остановки крови, пластины. Металл и его сплавы не оказывают раздражающего эффекта при контакте с костями и тканями.
Используемый в ювелирных изделиях цирконий оказывает положительное воздействие на состояние организма. Учеными доказано, что при ношении металлических сережек после прокола ушей раны заживают гораздо быстрее. Кроме того, цирконий не вызывает загнивания.
Отмечено положительное действие на здоровье человека при регулярной носке циркониевых изделий, улучшение состояния у пациентов, страдающих проблемами опорно-двигательного аппарата. Кроме того, неплохие результаты дает ношение браслетов и поясов при заболеваниях кожных покровов. Среди них:
псориаз;- экзема;
- дерматит.
Основным мировым поставщиком циркония является ЮАР и Австралия. Последнее время лидирующие позиции занимает именно Южно-Африканская Республика. Наибольшими потребителями являются страны Евросоюза, а также Китай и Япония. Основная масса металла представлена в виде ферросплавов.
В последние 10 лет спрос на цирконий увеличился на 5% в год, но производственные мощности за этот период возросли всего на 2%. В силу этого имеется постоянный дефицит металла, что является причиной роста цены на него. На рынке металлов РФ стоимость циркония варьируется в зависимости от чистоты металла и составляет от 450 до 7000 руб/кг.
Благодаря свойствам циркония его востребованность возрастает с каждым годом. Он имеет широкую сферу применения в промышленности, обладает лечебными свойствами, оказывая благотворное влияние на организм человека.
(5 оценок, среднее: 4,40 из 5)
Загрузка...
