Цирконий металл свойства кому подходит

Характеристики циркония, применение камня, лечебные свойства

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.

Цирконий — Металл для ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА!

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/м 3 . 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:

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.

Источник

Что такое цирконий, это камень или металл — простое пояснение путаницы в названиях

Цирконий – это металл, элемент в таблице Менделеева и вещество, из которого делают фианиты. Применяют в медицине, ювелирном деле, промышленности. Его часто путают с цирконом из-за созвучности названий, но это совершенно разные материалы.

Что такое цирконий

Цирконием называют элемент zirconium (Zr). В таблице Менделеева указан его атомный вес 91,22 и номер 40. Входит в состав продуктов питания, камней, руд.

Соединение циркония с кислородом – это металл серебристо-серого цвета. Напоминает нержавеющую сталь, белое золото. До очистки нередко содержит радиоактивные примеси. После удаления должен соответствовать ГОСТу 21907-76. Он непрозрачный, ковкий, вязкий, устойчив к коррозии, не намагничивается, но притягивается сильным полем.

Цирконий в украшениях используется в виде металлических вставок и оправ, для изготовления сережек.

Его также применяют для синтеза фианитов. Это прозрачные камни с бриллиантовой чистотой и сиянием. Темно-серые, графитовые или черные искусственные самоцветы называют черным цирконием.

Фианиты также бывают:

• желтыми;
• оранжевыми;
• голубыми;
• красными;
• синими;
• зелеными;
• розовыми;
• пурпурными;
• золотистыми с коричневым оттенком.

Циркон отличается от металла тем, что это природный драгоценный камень группы силикатов. В его составе есть элемент Zr, отчего минерал используется для извлечения циркония. По окрасу бывает бесцветным (матарский алмаз), золотистым (сиамский), голубым (старлит) и бурым (малакон).

В дополнение смотрите видеообзор в продолжение описания металла:

История происхождения циркония

Похожие на название циркония натуральные самоцветы цирконы используются давно. Их называли несовершенными алмазами, а темно-красные – гиацинтами. По легенде, это отвердевшие капли крови Гиацинта, убитого богом Зефиром. В русской сказке аленьким цветочком назван цветок, выточенный из бордового циркона.

В Средневековье их называли самоцветами-убийцами. Было подмечено: владелец начинал болеть при носке темно окрашенных крупных камней, затем умирал. Это случалось из-за использования радиоактивных минералов. Такие цирконы и сейчас нельзя применять.

История синтеза циркониевого металла:

• 1789 г. – М. Клапрот впервые выделил окисел циркона из порошка минерала;
• 1824 г. – Й. Берцелиус образовал свободный цирконий;
• 1925 г. – А. Аркель очистил элемент от радиоактивных примесей.

Исследователи причисляют диоксид циркония к металлу с усовершенствованными свойствами. Он подходит для изготовления пластин для костей, коронок, других медицинских конструкций. Изделия безопасны, не противопоказаны для прохождения МРТ.

Смотрите видео о циркониевом металле:

Свойства и применение циркония

Циркониевые сплавы используются в химическом, машиностроительном и других производствах, в медицине. Порошок применяют для пиротехники, снарядов. Соединение с сульфатом используют для дубления кожи.

В ювелирном деле из циркониевого сплава или окиси делают оправы, вставки и самоцветы. Но это – не драгоценные камни или металл, а их имитация.

Физико-химические свойства

Чистый металл тверже стали, гибкий. Выдерживает давление в 65 кгс на 1 мм2. Чем больше газовых примесей, тем ниже прочность.

Формула записывается как ZrO2 (диоксид циркония). Он выдерживает до 750 °С, затем начинает рекристаллизовываться. Плавиться будет при + 1855 °С, а кипеть – при температуре более 4000 °С.

В основе циркона лежит силикат циркония (ZrSiO4). Поэтому различаются химико-физические характеристики минерала и металла.

При естественной температуре циркониевый металл устойчив к коррозии:

У металла структура решетки похожа на шестиугольник с равными сторонами (гексагональная). Радиус атома равен 160 пикометра (10-12 м). В центре есть ядро с 51 нейтроном и 40 протонами. Вокруг него расположены пять орбит с 40 электронами.

У фианитов строение решетки напоминает равносторонний куб. Окрас зависит от примесей. Желтую и красную гамму дает соединение с церием. Благодаря титану получается золотистый самородок. В розовый окрашивает эрбий, а в пурпурный – неодим.

Добавление хрома дает зеленый колер.

Лечебные свойства циркония

В медицине используют только циркониевые сплавы:

• в стоматологии – штифты, коронки, импланты зуба;
• в реконструктивной хирургии – стержни, фиксаторы, пластины, другие изделия для скрепления костей;
• в хирургии – эндоскопические или обычные хирургические инструменты.

Циркониевые изделия биологически совместимы с тканями, не отторгаются, не окисляются, не вызывают нагноения или аллергии. Они ускоряют регенерацию поврежденных структур.

Циркониевые сережки рекомендуют носить после прокола ушей. Они быстрее заживут, не будут гноиться.

Подмечено, что браслет или пояс с металлическими вставками ускоряет выздоровление у пациентов с патологиями опорно-двигательного аппарата. Около 10 % людей отзываются об улучшении кожи при псориазе или других дерматологических болезнях.

Украшения из циркония

Для изготовления бижутерии используют диоксид циркония и кубический цирконий. Первый – это серебристо-стальной металл, а второй – синтезированный камень фианит. С ними делают кольца или перстни, кулоны, ожерелья, браслеты, серьги, колье, броши и диадемы.

Бывают циркониевые украшения:

• без покрытия;
• окрашенные;
• анодированные;
• цельные литые;
• модели с элементами, скрепленными кожей, металлом, нитями;
• изделия с фианитами;
• изделия с поделочными самоцветами.

Украшения с цирконием носят с повседневной одеждой и вечерними нарядами. Дизайн подбирают под стиль образа. Изделия не подходят только к спортивной одежде.

Хранят украшения в отдельных тканевых мешочках. Циркониевые элементы чистят тканью в мыльной воде, промывают под краном, вытирают салфеткой. После сушки до блеска полируют фланелью.

В медицине и для украшений используют циркониевый металл, очищенный от радиации. Из вещества синтезируют недрагоценные камни фианиты. Имитаторы самоцветов также безопасны для здоровья.

Как вы относитесь к украшениям из циркония? С чем надеваете? Комментируйте статью, пишите интересные факты и сферы применения, делитесь с друзьями в социальных сетях. Всего хорошего.

Источник

Цирконий – полезные свойства и опасность металла

Этот металл универсален: его свойства используют металлурги, ядерщики, ювелиры, стоматологи, ортопеды. Запасы циркония на планете внушительны, их хватит всем.

Что представляет собой

Цирконий – это пластичный серебристо-белый металл.

Благородно-приглушенный блеск, толика матовости позволяют отличить его от других металлов.

Элемент периодической системы Менделеева №40. Международное обозначение Zr (Zirconium).

По составу это пять природных изотопов.

Как был открыт

История открытия металла охватывает полтора столетия:

• Диоксид вещества первым получил немецкий химик Мартин Клапрот (1789 год). Исходником послужил минерал циркон.
• Почти через сорок лет его шведский коллега Иенс Берцелиус получил свободный, но загрязненный примесями цирконий.
• Образцы циркония как чистого металла удалось выделить к 1925 году голландцу Антону ван Аркелю.

Происхождение термина «циркон» толкуют две версии: от созвучных арабского либо фарси. Они означают, соответственно, «киноварь» и «золотистый».

Как представлен в природе

Цирконий не относится к редким металлам. Но крупных месторождений не образует, рассеявшись по массиву земной коры.

Тонна земной коры содержит 170-250 г вещества, литр воды – 0,00005 мг.

Главная форма нахождения в природе – четыре десятка минералов. Самые известные и распространенные: циркон, бадделеит, эвдиалит. Формула последнего содержит два десятка символов.

Циркон Эвдиалит

В структуре всех минералов циркона присутствует гафний. Он же «сопровождает» цирконий на месторождениях.

Месторождения

Первая тройка стран по запасам сырья – Австралия, ЮАР, Россия. Крупными массивами породы располагают Бразилия, США, Индия.

На долю России приходится десятая часть глобальных запасов:

• Большинство сосредоточено на Европейской части (Мурманская, Тамбовская, Нижегородская области).
• За Уралом это Томская, Читинская области.
• Неисчерпаемый резерв представляют сиениты Хибин на Кольском полуострове.

В США и на Мадагаскаре находят образцы циркона ювелирных либо коллекционных кондиций. В Хибинах – эвдиалиты.

Технология получения

Промышленное производство нацелено на получение металлического циркония.

Кристаллы Циркония

Для этого циркониевую руду обогащают до отметки 61-65% по диоксиду в составе. Концентрат преобразуют хлоридным, фторидным либо щелочным методами.

Способ получения технологически чистого вещества (ZrO2) основан на щелочном процессе. Концентрат спекают, выщелачивают, очищают, гидролизуют.

Физико-химические характеристики

Физические и химические свойства вещества зависят от состава:

• Освобожденный от примесей цирконий пластичен, легко обрабатывается при любой температуре (ковка, штамповка, прокат).
• Даже малые доли газов (азот, водород, кислород, углерод) в составе делают пластичный металл хрупким. Например, наличие более 0,2% кислорода исключает прессовку.
• При 200°C покрывается оксидной пленкой. Цвет металла меняется.

Примеси в составе ухудшают характеристики циркония.

Свойства атома Название, символ, номер Атомная масса
(молярная масса) Электронная конфигурация Радиус атома Химические свойства Ковалентный радиус Радиус иона Электроотрицательность Электродный потенциал Степени окисления Энергия ионизации
(первый электрон) Термодинамические свойства простого вещества Плотность (при н. у.) Температура плавления Температура кипения Уд. теплота плавления Уд. теплота испарения Молярная теплоёмкость Молярный объём Кристаллическая решётка простого вещества Структура решётки Параметры решётки Отношение c/a Температура Дебая Прочие характеристики Теплопроводность Номер CAS

Цирко́ний / Zirconium (Zr), 40

91,224(2) а. е. м. (г/моль)

[Kr] 4d2 5s2

160 пм

145 пм

(+4e) 79 пм

1,33 (шкала Полинга)

0, +1, +2, +3, +4

659,7 (6,84) кДж/моль (эВ)

6,506 г/см³

2125 K

4650 K

19,2 кДж/моль

567 кДж/моль

25,3 Дж/(K·моль)

14,1 см³/моль

гексагональная

a = 3,231, c = 5,148 Å

1,593

291 K

(300 K) 22,7 Вт/(м·К)

7440-67-7

Мелкодисперсный порошковый цирконий воспламеняется при «средней» температуре. Это единственный недостаток металла.

Где используется

Цирконий применяют самостоятельно, в сплавах и соединениях. Для многих сфер его применение избавляет от закупки дорогих благородных металлов.

Промышленность

Здесь нашли применение металл и сплавы:

• Металлургия. Материал огнеупоров для плавильных процессов. Легирующая присадка: 0,8% циркония в составе улучшает механические и утилитарные свойства сталей. Повышается порог прочности, термостойкости медных сплавов.
• Ядерная энергетика. Начинка реакторов на АЭС (например, оболочка тепловыводящих элементов – ТВЭЛов).
• Сверхпроводник. Сплав циркония с ниобием (1:3).
• Конструкционный материал. Арматура, насосы, химическое оборудование, устойчивое к кислотам.

Его добавляют к керамико-металлическим покрытиям для повышения их химической стойкости.

Фианиты

Кубическая модификация диоксида циркония плюс микродозы редкоземельных металлов – основа при производстве фианитов.

Фианит

Материал создан в Советском Союзе (1960-е годы), назван по месту изобретения – Физический институт Академии наук СССР (ФИАН).

Фианит применяется для практических и эстетических целей:

• Линзы, другая оптика специального назначения.
• Хирургический инструментарий.
• Синтетические волокна, проволока.

Это финансово доступный заменитель натуральных бриллиантов в ювелирных изделиях. Создают камешки нужного цвета, размера, формы. Ювелиры оправляют фианиты золотом, платиной, серебром.

Другие сферы

Кроме «серьезных» отраслей, достоинства металла оценены в других сферах:

• Пиротехника. Бездымный, яркий фейерверк невозможен без этого металла. Его используют производители химических источников света (осветительные бомбы/ракеты, факелы). Еще больше света дает циркониево-цериевый сплав.
• Медицина. Оценена «нейтральность» вещества к биологическому воздействию. Из диоксида циркония делают хирургический инструментарий, протезы взамен утраченных костей, разрушенных суставов, зубов.

В стоматологии керамику на основе циркония ставят выше титановой: она служит пожизненно.

• Товары широкого потребления. Из циркония, сплавов изготавливают посуду. Химико-биологическая стойкость, другие свойства металла обеспечивают соответствие изделий санитарным стандартам.

Добавка вещества в эмаль делает ее матово-белой.

Влияние на человека

Цирконий не синтезируется биологическими организмами, но может поступать вовнутрь из воздуха либо с пищей.

Биологическое воздействие

Металл нашел применение медициной в следующих качествах:

• Антисептик – стимуляция заживления ран, защита от проникновения инфекций, гноения.
• Антиаллерген – сглаживает проявления аллергии.
• Защита от радиации.

Целители утверждают: серьги из металла в составе исцеляют кожу, гипертонию, артрозы, артриты.

Недостаток/избыток

«Отравиться» цирконием из продуктов питания невозможно: он содержится в микродозах.

Опасным может быть воздействие пыли металла на работников металлургических и добывающих предприятий.

• Раздражение кожных покровов.
• Пневмония.
• Болезни легких.

Металл аккумулируется мягкими тканями. Курс лечения предусматривает мероприятия по интоксикации организма.

Питание

Цирконием насыщены баранина, орехи (мускат, фисташки), бобовые. Он есть в перце чили, растительных маслах, крупах (овсяной, рисе, пшенной).

Ежесуточно человеку требуется 350 – 750 мкг элемента, в зависимости от возраста и массы тела.

Стоимость продукции из циркония определяется видом (руб./кг):

• Порошок – 7 500.
• Пруток – 7 760 – 9 750.
• Концентрат – 108 – 880.
• Фольга – 114 – 2 560.

Разброс цены объясняется характеристиками товара (марка изделия, степень обработки, величина партии).

Источник