Реферат по химии цирконий

Обновлено: 05.07.2024

Основные свойства, назначение и роль в народном хозяйстве циркония ( реферат , курсовая , диплом , контрольная )

Содержание

1 Общие сведения

1.1 Сведения об открытии металла

1.2 Физические и химические свойства циркония

1.3 Нахождение в природе и минералы циркония

1.4 Применение циркония

2 Технология переработки цирконовых концентратов

2.1 Способы разложения цирконовых концентратов

2.2 Продукты переработки цирконовых концентратов

2.3 Способ разделения циркония и гафния

2.4 Производство металлического циркония

3 Фторсиликатный способ вскрытия цирконовых концентратов

3.1 Характеристика технологического процесса

4 Расчёт процесса спекания цирконового концентрата с фторсиликатом калия

4.1 Рациональный состав цирконового концентрата

4.2 Расчёт количества потерь по операциям технологической схемы

4.3 Расчёт материального баланса процесса спекания Заключение

Список использованных источников

Цирконий получают из силикатной руды, содержащей минерал циркон, путем восстановления оксида и хлорида титана и т. п. , или путем электролиза. Он представляет собой металл серебристо-серого цвета, ковкий и вязкий.

Крупнейшими странами-продуцентами циркония являются Австралия, с долей в мировой добыче 41%, ЮАР с долей 32% и Китай с долей 11% в мировой добыче. Кроме того заметными продуцентами также являются Индонезия, Украина, Индия и Бразилия. Россия с учетом достаточно больших запасов занимает в производстве циркония низкие позиции, с долей в мировой добыче 1%.

Мировая торговля циркониевыми рудами и концентратами составляет около 80% мировой добычи. Основными импортерами руд и концентратов циркониевых являются Китай с долей 47% в мировом импорте и Испания с долей 12% в мировом импорте. Заметными импортерами также являются Италия, Германия, Индия, Бельгия, Франция, Япония, Нидерланды, Таиланд, США, Индонезия. Объем импорта по крупнейшим странам-импортерам в 2009 году снизился. Китай снизил ввоз на 8% до 470 тыс. тонн циркония в концентрате, Испания на 23% до 117 тыс.тонн. Увеличили импорт Индия на 12% до 30 тыс. тонн и Бельгия на 66% до 28,9 тыс.тонн. Импорт циркониевых руд и концентратов в Россию в 2009 году снизился на 46% до 7,6 тыс.тонн. Экспорт руд и концентратов также снизился на 23% до 5,2 тыс.тонн.

Объем торговли собственно металлическим цирконием, а также изделиями из него достаточно мал, как впрочем и производство. В Россию в основном импортируется цирконий необработанный, порошки и прочие изделия, занимающие в общих объемах импорта 99%. В 2009 году объем импорта циркония в Россию сократился на 41% до 78 тонн.

1. Общие сведения

1.1 Сведения об открытии металла

Металлический цирконий получен Берцелиусом в 1824 году в виде сильно загрязненного порошка. В 1925 году Ван-Аркель и де-Бур, применив йодидное рафинирование, получили пластичный металл. Такой разрыв во времени обусловлен высокой химической активностью циркония, которая затрудняла как его выделение из природного сырья и искусственных соединений, так и получение в пластичном виде.

В 1923 г. Кюстер и Хевеши сообщили об открытии в циркониевом сырье элемента с атомным номером 72, который они назвали гафнием. Пластичный гафний был получен одновременно с пластичным цирконием также йодидным рафинированием. [1]

1.2 Физические свойства и химические свойства циркония

Цирконий относится к числу тугоплавких элементов, входящих в четвертую и пятую группу периодической системы. Металл отличается высокой прочностью кристаллической решетки, что определяет повышенную плотность, температуру плавления и стойкость против коррозии.

Природный цирконий состоит из пяти изотопов с массовыми числами 90, 91, 92, 94 и 96. Кроме того, известно восемь искусственных радиоактивных изотопов циркония с массовыми числами 86, 87, 88, 89, 93, 95, 97. Цирконий имеет как металлические, так и металлоидные свойства. Существуют устойчивые нерастворимые цирконаты и гафнаты щелочных металлов типа Me₂MeO₃, а также многочисленные фторцирконаты, в которые цирконий входит в состав в виде анионов со фтором.

При температурах до 100 o C цирконий стоек по отношению к соляной, азотной и фосфорной кислотам любой концентрации и к серной кислоте концентрации до 50%; однако он легко растворяется в царской водке и плавиковой кислоте.

Отмечается высокая стойкость циркония по отношению к концентрированным растворам щелочей при повышенных температурах, расплавленным щелочным металлам до 600 о С, воде подогретой до 300−350 о С и пару до 400 о С.

При обыкновенной температуре цирконий стоек на воздухе, но при нагревании взаимодействует с кислородом с выделением значительных количеств тепла.

Коррозийная стойкость циркония значительно уменьшается в присутствии некоторых примесей. При нагревании цирконий образует галоидные соединения: с азотом и водородом — нитриды и гидриды, с углеродом — карбиды. [1]

Таблица 1.1 — Физические свойства циркония [1]

Плотность, г/см 3

Температура плавления, о С

Температура кипения, о С

Удельная теплоемкость, кал/г • о С

Теплопроводность при 50 о С кал / (см • сек • о С)

1.3 Нахождение в природе и минералы циркония

Соединения циркония широко распространены в литосфере. Содержание циркония в земной коре 1,7 • 10 -2 %. Концентрация в морской воде 5 • 10 -5 мг/л. Насчитывается около 40 минералов циркония.

Основной рудообразующий циркониевый минерал — циркон ZrSiO₄, содержащий 49,5% Zr. Он встречается во всех видах пород. Меньшее промышленное значение имеет бадделит ZrO₂. Запасы этих минералов превышают 25 — 27 млн. т.

Месторождения третьего минерала — эвдиалита, несмотря на огромные запасы, представляют для циркониевой промышленности лишь потенциальный интерес, потому что содержание циркония в эвдиалите в 5−7 раз меньше, чем в двух предыдущих минералах.

Во всех месторождениях вместе с цирконием присутствует и гафний благодаря изоморфному замещению атома циркония. Гафний не образует самостоятельных минералов, но в виде изоморфной примеси всегда сопутствует цирконию. Содержание двуокиси гафния: в цирконе — 0,8−0,8%; в бадделеите — 0,1−3,5%; в эвдиалите — 0,1−1%. Производство гафния может быть организовано лишь при комплексном использовании циркониевых руд.

В настоящее время разрабатываются россыпные месторождения, образованию которых способствовали высокая плотность, большая твердость, отсутствие спайности и химическая устойчивость минералов. Обычно в шлихах россыпных месторождений содержится 30−70% рудных минералов, в том числе 0,5−10% циркона. Рентабельными считаются россыпи, содержащие не менее 8−10 кг циркона в 1 м 3 . [1]

Циркониевым минералам сопутствует магнетит, ильменит, рутил, монацит и др.

Наиболее крупные месторождения циркония находятся в США, Австралии, Индии, Бразилии, Марокко, Мавритании, Нигерии и на Шри-Ланке. Мировая доля производства в первых четырех странах составляет 100 — 160 тыс. т в год.

В России, на долю которой приходится 10% мировых запасов циркония (3 место в мире после Австралии и ЮАР), основными месторождениями являются: Ковдорское коренное бадделит-апатит-магнетитовое в Мурманской области, Туганское россыпное циркон-рутил-ильменитовое в Томской области, Лукояновское россыпное циркон-рутил-ильменитовое в Нижегородской области, Катугинское коренное циркон-пирохлор-криолитовое в Читинской области. [5]

1.4 Применение циркония

В промышленности цирконий стал применяться с 30-х годов XX века. Из-за высокой стоимости его применение ограничено.

Единственным предприятием, специализирующемся на производстве циркония в России (и на территории бывшего СССР), является Чепецкий механический завод (Глазов, Удмуртия).

Области применения циркония и его соединений весьма разнообразны. Значительная часть циркония используется в виде концентратов обогащения без химической переработки или с незначительной химической подготовкой, требующейся для удаления примесей. В больших масштабах потребляется двуокись циркония и в значительно меньших количествах — металл.

Цирконий имеет очень малое сечение захвата тепловых нейтронов и высокую температуру плавления. Поэтому металлический цирконий, не содержащий гафния, и его сплавы применяются в атомной энергетике для изготовления тепловыделяющих элементов, тепловыделяющих сборок и других конструкций ядерных реакторов.

В металлургии применяется в качестве лигатуры. Хороший раскислитель и деазотатор, по эффективности превосходит Mn, Si, Ti. Легирование сталей цирконием (до 0,8%) повышает их механические свойства и обрабатываемость. Делает также более прочными и жаростойкими сплавы меди при незначительной потере электропроводности.

Цирконий обладает замечательной способностью сгорать в кислороде воздуха (температура самовоспламенения — 250 °C) практически без выделения дыма и с высокой скоростью. При этом развивается самая высокая температура для металлических горючих (4650 °C). За счет высокой температуры образующаяся двуокись циркония излучает значительное количество света, что используется очень широко в пиротехнике (производство салютов и фейерверков), производстве химических источников света, применяемых в различных областях деятельности человека (факелы, осветительные ракеты, осветительные бомбы, ФОТАБ — фотоавиабомбы; широко применялся в фотографии в составе одноразовых ламп-вспышек, пока не был вытеснен электронными вспышками). Для применения в этой сфере представляет интерес не только металлический цирконий, но и его сплавы с церием, дающие значительно больший световой поток. Порошкообразный цирконий применяют в смеси с окислителями (бертолетова соль) как бездымное средство в сигнальных огнях пиротехники и в запалах, заменяя гремучую ртуть и азид свинца. Проводились удачные эксперименты по использованию горения циркония в качестве источника света для накачки лазера.

В виде конструкционного материала идет на изготовление кислотостойких химических реакторов, арматуры, насосов. Цирконий применяют как заменитель благородных металлов. В атомной энергетике цирконий является основным материалом оболочек твэлов.

Область применения диоксида циркония — производство огнеупоров-бакоров. Применяется в качестве заменителя шамота, так как в 3—4 раза увеличивает кампанию в печах для варки стекла и алюминия. Огнеупоры на основе стабилизированной двуокиси применяются в металлургической промышленности для желобов, стаканов при непрерывной разливке сталей, тиглей для плавки редкоземельных элементов. Также применяется в керметах — керамикометаллических покрытиях, которые обладают высокой твёрдостью и устойчивостью ко многим химическим реагентам, выдерживают кратковременные нагревания до 2750 °C. Двуокись — глушитель эмалей, придает им белый и непрозрачный цвет. На основе кубической модификации двуокиси циркония, стабилизированной скандием, иттрием, редкими землями, получают материал — фианит. Этот материал применяется в качестве оптического материала с большим коэффициентом преломления (линзы плоские), в медицине (хирургический инструмент), в качестве синтетического ювелирного камня (дисперсия, показатель преломления и игра цвета больше, чем у бриллианта), при получении синтетических волокон и в производстве некоторых видов проволоки (волочение). При нагревании диоксид циркония проводит ток, что иногда используется для получения нагревательных элементов, устойчивых на воздухе при очень высокой температуре.

Нагретый цирконий способен проводить ионы кислорода как твердый электролит. Это свойство используется в промышленных анализаторах кислорода. [5]

2. Технология переработки сырья

Получение циркония и гафния — чрезвычайно сложная задача. Несмотря на относительную одинаковость сырья, технологические схемы его передела на металл довольно многообразны и только в сравнительно недавнее время с достаточной определенностью начал использоваться основной технологический вариант.

Первая стадия переработки рудного сырья — механическое обогащение. Далее следует вскрытие концентратов, осуществляемое по основному технологическому варианту: хлорирование карбонитридов металлов газообразным хлором и фракционная конденсация хлоридов циркония и гафния (без их разделения). После очистки хлоридов от посторонних примесей следует разделение циркония и гафния, которое по основной технологической схеме выполняется избирательной экстракцией метилизобутилкетоном из солянокислых растворов в присутствие роданида с преимущественным выделением гафния в органическую фазу и раздельным получением отдельных металлов в виде окислов. Окислы металлов хлорируют, а полученные хлориды очищают от оставшихся примесей и подвергают металлотермическому восстановлению. Продукт восстановления — губку циркония или гафния — в специальных условиях, полученных при высокой температуре плавления и химической активности этих металлов, плавят на компактный металл.

Наряду с хлорированием до сих пор используют и другие методы вскрытия сырья, например спекание и сплавление с различными добавками; в этих случаях ряд операций последующего передела отличается от тех, которые применяли в схемах, основанных на хлорирование. Наряду с металлотермическим восстановлением возможно получение циркония и гафния электролизом расплавленных сред. [2]

В данной главе описывается краткое содержание этих направлений.

2.1 Способы разложения цирконовых концентратов

В данной работе рассмотрены свойства и производство циркония. Цирконий (Zr) —
элемент с атомным номером 40 и атомным весом 91,22. Является элементом побочной
подгруппы четвёртой группы, пятого периода периодической системы химических
элементов Дмитрия Ивановича Менделеева. Изучены особенности и области применения
циркония и его сплавов. В настоящее время определились следующие области
промышленного использования циркония: керамика и огнеупоры, производство эмалей и
стекла, производство сталей и сплавов с цветными металлами, пиротехника и
электровакуумная техника.
Ключевые слова: цирконий, сплавы циркония.
This paper discusses the properties and production of zirconium. Zirconium (Zr) is an
element with an atomic number of 40 and an atomic weight of 91.22. It is an element of a side
subgroup of the fourth group, the fifth period of the periodic system of chemical elements of
Dmitry Ivanovich Mendeleev. The features and applications of zirconium and its alloys are
studied. Currently, the following areas of industrial use of zirconium have been identified:
ceramics and refractories, the production of enamels and glass, the production of steels and
alloys with non-ferrous metals, pyrotechnics and electric vacuum equipment.
Key words: zirconium, zirconium alloys.

Цирконий - тугоплавкий металл. Среднее содержание циркония в земной коре
составляет 0,02 % (по массе). По распространенности он превосходит такие металлы,
как медь, цинк, олово, никель и свинец.
Цирконовые концентраты служат исходным сырьем для получения
металлического циркония, а также для выплавки ферросплавов и производства
химических соединений (сульфатоцирконаты, основной хлорид, основной карбонат).
Кроме того, при переработке цирконовых концентратов получают гафний и его
соединения.
Циркониевые сплавы широко применяются в ядерной энергетике, а также цирконий
используется для формирования многофункциональных, в том числе биосовместимых
покрытий, что обусловливает актуальность проблемы экономичной обработки и
минимизации отходов при производстве ответственных изделий из дорогостоящих
сплавов циркония.
Циркониевые сплавы с различными легирующими добавками обладают высокими
механическими и прочностными характеристиками, высокой коррозионной стойкостью
при эксплуатации в воде.
Цель данной работы – рассмотреть особенности циркония и сплавы на его основе.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. изучить свойства и производство циркония;
2. охарактеризовать особенности сплавов циркония;
3. рассмотреть применения циркония и его сплавов.

1. Свойства и производство циркония

2. Особенности сплавов циркония

Главные отличия между сплавами российского и западного производства по
процессам получения и наличию примесей можно обобщить таким образом:
– процессам производства сплавов типа циркалой, Zirlo, M5 свойственно
присутствие в конечном продукте примесей: кальция и магния (отделение гафния
методом МИБК с последующим восстановлением методом Кролля) или алюминия и
магния (отделение гафния экстракционной дистилляцией и последующим методом
Кролля); попадание фтора в эти сплавы невозможно в процессе изготовления этих сплавов
из-за отсутствия в процессе производства реагентов, содержащих фтор;
– процессу производства сплавов Э110 и Э635 не свойственно присутствие
кальция, магния и алюминия в течение всего производственного цикла и, следовательно,
попадание этих примесей в сплавы; в процессе производства этих сплавов используется
фтор, и как следствие, – его присутствие в этих сплавах.
Высокая коррозионная стойкость циркониевых сплавов в условиях нормальной
эксплуатации реакторов – это необходимое требование для всех оболочечных трубок, но
нет гарантии, что эти сплавы будут показывать высокую коррозионную стойкость и при
повышенных температурах в условиях потери теплоносителя (loss-of-coolant accident
(LOCA)). Известно, что в условиях LOCA существенно возрастает температура
оболочечных трубок (до 1200 °С), происходит высокотемпературное паровое окисление
оболочечных трубок, сопровождаемое их охрупчиванием, и возможно разрушение
охрупченных оболочечных трубок.
В этой связи очень важным является установление взаимосвязи между
коррозионной стойкостью циркониевых сплавов и их химическим составом, поскольку
поведение сплавов российского и западного производства, содержащих различные
примеси, в условиях LOCA отличаются. В работах показано, что существует зависимость
коррозионной стойкости циркониевых сплавов от присутствия в них различных примесей.
Основные данные приведены ниже:
– стабилизация тетрагональной формы диоксида циркония приводит к улучшению
коррозионной стойкости оболочечных труб;
– в этой связи все примеси в сплавах можно разделить на полезные и вредные: –
полезные примеси: Fe, Cr, Ca, Mg, Y;
– вредные примеси: C, N, F, Cl, Si, Ti, Ta, V, Mn, Pt, Cu;
– по влиянию таких элементов, как Al, Ni, Mo существуют противоположные точки
зрения;
– относительно кислорода многие исследователи считают, что он нейтрален по
отношению к коррозионной стойкости;
– коррозия сплавов очень чувствительна к содержанию таких легирующих
элементов, как Nb и Sn. Каждый тип сплавов имеет оптимальную концентрацию
легирующих элементов, обеспечивающую наилучшую коррозионную стойкость.
Примесный состав – один из ключевых факторов, определяющих поведение
сплавов Zr-Nb в высокотемпературных условиях [6, c. 159].
3. Применения циркония и его сплавов

До 50-х годов прошлого столетия считалось, что цирконий не пригоден для
использования в автомной энергетике. Однако именно в 50-х гг. был впервые получен
материал, который полностью очищен от такой примеси, как гафний. После очистки
оказалось, что чистый цирконий обладает очень малым поперечным сечением поглощения
тепловых нейтронов. Именно это качество стало основным и дало возможность
использовать циркониевые сплавы в атомной энергетике.
Стоит добавить, что использовать просто очищенный цирконий не получалось из-
за того, что стойкость к коррозии была слишком низкой в горячей воде. После этого было
принято решение об использовании именно сплавов на основе циркония. Они отлично
зарекомендовали себя при применении в реакторах с пароводяным теплоносителем, а
также в других подобных агрессивных средах.
Очень широко используется цирконий в качестве легирующего элемента. Это
обусловлено тем, что металлы, к которым добавляют это вещество, становятся более
жаропрочными, кислотоупорными и т.д. То есть сплав металла и циркония сильно
превышает по своим характеристикам начальное сырье.
Довольно широко используется ферроцирконий. Это сплав циркония с железом.
Содержание легирующего элемента Zr достигает 20% от общей массы. Используется
такое вещество в металлургии в качестве раскислителя и дегазатора для стали.
Алюминиево-циркониевые сплавы, к примеру, считаются наиболее устойчивыми к коррозии и применяются в катодных сетках для электровакуумных ламп. Содержание Zr в
таком сплаве не более 3% от общей массы.
В черной металлургии, кроме ферроциркония, часто используется сплав Zr и
кремния. Применяют его для дегазации стали. Широко используется сплав меди и
циркония для изготовления токопроводящих элементов для электротехнической
аппаратуры.
Циркониевые сплавы в медицине используются довольно активно. Ученые путем
экспериментов выяснили, что даже ношение простых циркониевых браслетов может
помочь в лечении некоторых болезней, а также это может повысить общий уровень
самочувствия человека.
На сегодняшний день довольно часто используются импланты (фиксаторы) в таких
областях медицины, как травматология и челюстно-лицевая хирургия. Фиксаторы
применяют при переломах, фиксируя кости так, чтобы они не двигались. Именно в этих
случаях можно выделить такие преимущества использования циркониевых сплавов, как:
высокая биологическая совместимость (имеется в виду отсутствие аллергических реакций
организма человека на такой сплав или отторжение), высокие прочностные
характеристики сплава, что очень важно для фиксаторов. Также стоит отметить, что
отсутствие отторжения или аллергии на такое вещество привело к тому, что отпала
необходимость в повторном проведении хирургической операции по извлечению
фиксатора, если вдруг организм начинал отторгать имплант [7, c. 120].
Значительная доля мирового производства циркониевых концентратов
используется для изготовления огнеупорных изделий и в производстве специального
фарфора. В качестве огнеупорного материала применяют чистую двуокись циркония и
бадделеитовые и цирконовые рудные концентраты.
Двуокись циркония плавится при температуре 2700—2900°, минерал циркон —
при 2430°. Однако примеси, особенно Fe2O3, снижают температуру плавления этих
соединений. Недостатком чистой двуокиси циркония как огнеупорного материала
является термическая неустойчивость, проявляющаяся в растрескивании нагретых до
высокой температуры изделий из двуокиси циркония при их охлаждении. Это явление
обусловлено наличием у двуокиси циркония полиморфных превращений. Переход одной
модификации в другую связан с объемными изменениями, которые являются причиной
растрескивания. Явление растрескивания устраняется добавками к двуокиси циркония
стабилизаторов — окислов магния или кальция. Последние, растворяясь в двуокиси
циркония, образуют твердый раствор с кубической кристаллической решеткой, которая
сохраняется как при высокой, так и низкой температуре. Этим устраняется растрескивание. Для образования твердого раствора с кубической решеткой достаточно к
двуокиси циркония добавить 4% MgO.
Из двуокиси циркония или минералов бадделеита и циркона изготовляют
огнеупорный кирпич для металлургических печей, тигли для плавки металлов и сплавов,
огнеупорные трубы и другие изделия.
Циркониевые минералы или двуокись циркония добавляют в некоторые сорта
фарфора, применяемого для изготовления изоляторов на линиях электропередач высокого
напряжения, в высокочастотных установках, запальных свечах двигателей внутреннего
сгорания. Циркониевый фарфор обладает высокой диэлектрической постоянной и малым
коэффициентом расширения.
Двуокись циркония и циркон (очищенный от примеси железа) нашли широкое
применение в качестве составной части эмалей. Они сообщают эмали белый цвет и
кислотоустойчивость и вполне заменяют применяемую для этих целей дефицитную окись
олова. Циркон и двуокись циркония вводят также в состав некоторых сортов стекла.
Добавки ZrO2 повышают устойчивость стекла против действия растворов щелочей [5, c.
493].
Высокое сродство циркония к кислороду и азоту обусловливает применение его
как активного раскислителя и деазотизатора стали. Очистка стали от кислорода и азота
приводит к получению мелкозернистой структуры, обладающей повышенными
механическими свойствами Кроме того, цирконий связывает серу, устраняя
красноломкость стали. Цирконий является также ценным легирующим элементом V,
входит в состав некоторых сортов броневых никельциркониевых сталей (вместе с 2% Ki
вводят 0,3 Zr), сталей для орудийных поковок, нержавеющих, жароупорных и некоторых
других. В нeкоторых сортах хромистых сталей содержание циркония достигает 2%.
Цирконий вводят в расплавленную сталь в виде ферроциркония и ферросиликоциркония.
Ферроцирконий содержит до 40% Zr, около 10% Si и 8—10% Al. Ферросиликоцирконий
содержит от 20 до 50% Zr и от 20 до 50% Si.
Имеют также практическое значение добавки циркония к меди: сплавы меди с
цирконием, содержащие от 0,1 до 5% Zr, способны к упрочнению, которое достигается
термической обработкой (закалка и упрочняющий отпуск). Предел прочности при
растяжении достигает 50 кг/мм2, что на 5% выше прочности неотожженной меди. При
нагревании изделий из чистой меди (проволоки, листов, труб) до 200° их прочность
сильно падает вследствие снятия наклепа. Добавки циркония повышают температуру
отжига меди до 500°. Небольшие добавки циркония к меди, повышая ее прочность,
снижают лишь в незначительной степени электропроводность.
Цирконий вводится в медь в виде лигатурного сплава, содержащего 12—14% Zr,
остальное медь.
Сплавы меди с цирконием применяют для изготовления электродов точечной
сварки, для электропроводов в тех случаях, где требуется высокая их прочность.
В последние годы получили распространение сплавы магния, легированные цирконием.
Небольшие добавки циркония способствуют получению мелкозернистых магниевых
отливок, что приводит к повышению прочности металла.
Высокой прочностью обладают магниевые сплавы, легированные цирконием и
цинком. Прочность сплава магния с 4—5% Zn и 0,6—0,7% Zr вдвое выше, чем обычного
сплава Сплавы этого типа не проявляют ползучести до 200° и рекомендованы как
конструкционные материалы для реактивных двигателей.
Цирконий добавляется (в виде кремнециркониевого сплава) в свинцовистые
бронзы Он обеспечивает дисперсное распределение свинца и полностью предотвращает
сегрегацию свинца в сплаве. Высокой прочностью и электропроводностью обладают
меднокадмиевые сплавы, содержащие до 0,35% Zr.
Добавки 0,02—0,1% Zr в медноникелевые сплавы устраняют вредное влияние свинца на
свойства этих сплавов.
Рекомендуется добавление циркония в марганцовистую латунь, алюминиевые
бронзы и бронзы, содержащие никель.
Сплав циркония со свинцом и титаном (33% Zr, 53% Pb, 11% Ti) обладает
хорошими пирофорными свойствами.
Цирконий входит в состав некоторых антикоррозионных сплавов. Так, сплав,
состоящий из 54% Nb, 40% Ta и 6—7% Zr, предложен как заменитель платины [8, c. 161].
Металлический цирконий до последнего времени применяли преимущественно в
виде порошка и, в более ограниченном масштабе, в виде компактного металла.
Высокое сродство циркония к кислороду, низкая температура воспламенения (180—285°)
и большая скорость сгорания позволили применить тонкий порошок циркония в качестве
воспламенителя в смесях для капсулей-детонаторов, а также для фотовспышек. В смеси с
окислителями [Ba(NO3)2, KClO3] он образует бездымный порох.
В электровакуумной технике используют прежде всего геттерирующие свойства циркония
(способность поглощать газы — О2, N2, Н2, CO, H2O). Для этих целей применяют ковкий
цирконий или используют порошкообразный цирконий, который наносят на детали
горячей арматуры (аноды, сетки и др.).
Цирконий применяют также как подавитель эмиссии сетки в радиолампе. С этой
целью суспензия из тонкого порошка гидрида циркония в смеси с ксиленом, амилацетатом или другим органическим веществом намазывают на сетку. Органическое
вещество затем испаряется. При нагревании сетки до 1100°в вакууме гидрид разлагается и
цирконий остается на поверхности сетки.
Циркониевые листы применяют в рентгеновских трубках с молибденовыми
антикатодами. Они служат здесь в качестве фильтра для повышения монохроматичности
рентгеновского излучения.
Возможности использования металлического циркония далеко не исчерпаны и
ограничивались до последнего времени лишь малым количеством и высокой стоимостью
ковкого металла.
В связи с промышленным освоением производства ковкого циркония намечаются
следующие области его использования: в химическом машиностроении (детали
центрифуг, насосов, конденсаторов и др.); в общем машиностроении (поршни, шатуны,
тяги и другие детали); в турбостроении (лопасти турбин и другие детали) и в
производстве медицинского инструмента,
В последние годы привлечено внимание к использованию чистого циркония
(свободного также и от примеси гафния) в качестве конструкционного материала в
установках по производству атомной энергии Наряду с высокой температурой плавления
к высокими антикоррозионными свойствами чистый цирконий имеет малое поперечное
сечение захвата тепловых нейтронов (0,22—0,4 барна), что выгодно отличает его от
других тугоплавких и коррозионноустойчивых металлов, в том числе и гафния
В связи с этим ведутся исследования по разработке производственных способов
получения чистого циркония, свободного от примеси гафния [3, c. 187].

Таким образом, цирконий (Zr) — это элемент таблицы Менделеева, атомный номер
которого равен 40, а его атомный вес составляет 91,22.
Цирконовые концентраты служат исходным сырьем для получения
металлического циркония, а также для выплавки ферросплавов и производства
химических соединений (сульфатоцирконаты, основной хлорид, основной карбонат).
Циркон практически не разлагается соляной, серной и азотной кислотами. Для
его разложения с целью перевода циркония в раствор используют большей частью
спекание (или сплавление) с содой или спекание с карбонатом кальция (мелом).
Использование циркониевого сплава в настоящее время довольно широко
распространено в медицине и атомной энергетике. В других отраслях этот материал также
используется, но с меньшей долей.

Список использованной литературы

1. Адаскин, А.М. Материаловедение (металлообработка) / А.М. Адаскин. - М.:
Academia, 2018. - 256 c.
2. Волков, А. Химия / А. Волков. - М.: Омега-Л, 2018. - 448 c.
3. Груздев, В.С. Материаловедение: Учебник / В.С. Груздев. - М.: Академия, 2018. -
336 c.
4. Дунаев, С.Ф. Общая химия: Учебник / С.Ф. Дунаев. - М.: Академия, 2018. - 160 c.
5. Журавлев, В.А. Лекции по квантовой теории металлов / В.А. Журавлев. - М.: [не
указано], 2016. - 901 c.
6. Мозберг, Р.К. Материаловедение / Р.К. Мозберг. - М.: Высшая школа; Издание 2-
е, перераб., 2015. - 448 c.
7. Сильман, Г.И. Материаловедение: Учебное пособие / Г.И. Сильман. - М.:
Академия, 2018. - 272 c.
8. Чернов, Д.К. Избранные труды по металлургии и металловедению: моногр. / Д.К.
Чернов. - М.: Книга по Требованию, 2016. - 452 c.
9. Чжан Ю.-., Чэнь В.-., Цзян С.-. Свойства циркония в микро и наноструктуре //
Международный студенческий научный вестник. – 2016. – № 6.
10. Юм-Розери, В. Введение в физическое металловедение / В. Юм-Розери. -
Москва: Наука, 2016. - 204 c.

Цирко́ний (лат. Zirconium; обозначается символом Zr) — элемент побочной подгруппы четвёртой группы пятого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 40. Простое вещество цирконий (CAS-номер: 7440-67-7) — блестящий металл серебристо-серого цвета. Обладает высокой пластичностью, устойчив к коррозии. Существует в двух кристаллических модификациях: α-Zr с гексагональной решёткой типа магния, β-Zr с кубической объёмноцентрированной решёткой типа α-Fe, температура перехода α↔β 863 °C

Файлы: 1 файл

Реферат по химии.docx

Реферат по химии

студент группы 1-ПГ

Ямалтдинов Д.С.

История и происхождение названия

Цирко́ний в виде двуокиси впервые был выделен в 1789 году немецким химиком М. Г. Клапротом в результате анализа минерала циркона.

Происхождение самого слова циркон неясно. Возможно, оно происходит от арабского zarkûn (киноварь) или от персидского zargun (золотистый цвет).

Как получали и получают цирконий

Выделенное Клапротом вещество не было новым элементом, но было окислом нового элемента, который впоследствии занял в таблице Д.И. Менделеева сороковую клетку. Пользуясь современными символами, формулу вещества, полученного Клапротом, записывают так: ZrO2.

Через 35 лет после опытов Клапрота известнейшему шведскому химику Йенсу Якобу Берцелиусу удалось получить металлический цирконий. Берцелиус восстановил фторцирконат калия металлическим натрием:

К2[ ZrF6] + 4Na → Zr + 2KF + 2NaF

и получил серебристо-серый металл.

Цирконий, образовавшийся в результате этой реакции, был хрупким из-за значительного содержания примесей. Металл не поддавался обработке и не смог найти практического применения. Но можно было предположить, что очищенный цирконий, подобно многим другим металлам, окажется достаточно пластичным.

В XIX и начале XX в. многие ученые пытались получить чистый цирконий, но все попытки долгое время заканчивались неудачей. Не помог испытанный алюмотермический метод, не привели к цели опыты, авторы которых стремились получить металлический цирконий из растворов его солей. Последнее объясняется в первую очередь высоким химическим сродством циркония к кислороду.

Для того чтобы можно было получить какой-либо металл электролизом из раствора его соли, этот металл должен образовывать одноатомные ионы. А цирконий таких ионов не образует. Сульфат циркония Zr(SO4)2, например, существует только в концентрированной серной кислоте, а при разбавлении начинаются реакции гидролиза и комплексообразования. В конечном счете получается:

Zr(SO4)2 + Н2О → (ZrO)SO4 + H2SO4.

В водном растворе гидролизуется и хлористый цирконий:

ZrCl4 + Н2О → ZrOCl2 + 2HCl.

Некоторые исследователи считали, что им удалось-таки получить цирконий электролизом растворов, но они были введены в заблуждение видом продуктов, осевших на электродах. В одних случаях это были действительно металлы, но не цирконий, а никель или медь, примеси которых содержались в циркониевом сырье; в других – внешне похожая на металл гидроокись циркония.

Лишь в 20-х годах нашего столетия (через 100 лет после того, как Берцелиус получил первые образцы циркония!) был разработан первый промышленный способ получения этого металла.

Этим способом был получен металлический цирконий, поддающийся обработке – ковке, вальцовке, прокатке – примерно так же легко, как медь.

Позже металлурги обнаружили, что пластические свойства циркония зависят главным образом от содержания в нем кислорода. Если в расплавленный цирконий проникнет свыше 0,7% кислорода, то металл будет хрупким из-за образования твердых растворов кислорода в цирконии, свойства которых сильно отличаются от свойств чистого металла.

Метод наращивания получил сначала некоторое распространение, но высокая стоимость циркония, полученного этим методом, сильно ограничивала области его применения. А свойства циркония оказались интересными. (О них ниже.) Назрела необходимость в разработке нового, более дешевого способа получения циркония. Таким методом стал усовершенствованный метод Кролля.

Метод Кролля позволяет получать цирконий при вдвое меньших затратах, чем по методу наращивания. Схема этого производства предусматривает две основные стадии: двуокись циркония хлорируется, а полученный четыреххлористый цирконий восстанавливается металлическим магнием под слоем расплавленного металла. Конечный продукт – циркониевая губка переплавляется в прутки и в таком виде направляется потребителю.

Месторождения

Наиболее крупные месторождения циркония расположены на территории США, Австралии, Бразилии, Индии. [4]

В России, на долю которой приходится 10% мировых запасов циркония (3 место в мире после Австралии и ЮАР), основными месторождениями являются: Ковдорское коренное бадделит-апатит-магнетитовое в Мурманской области, Туганское россыпное циркон-рутил-ильменитовое в Томской области, Центральное россыпное циркон-рутил-ильменитовое в Тамбовской области, Лукояновское россыпное циркон-рутил-ильменитовое в Нижегородской области, Катугинское коренное циркон-пирохлор-криолитовое в Читинской области и Улуг-Танзекское коренное циркон-пирохлор-колумбитовое

Стоимость циркония в конце 1990-х — 20-26$ за килограмм.[источник не указан 394 дня].

Применение циркония и его соединений

В промышленности цирконий стал применяться с 30-х годов XX века. Из-за высокой стоимости его применение ограничено. Единственным предприятием, специализирующемся на производстве циркония в России (и на территории бывшего СССР), является Чепецкий механический завод (Глазов, Удмуртия).

Цирконий применяется для изготовления разнообразной посуды, обладающей отличными гигиеническими свойствами благодаря высокой химической стойкости.

Диоксид циркония (т. пл. 2700 °C). Область применения — производство огнеупоров-бакоров (бакор — бадделеит-корундовая керамика). Применяется в качестве заменителя шамота, так как в 3—4 раза увеличивает кампанию в печах для варки стекла и алюминия. Огнеупоры на основе стабилизированной двуокиси применяются в металлургической промышленности для желобов, стаканов при непрерывной разливке сталей, тиглей для плавки редкоземельных элементов. Также применяется в керметах — керамикометаллических покрытиях, которые обладают высокой твёрдостью и устойчивостью ко многим химическим реагентам, выдерживают кратковременные нагревания до 2750 °C. Двуокись — глушитель эмалей, придает им белый и непрозрачный цвет. На основе кубической модификации двуокиси циркония, стабилизированной скандием, иттрием, редкими землями, получают материал — фианит (от ФИАНа где он был впервые получен), фианит применяется в качестве оптического материала с большим коэффициентом преломления (линзы плоские), в медицине (хирургический инструмент), в качестве синтетического ювелирного камня (дисперсия, показатель преломления и игра цвета больше, чем у бриллианта), при получении синтетических волокон, и производстве некоторых видов проволоки (волочение). При нагревании диоксид циркония проводит ток, что иногда используется для получения нагревательных элементов устойчивых на воздухе при очень высокой температуре. Нагретый цирконий способен проводить ионы кислорода как твердый электролит. Это свойство используется в промышленных анализаторах кислорода.

Диборид циркония ZrB2 — кермет. В различных смесях с нитридом тантала и карбидом кремния является материалом для производства резцов.

Карбид циркония (температура плавления 3530 °C) — теоретически важнейший конструкционный материал для твердофазных ядерных реактивных двигателей[источник не указан 582 дня]. Бериллид циркония чрезвычайно твёрд и устойчив к окислению на воздухе до 1650 °C, применяется в авиакосмической технике в качестве двигателей, сопел, реакторов и радиоизотопных электрогенераторов[источник не указан 582 дня].

Гидрид циркония применяется в качестве компонента ракетного топлива[источник не указан 582 дня], в атомной технике как весьма эффективный замедлитель нейтронов. Также гидрид циркония служит для покрытия цирконием в виде тонких плёнок с помощью термического разложения его на различных поверхностях.

Нитрид циркония материал для керамических покрытий, температура плавления около 2990 °C , гидролизуется в царской водке. Нашёл применение в качестве покрытий в стоматологии и ювелирном деле.

Биологическая роль и физиологическое действие

Цирконий не играет биологической роли в организме. Жителям России памятны пресловутые циркониевые браслеты, рекламируемые В.Кикабидзе, якобы снижающие артериальное давление, но не оказывающие реального терапевтического действия[7].

О воздействии соединений циркония на организм ничего не известно. Пыль циркония представляет собой вещество с большой пожаро- и взрывоопасностью, поскольку может самовоспламениться на воздухе.

Цирко́ний в виде оксида впервые был выделен в 1789 году немецким химиком Мартином Генрихом Клапротом в результате анализа минерала циркона(ZrSiO₄₎.

В свободном виде цирконий впервые был выделен шведским химиком Йёнсом Якобом Берцелиусом в 1824 году. Свободный от примесей чистый цирконий удалось получить лишь в начале XX века [3] .

Нахождение циркония в природе:

Соединения циркония широко распространены в литосфере. По разным данным кларк (числа, выражающие среднее содержание химических элементов в земной коре, гидросфере, Земле, космических телах, геохимических или космохимических системах и др., по отношению к общей массе этой системы.) циркония от 170 до 250 г/т. Концентрация в морской воде 5·10 −5 мг/л [4] . Цирконий — литофильный элемент. В природе известны его соединения исключительно с кислородом в виде окислов и силикатов. Несмотря на то, что цирконий рассеянный элемент, насчитывается около 40 минералов, в которых цирконий присутствует в виде окислов или солей. В природе распространены главным образом циркон (ZrSiO₄)(67,1 % ZrO₂),бадделеит (ZrO₂) и различные сложные минералы (эвдиалит (Na, Ca)₅(Zr, Fe, Mn)[O,OH,Cl][Si₆O₁₇] и др.). Во всех земных месторождениях цирконию сопутствует Hf, который входит в минералы циркона благодаря изоморфному замещению атома Zr.

Циркон является самым распространенным циркониевым минералом. Он встречается во всех типах пород, но главным образом в гранитах и сиенитах. В графстве Гиндерсон (штат Северная Каролина) в пегматитах были найдены кристаллы циркона длиной в несколько сантиметров, а на Мадагаскаре были обнаружены кристаллы, вес которых исчисляется килограммами.

Бадделеит был найден Юссаком в 1892 году в Бразилии, основное месторождение находится в районе Посус-ди-Калдас. Там была найдена глыба бадделеита весом около 30 т, а в водных потоках и вдоль обрыва бадделеит встречается в виде аллювиальной гальки диаметром до 7,5 мм, известной под названием фавас (от португ. fava — боб). Фавас обычно содержит свыше 90 % двуокиси циркония [5]

В промышленности исходным сырьём для производства циркония являются циркониевые концентраты с массовым содержанием диоксида циркония не менее 60–65 %, получаемые обогащением циркониевых руд.

Основные методы получения металлического циркония из концентратов — хлоридный, фторидный и щелочной процессы.

Хлоридный процесс основан на перевод циркония в летучий тетрахлорид ZrCl₄ (T_{сублимации}331 °C) с дальнейшей его очисткой и последующим металлотермическим восстановлением магнием в циркониевую губку. Используются два варианта хлорирования концентратов: прямое хлорирование смеси циркониевых концентратов с коксом хлорируют при 900—1000 °С и хлорирование предварительно полученных спеканием концентратов с коксом смеси карбидов и карбонитридов циркония при 400—900 °С:

При фторидном методе на первой стадии циркониевый концентрат спекают с гексафторсиликатом калия при 600—700 °С:

Образовавшийся гексафторцирконат калия выщелачивают горячей водой и очищают фракционной перекристаллизацией от примеси гексафторгафната K₂HfF₆, после чего металлический цирконий получают электролизом расплава смеси гексафторцирконата калия и хлоридов калия и натрия.

Щелочной процесс является методом получения технически чистого диоксида циркония ZrO₂, из которого металлический цирконий получают хлоридным или фторидным методом. В этом процессе цирконий переводится в растворимую форму спеканием концентрата с гидроксидом натрия при 600—650 °С, карбонатом натрия при 900—1100 °С либо со смесью карбоната и хлорида кальция при 1000—1300 °С, после чего образовавшиеся цирконаты натрия Na₂ZrO₃ или кальция CaZrO₃ выщелачиваются соляной либо серной кислотами:

Водные растворы хлорида или сульфата цирконила далее очищаются и гидролизуются, осадок ZrO(OH)₂ прокаливают и получают технический диоксид циркония ZrO₂.

Физические свойства Циркония:

Элемент может иметь гексагональную плотноупакованную и кубическую объемноцентрированную решетку. Переход од одной решетки к другой может происходить только под действием температуры.

Характеристика циркония (Zr):

1. имеет высокую прочность, пластичность, твердость и упругость;

2. обладает парамагнитными свойствами;

3. увеличивает удельную магнитную восприимчивость при нагревании;

4. позволяет проводить холодную и горячую обработку (штамповку, ковку и прокатку);

5. проявляет устойчивость к холодной обработке под давлением.

Электронное строение атома Циркония:

5.1 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 4s 2 3d 10 4p 6 5s 2 4d 2

5.2 Номер периода = 5(показывает сколько энергетических уровней в атоме Zr) Номер группы = 4 (показывает сколько электронов находится на внешних электронных оболочках. соответственно 4) принадлежит к побочной подгруппе ( Б) Эффект провала электрона: на 4d(2) электрон, а на 5s(2) электрона, то что электроны идут сначала на 5s .а не на 4d объясняется меньшей энергией электрона на 5s подуровне, чем на 4d.

5.3 Как видно из электронной формулы цирконий относится к d-элементам, поскольку у него заполняется 4d-подуровень.

5.4 Степени окисления Циркония +2 и +3

Свойства соединения циркония:

Оксид циркония — ZrO_2. Оксид циркония проявляет амфотерные свойства, нерастворим в воде и водных растворах большинства кислот и щёлочей, однако растворяется в плавиковой и концентрированной серной кислотах, расплавах щелочей и стёклах.

Ортоциркониевая кислота — гидроксид циркония с формулой H₄ZrO₄, амфотерный гидроксид.

Сульфат циркония(IV) — соль металла циркония и серной кислоты с формулой Zr(SO₄)₂

В металлургии применяется в качестве лигатуры. Хороший раскислитель и деазотатор, по эффективности превосходит Mn, Si, Ti. Легирование сталей цирконием (до 0,8 %) повышает их механические свойства и обрабатываемость. Делает также более прочными и жаростойкими сплавы меди при незначительной потере электропроводности.

Цирконий обладает замечательной способностью сгорать в кислороде воздуха (температура самовоспламенения — 250 °C) практически без выделения дыма и с высокой скоростью. При этом развивается самая высокая температура для металлических горючих (4650 °C). За счёт высокой температуры образующаяся двуокись циркония излучает значительное количество света, что используется очень широко в пиротехнике (производство салютов и фейерверков), производстве химических источников света, применяемых в различных областях деятельности человека (факелы, осветительные ракеты, осветительные бомбы, ФОТАБ — фотоавиабомбы; широко применялся в фотографии в составе одноразовых ламп-вспышек, пока не был вытеснен электронными вспышками). Для применения в этой сфере представляет интерес не только металлический цирконий, но и его сплавы с церием, дающие значительно больший световой поток. Порошкообразный цирконий применяют в смеси с окислителями (бертолетова соль) как бездымное средство в сигнальных огнях пиротехники и в запалах, заменяя гремучую ртуть и азид свинца. Проводились удачные эксперименты по использованию горения циркония в качестве источника света для накачки лазера.

Цирконий обладает высокой стойкостью к воздействию биологических сред, даже более высокой, чем титан, и отличной биосовместимостью, благодаря чему применяется для создания костных, суставных и зубных протезов, а также хирургического инструмента. В стоматологии керамика на основе диоксида циркония является материалом для изготовления зубопротезных изделий. Кроме того, благодаря биоинертности этот материал служит альтернативой титану при изготовлении дентальных имплантатов.

Читайте также: