Тугоплавкий металл цирконий

(Zr) - химический элемент IV группы периодической системы, атомный номер 40, атомная масса 91,22. Блестящий серебристо-серый тугоплавкий металл. Имеет плотность 6,506 г/см³, температуру плавления t_пл. = 1852 °С, температуру кипения t_кип. = 4377 °С. Устойчив к коррозии, обладает высокой пластичностью.

В минералах Zr всегда присутствует совместно с гафнием (Hf). Основные соединения - циркон (ZrSiO₄), бадделеит (ZrO₂).

Немецкий химик М.Г. Клапрот в 1789 году впервые выделил диоксид циркония из минерала циркон. В свободном же виде данный металл был получен в 1824 году шведским химиком Берцелиусом. Спустя еще 100 лет в 1925 году А. ван Аркель смог получить чистый Zr.

Физические свойства

Свойство	Значение
Атомный номер	40
Атомная масса, а.е.м	91,22
Радиус атома, пм	160
Плотность, г/см³	6,51
Молярная теплоемкость, Дж/(K·моль)	25,3
Теплопроводность, Вт/(м·K)	22,7
Температура плавления, °С	1852
Температура кипения, °С	4377
Теплота плавления, кДж/моль	19,2
Теплота испарения, кДж/моль	567
Молярный объем, см³/моль	10,8
Группа металлов	Тугоплавкий металл

Химические свойства

Свойство	Значение
Ковалентный радиус, пм	145
Радиус иона, пм	(+4e) 79
Электроотрицательность (по Полингу)	1,33
Электродный потенциал	0
Степени окисления	0, +1, +2, +3, +4

Промышленное применение находит как чистый Zr, не содержащий никаких легирующих элементов, так и сплавы на его основе.

• Э110, Э125 - цирконий с добавкой ниобия, массовая доля которого составляет для марки Э110 - 0,90-1,10%, для марки Э125 - 2,40-2.70%; поставляется в виде слитков, прутков, листов и ленты.
• ЦГ-20 - сплав циркония с гафнием (Hf - 18-22%; Zr - остальное); поставляется в виде слитков, прутков.
• ЦН25Т3 - сплав циркония с ниобием и титаном (Nb - 24-26%; Ti - 2,5-3,5%; Zr - остальное); выпускается в виде слитков, полос

Достоинства:
• имеет очень малое сечение захвата тепловых нейтронов;
• химически стоек во многих агрессивных средах;
• имеет высокую температуру плавления;
• нейтрален к биологическим тканям и жидкостям;
• обладает хорошими технологическими и механическими свойствами - хорошая пластичность, прочность.

Недостатки:
• высокая стоимость.

Основные направления использования металла следующие:

• ядерная энергетика;
• металлургия;
• медицина;
• пиротехника;
• легкая промышленность.

Zr наиболее востребован в ядерной энергетике благодаря ряду своих свойств. В первую очередь это нейтронная прозрачность и высокая коррозионная стойкость. Цирконий практически не поглощает тепловые нейтроны, необходимые для ядерной реакции. В то же время рассматриваемый металл может работать при высоких температурах и при этом не подвергаться коррозии. Все это делает его практически незаменимым при производстве оболочек тепловыделяющих элементов и других компонентов активной зоны ядерного реактора.

В металлургии Zr служит легирующим элементом сталей, являясь хорошим раскислителем и деазотатором (уменьшает количество азота (N) в стали). Его применение позволяет улучшить механические свойства и обрабатываемость сталей, а также повысить жаростойкость.

Стойкость циркония к воздействию биологических сред, а также его биосовместимость позволяют использовать данный металл и в медицине. Из него изготавливают костные, суставные, зубные протезы; хирургический инструмент.

Также стоит отметить применение Zr в сверхпроводниках. Он входит в состав сверхпроводящего сплава (ниобий - 75%, цирконий - 25%).

Более полное описание областей применения Zr представлено в статье Обзор областей применения циркония.

Современное промышленное производство предлагает практически полный спектр стандартных заготовок, активно используемых в различных областях. Из круглого проката можно выделить циркониевый пруток, проволоку и трубу. Плоский прокат представляет циркониевая фольга и лента, листы, полосы, плиты. К исходному сырью можно отнести слитки, которые занимают основополагающее место в цепочке производства изделий из данного металла.