เซอร์โคเนียม (Zr)องค์ประกอบทางเคมีโลหะของกลุ่ม 4 (IVb) ของตารางธาตุใช้เป็นวัสดุโครงสร้างสำหรับเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์
คุณสมบัติองค์ประกอบ
| เลขอะตอม | 40 |
|---|---|
| น้ำหนักปรมาณู | 91.22 |
| จุดหลอมเหลว | 1,852 ° C (3,366 ° F) |
| จุดเดือด | 3,578 ° C (6,472 ° F) |
| แรงดึงดูดเฉพาะ | 6.49 ที่ 20 ° C (68 ° F) |
| สถานะออกซิเดชัน | 4 |
| การกำหนดค่าอิเล็กตรอน | [Kr] 4d 2 5s 2 |
คุณสมบัติการเกิดและการใช้งาน
เซอร์โคเนียมปิดบังก่อนปลายปี 1940 กลายเป็นวัสดุทางวิศวกรรมที่สำคัญสำหรับการประยุกต์ใช้พลังงานนิวเคลียร์เพราะมันมีความโปร่งใสสูงต่อนิวตรอน องค์ประกอบถูกระบุ (1789) ในเพทาย ZrSiO 4 (เซอร์โคเนียม orthosilicate) จากออกไซด์โดยนักเคมีชาวเยอรมัน Martin Heinrich Klaproth และโลหะถูกแยกออก (1824) ในรูปแบบไม่บริสุทธิ์โดยนักเคมีชาวสวีเดนJöns Jacob Berzelius โลหะที่ไม่บริสุทธิ์แม้จะมีความบริสุทธิ์ 99 เปอร์เซ็นต์ก็ยากและเปราะ โลหะสีขาว, อ่อน, อ่อน, และเหนียวที่มีความบริสุทธิ์สูงผลิตครั้งแรกในปริมาณ (1925) โดยนักเคมีชาวดัตช์ Anton E. van Arkel และ JH de Boer โดยการสลายตัวด้วยความร้อนของ zirconium tetraiodide, ZrI 4. ในช่วงต้นทศวรรษที่ 1940 วิลเลียมจัสตินคอลแห่งลักเซมเบิร์กได้พัฒนากระบวนการผลิตโลหะราคาถูกของเขาขึ้นอยู่กับการลดลงของเซอร์โคเนียมเตตร้าคลอไรด์ ZrCl 4โดยแมกนีเซียม ในช่วงต้นศตวรรษที่ 21 ผู้ผลิตเซอร์โคเนียมชั้นนำ ได้แก่ ออสเตรเลียแอฟริกาใต้จีนและอินโดนีเซีย โมซัมบิกอินเดียและศรีลังกาเป็นผู้ผลิตเพิ่มเติม
เซอร์โคเนียมค่อนข้างมากในเปลือกของโลก แต่ไม่ได้อยู่ในความหนาแน่นสะสมและเป็นลักษณะที่สังเกตในดาวประเภท S เพทายแร่ซึ่งพบได้โดยทั่วไปในแหล่งตะกอนในลำธารเตียงชายหาดทะเลหรือทะเลสาบเตียงเก่าเป็นแหล่งเดียวของเซอร์โคเนียม Baddeleyite ซึ่งส่วนใหญ่เป็นเซอร์โคเนียมไดออกไซด์บริสุทธิ์ ZrO 2เป็นเพียงแร่เซอร์โคเนียมที่สำคัญอื่น ๆ เท่านั้น แต่ผลิตภัณฑ์เชิงพาณิชย์กู้คืนได้ง่ายกว่าจากเพทาย เซอร์โคเนียมผลิตโดยกระบวนการเดียวกับที่ใช้กับไทเทเนียม แร่ธาตุเซอร์โคเนียมเหล่านี้โดยทั่วไปมีเนื้อหาแฮฟเนียมที่แตกต่างกันจากไม่กี่สิบเปอร์เซ็นต์จาก 1 ถึงหลายเปอร์เซ็นต์ สำหรับจุดประสงค์บางอย่างการแยกองค์ประกอบทั้งสองนั้นไม่สำคัญ: เซอร์โคเนียมที่มีส่วนผสมของแฮฟเนียมประมาณ 1 เปอร์เซ็นต์เป็นที่ยอมรับได้ว่าเป็นเซอร์โคเนียมบริสุทธิ์
การใช้งานที่สำคัญที่สุดของเซอร์โคเนียมในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์สำหรับการหุ้มแท่งเชื้อเพลิงสำหรับการผสมกับยูเรเนียมและสำหรับโครงสร้างแกนเครื่องปฏิกรณ์เนื่องจากคุณสมบัติที่เป็นเอกลักษณ์ เซอร์โคเนียมมีความแข็งแรงที่อุณหภูมิสูงต่อต้านการกัดกร่อนจากสารหล่อเย็นที่หมุนเวียนอย่างรวดเร็วไม่ก่อให้เกิดไอโซโทปกัมมันตรังสีสูงและทนต่อความเสียหายทางกลจากการทิ้งระเบิดนิวตรอน แฮฟเนียมที่มีอยู่ในแร่เซอร์โคเนียมทุกตัวจะต้องถูกกำจัดออกจากโลหะที่มีไว้สำหรับใช้ในเครื่องปฏิกรณ์อย่างละเอียดเพราะแฮฟเนียมนั้นดูดซับนิวตรอนความร้อนอย่างรุนแรง
โดยทั่วไปแล้วการแยกแฮฟเนียมและเซอร์โคเนียมนั้นทำได้โดยขั้นตอนการแยกของเหลว - ของเหลว - การสกัด ในขั้นตอนนี้เซอร์โคเนียมเททราคลอไรด์ดิบจะละลายในสารละลายของแอมโมเนียมไทโอไซยาเนตและเมธิลไอโซบิวทิลคีโตนจะถูกส่งผ่านกลับไปยังส่วนผสมที่เป็นน้ำโดยมีผลให้สารแฮฟเนียม
รัศมีอะตอมของเซอร์โคเนียมและแฮฟเนียมคือ 1.45 และ 1.44 Åตามลำดับในขณะที่รัศมีของไอออนคือ Zr 4+, 0.74 Åและ Hf 4+, 0.75 Å ตัวตนเสมือนของขนาดอะตอมและไอออนิกซึ่งเป็นผลมาจากการหดตัวของแลนทานัมมีผลทำให้พฤติกรรมทางเคมีขององค์ประกอบทั้งสองนี้คล้ายกันมากขึ้นกว่าคู่อื่น ๆ ที่รู้จักกัน แม้ว่าจะมีการศึกษาทางเคมีของแฮฟเนียมน้อยกว่าเซอร์โคเนียม แต่ทั้งสองมีความคล้ายคลึงกันดังนั้นจึงมีความแตกต่างเชิงปริมาณเพียงเล็กน้อยเช่นในการละลายและความผันผวนของสารประกอบในกรณีที่ไม่ได้รับการตรวจสอบจริง
เซอร์โคเนียมดูดซับออกซิเจนไนโตรเจนและไฮโดรเจนในปริมาณที่น่าอัศจรรย์ อยู่ที่ประมาณ 800 ° C (1,500 ° F) มันรวมทางเคมีกับออกซิเจนให้ผลผลิตออกไซด์ ZrO 2 เซอร์โคเนียมช่วยลดวัสดุเบ้าหลอมที่ทนไฟเช่นออกไซด์ของแมกนีเซียมเบริลเลียมและทอเรียม ความสัมพันธ์ที่แน่นแฟ้นสำหรับออกซิเจนและก๊าซอื่น ๆ นี้เป็นเหตุให้ใช้เป็นตัวดูดเอาก๊าซที่เหลือในหลอดอิเล็กตรอนออกมา ที่อุณหภูมิปกติในอากาศเซอร์โคเนียมจะไม่ทำงานเนื่องจากการก่อตัวของฟิล์มป้องกันของออกไซด์หรือไนไตรด์ แม้จะไม่มีภาพยนตร์เรื่องนี้โลหะก็สามารถทนต่อการกระทำของกรดอ่อนและเกลือที่เป็นกรด ละลายได้ดีที่สุดในกรดไฮโดรฟลูออริกซึ่งขั้นตอนการก่อตัวของสารประกอบเชิงซ้อนของฟลูออโร anionic มีความสำคัญในการทำให้สารละลายมีความเสถียร ที่อุณหภูมิปกติมันไม่ได้เป็นปฏิกิริยาโดยเฉพาะ แต่จะค่อนข้างทำปฏิกิริยากับความหลากหลายของอโลหะที่อุณหภูมิสูง เนื่องจากความต้านทานการกัดกร่อนสูงเซอร์โคเนียมจึงพบการใช้งานอย่างแพร่หลายในการสร้างปั๊ม, วาล์วและเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน เซอร์โคเนียมยังใช้เป็นสารผสมในการผลิตโลหะผสมแมกนีเซียมบางชนิดและเป็นสารเติมแต่งในการผลิตเหล็กบางชนิด
เซอร์โคเนียมธรรมชาติเป็นส่วนผสมของไอโซโทปเสถียรห้าชนิด ได้แก่ เซอร์โคเนียม -90 (ร้อยละ 51.46) เซอร์โคเนียม -91 (ร้อยละ 11.23) เซอร์โคเนียม -92 (ร้อยละ 17.11) เซอร์โคเนียม -94 (17.40 เปอร์เซ็นต์) เซอร์โคเนียม -96 (2.80 เปอร์เซ็นต์) มีอัลโลทโทรปอยู่สองอัน: ต่ำกว่า 862 ° C (1,584 ° F) โครงสร้างที่มีรูปหกเหลี่ยมใกล้กันเหนืออุณหภูมินั้นมีลูกบาศก์เป็นศูนย์กลางของร่างกาย
