زیرکونیوم

زیرکونیوم یک عنصر شیمیایی با نماد Zr و عدد اتمی 40 است. نام زیرکونیـوم از نام معدنی به اسم زیرکون گرفته شده است.

این فلز پر زرق و برق، خاکستری-سفید و قوی است که از نزدیک شبیه به هافنیوم و تا حدودی تیتانیوم است. زیرکونیـوم عمدتاً به عنوان نسوز استفاده می‌شود، اگرچه مقادیر کمی به عنوان ماده آلیاژی به علت مقاومت زیاد آن در برابر خوردگی استفاده می‌شود. زیرکونیـوم به ترتیب انواع ترکیبات معدنی و آلی مانند فلز زیرکونیـوم و دی‌کلرید زیرکونیـوم را تشکیل می‌دهد. برای ترکیبات زیرکونیـوم هیچ نقش بیولوژیکی شناخته نشده است.

خصوصیات و ویژگی‌های زیرکونیوم:

زیرکونیوم یک فلز درخشان، خاکستری-سفید، نرم و لطیف است که در دمای اتاق جامد است، اگرچه در خلوص‌های کمتر سخت و شکننده است. در فرم پودر، زیرکونیـوم بسیار قابل اشتعال است، اما در فرم جامد کمتر مستعد احتراق می‌باشد.

زیرکونیوم در برابر خوردگی توسط قلیاها، اسیدها، آب نمک و سایر مواد بسیار مقاوم است.

نقطه ذوب زیرکونیـوم 1855 درجه سانتی‌گراد و نقطه جوش 4371 درجه سانتی‌گراد (7900 درجه فارنهایت) است.

زیرکونیـوم در مقیاس پائولینگ دارای الکتریسیته 1.33 است.

ایزوتوپ‌های زیرکونیوم:

زیرکونیوم دارای پنج ایزوتوپ است که به طور طبیعی وجود دارند که در این میان سه مورد آن‌ها (⁹⁰Zr ,⁹¹Zr ,⁹²Zr) پایدار هستند.

بیست و هشت ایزوتوپ مصنوعی برای زیرکونیــوم سنتز شده و دارای جرم اتمی 78 تا 110 می‌باشند. ⁹³Zr پایدارترین ایزوتوپ مصنوعی است که دارای نیمه عمر  1.53×10⁶ است.

 ¹¹⁰Zr، سنگین‌ترین ایزوتوپ زیرکونیــوم، رادیواکتیو ترین است و تخمین‌زده می‌شود نیمه عمر آن 30 میلی‌ثانیه باشد.

تولید زیرکونیوم:

زیرکونیــوم محصول جانبی استخراج و فرآوری مواد معدنی تیتانیوم ایلمنیت و روتیل و همچنین استخراج قلع است.

از سال 2003 تا 2007، در حالی که قیمت زیرکون معدنی به طور پیوسته از 360 دلار به 840 دلار در هر تن افزایش یافته است، قیمت فلز زیرکونیــوم غیر قابل پردازش از 39.900 دلار به 22.700 دلار در هر تن کاهش یافته است.

فلز زیرکونیــوم بسیار گران‌تر از زیرکون است زیرا فرآیندهای احیا، گران هستند.

ماسه‌های دارای زیرکون که از آب‌های ساحلی جمع‌آوری می‌شوند، توسط کنسانتره‌های مارپیچی تصفیه می‌شوند تا مواد سبک‌تر را از بین ببرند، بعداً اجزای طبیعی ماسه‌های ساحلی به داخل آب بازگردانده می‌شوند.

با استفاده از روش جداسازی مغناطیسی، سنگ معدن تیتانیوم ایلمنیت و روتیل برداشته می‌شوند.

کاربرد‌های زیرکونیوم:

• ترکیبات زیرکونیوم:

بیشتر زیرکون مستقیماً در کاربردهای در درجه حرارت بالا استفاده می‌شود.

کاربرد اصلی آن به عنوان مات‌کننده است و ظاهری سفید و مات به مواد سرامیکی می‌بخشد.

به دلیل مقاومت شیمیایی، از زیرکون در محیط‌های تهاجمی مانند قالب‌هایی برای فلزات مذاب نیز استفاده می‌شود.

دی‌اکسید زیرکونیوم (ZrO₂) در سنگ‌فرش‌های آزمایشگاهی، در کوره‌های متالورژی و به عنوان ماده‌ای نسوز استفاده می‌شود. از آن‌جا که از نظر مکانیکی قوی و انعطاف‌پذیر است، می‌توان آن را درون چاقوهای سرامیکی و تیغه‌های دیگر قرار داد. (ZrSiO4) و (ZrO2) در جواهرات به عنوان سنگ‌های قیمتی بریده می‌شوند.

• فلز زیرکونیوم:

واکنش‌پذیری زیاد زیرکونیوم با اکسیژن در دماهای بالا در برخی از کاربردهای تخصصی مانند آغازگرهای انفجاری و به عنوان گیرنده‌های لوله‌های خلاء مورد استفاده قرار می‌گیرد.

سوزاندن زیرکونیوم به عنوان منبع نور در برخی از لامپ‌های عکاسی مورد استفاده قرار می‌گیرد.

• کاربرد‌های هسته‌ای:

روکش فلزی برای سوخت‌های راکتور هسته‌ای حدود 1٪ از منبع زیرکونیوم را مصرف می‌کند.

• صنایع فضایی و هوانوردی:

مواد ساخته شده از فلز زیرکونیـوم و ZrO2 در وسایل نقلیه فضایی که مقاومت در برابر حرارت لازم است استفاده می‌شود.

در قطعات با درجه حرارت بالا مانند مخزن احتراق، پره‌ها در موتورهای جت و توربین‌های گازی ثابت به طور فزاینده توسط لایه‌های سرامیکی نازک محافظت می‌شوند، که معمولاً از مخلوط زیرکونیا و ایتریا تشکیل شده است.

• دوربین‌های توموگرافی انتشار پوزیترون:

از ایزوتوپ ⁸⁹Zr برای ردیابی و تعیین مقدار آنتی‌بادی‌های مولکولی با دوربین‌های توموگرافی انتشار پوزیترون (PET) استفاده شده است.

• داروسازی:

ترکیبات زیرکونیوم در بسیاری از کاربردهای پزشکی مورد استفاده قرار می‌گیرد، از جمله کاشت دندان و تاج، تعویض مفصل زانو و لگن، بازسازی زنجیره‌ای صدف گوش میانی و سایر وسایل ترمیمی و پروتز.

منابع:

• https://en.wikipedia.org/wiki/Zirconium
• http://minerals.usgs.gov/minerals/pubs/commodity/zirconium/
• https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0375947403018074
• https://doi.org/10.1515%2Fpac-2015-0305

سیدی