Zirconio (Zr), elemento chimico, metallo del gruppo 4 (IVb) della tavola periodica, usato come materiale strutturale per i reattori nucleari.
Proprietà elemento
| numero atomico | 40 |
|---|---|
| peso atomico | 91.22 |
| punto di fusione | 1.852 ° C (3.366 ° F) |
| punto di ebollizione | 3.578 ° C (6.472 ° F) |
| peso specifico | 6,49 a 20 ° C (68 ° F) |
| stato di ossidazione | +4 |
| configurazione elettronica | [Kr] 4d 2 5s 2 |
Proprietà, occorrenza e usi
Lo zirconio, oscuro prima della fine degli anni '40, divenne un importante materiale ingegneristico per applicazioni di energia nucleare perché è altamente trasparente ai neutroni. L'elemento fu identificato (1789) nello zircone, ZrSiO 4 (ortosilicato di zirconio), dal suo ossido dal chimico tedesco Martin Heinrich Klaproth, e il metallo fu isolato (1824) in forma impura dal chimico svedese Jöns Jacob Berzelius. Il metallo impuro, anche se puro al 99 percento, è duro e fragile. Il metallo bianco, morbido, malleabile e duttile di elevata purezza fu prodotto per la prima volta in quantità (1925) dai chimici olandesi Anton E. van Arkel e JH de Boer dalla decomposizione termica del tetraioduro di zirconio, ZrI 4. All'inizio degli anni '40, William Justin Kroll del Lussemburgo sviluppò il suo processo più economico di produzione del metallo basato sulla riduzione del tetracloruro di zirconio, ZrCl 4, del magnesio. All'inizio del 21 ° secolo, i principali produttori di zirconio includevano Australia, Sudafrica, Cina e Indonesia; Mozambico, India e Sri Lanka erano produttori aggiuntivi.
Lo zirconio è relativamente abbondante nella crosta terrestre, ma non in depositi concentrati, ed è caratteristicamente osservato nelle stelle di tipo S. Lo zircone minerale, che si trova generalmente nei depositi alluvionali nei corsi d'acqua, nelle spiagge oceaniche o nei vecchi letti dei laghi, è l'unica fonte commerciale di zirconio. La baddeleyite, che è essenzialmente biossido di zirconio puro, ZrO 2, è l'unico altro importante minerale di zirconio, ma il prodotto commerciale viene recuperato più a buon mercato dallo zirconio. Lo zirconio è prodotto con lo stesso processo usato per il titanio. Questi minerali di zirconio hanno generalmente un contenuto di afnio che varia da pochi decimi dell'1 percento a diversi percento. Per alcuni scopi la separazione dei due elementi non è importante: lo zirconio contenente circa l'1% di afnio è accettabile come lo zirconio puro.
L'uso più importante dello zirconio è nei reattori nucleari per il rivestimento di barre di combustibile, per la lega con l'uranio e per le strutture del nocciolo del reattore a causa della sua combinazione unica di proprietà. Lo zirconio ha una buona resistenza a temperature elevate, resiste alla corrosione dei refrigeranti a rapida circolazione, non forma isotopi altamente radioattivi e resiste ai danni meccanici causati dal bombardamento di neutroni. L'afnio, presente in tutti i minerali di zirconio, deve essere scrupolosamente rimosso dal metallo destinato agli usi del reattore perché l'afnio assorbe fortemente i neutroni termici.
La separazione di afnio e zirconio viene generalmente effettuata mediante una procedura di estrazione controcorrente liquido-liquido. Nella procedura, il tetracloruro di zirconio grezzo viene sciolto in una soluzione acquosa di tiocianato di ammonio e il metilisobutil chetone viene fatto passare in controcorrente alla miscela acquosa, con il risultato che il tetracloruro di afnio viene estratto preferenzialmente.
I raggi atomici di zirconio e afnio sono rispettivamente 1,45 e 1,44 Å, mentre i raggi degli ioni sono Zr 4+, 0,74 Å e Hf 4+, 0,75 Å. L'identità virtuale delle dimensioni atomiche e ioniche, risultante dalla contrazione lantanoidea, ha l'effetto di rendere più simile il comportamento chimico di questi due elementi rispetto a qualsiasi altra coppia di elementi noti. Sebbene la chimica dell'afnio sia stata studiata meno di quella dello zirconio, i due sono così simili che solo piccole differenze quantitative - per esempio, nella solubilità e nella volatilità dei composti - sarebbero prevedibili in casi che non sono stati effettivamente studiati.
Lo zirconio assorbe ossigeno, azoto e idrogeno in quantità sorprendenti. A circa 800 ° C (1.500 ° F) si combina chimicamente con l'ossigeno per produrre l'ossido, ZrO 2. Lo zirconio riduce tali materiali crogiolo refrattario come gli ossidi di magnesio, berillio e torio. Questa forte affinità per l'ossigeno e altri gas spiega il suo uso come getter per la rimozione di gas residui nei tubi elettronici. A temperature normali in aria, lo zirconio è passivo a causa della formazione di un film protettivo di ossido o nitruro. Anche senza questo film, il metallo è resistente all'azione di acidi deboli e sali acidi. Si scioglie meglio in acido fluoridrico, in cui la formazione di complessi anionici di fluoro è importante per stabilizzare la soluzione. A temperature normali non è particolarmente reattivo ma diventa abbastanza reattivo con una varietà di non metalli a temperature elevate. A causa della sua elevata resistenza alla corrosione, lo zirconio ha trovato largo impiego nella fabbricazione di pompe, valvole e scambiatori di calore. Lo zirconio è anche usato come agente legante nella produzione di alcune leghe di magnesio e come additivo nella fabbricazione di alcuni acciai.
Lo zirconio naturale è una miscela di cinque isotopi stabili: zirconio-90 (51,46 percento), zirconio-91 (11,23 percento), zirconio-92 (17,11 percento), zirconio-94 (17,40 percento), zirconio-96 (2,80 percento). Esistono due allotropi: al di sotto di 862 ° C (1.584 ° F) una struttura esagonale a pacco chiuso, al di sopra di quella temperatura un cubo centrato sul corpo.
