Zirconi

Zirconi
40Zr
itri ← zirconi → niobi Ti ↑ Zr ↓ Hf Taula periòdica
Aspecte
Blanc platejat
Propietats generals
Nom, símbol, nombre	Zirconi, Zr, 40
Categoria d'elements	Metalls de transició
Grup, període, bloc	4, 5, d
Pes atòmic estàndard	91,224
Configuració electrònica	[Kr] 5s2 4d2 2, 8, 18, 10, 2
Propietats físiques
Fase	Sòlid
Densitat (prop de la t. a.)	6,52 g·cm−3
Densitat del líquid en el p. f.	5,8 g·cm−3
Punt de fusió	2.128 K, 1.855 °C
Punt d'ebullició	4.682 K, 4.409 °C
Entalpia de fusió	14 kJ·mol−1
Entalpia de vaporització	573 kJ·mol−1
Capacitat calorífica molar	25,36 J·mol−1·K−1
Pressió de vapor
P (Pa) 1 10 100 1 k 10 k 100 k a T (K) 2.639 2.891 3.197 3.575 4.053 4.678
Propietats atòmiques
Estats d'oxidació	4, 3, 2, 1 (òxid amfòter)
Electronegativitat	1,33 (escala de Pauling)
Energies d'ionització	1a: 640,1 kJ·mol−1
	2a: 1.270 kJ·mol−1
	3a: 2.218 kJ·mol−1
Radi atòmic	160 pm
Radi covalent	175±7 pm
Miscel·lània
Estructura cristal·lina	Hexagonal
Ordenació magnètica	Paramagnètic
Resistivitat elèctrica	(20 °C) 421 nΩ·m
Conductivitat tèrmica	22,6 W·m−1·K−1
Dilatació tèrmica	(25 °C) 5,7 µm·m−1·K−1
Velocitat del so (barra prima)	(20 °C) 3.800 m·s−1
Mòdul d'elasticitat	88 GPa
Mòdul de cisallament	33 GPa
Mòdul de compressibilitat	91,1 GPa
Coeficient de Poisson	0,34
Duresa de Mohs	5,0
Duresa de Vickers	903 MPa
Duresa de Brinell	650 MPa
Nombre CAS	7440-67-7
Isòtops més estables
Article principal: Isòtops del zirconi
Iso AN Semivida MD ED (MeV) PD 88Zr sin 83,4 d ε - 88Y γ 0,392D - 89Zr sin 78,4 h ε - 89Y β+ 0,902 89Y γ 0,909D - 90Zr 51,45% 90Zr és estable amb 50 neutrons 91Zr 11,22% 91Zr és estable amb 51 neutrons 92Zr 17,15% 92Zr és estable amb 52 neutrons 93Zr traça 1,53×106 a β− 0,060 93Nb 94Zr 17,38% >1,1×1017 a β−β− 1,144 94Mo 96Zr 2,8% 2,0×1019 a β−β− 3,348 96Mo

El zirconi és un element químic de nombre atòmic 40 situat en el grup 4 de la taula periòdica dels elements. El seu símbol és Zr.

És un metall dur, resistent a la corrosió, semblant a l'acer. Els minerals més importants en els quals es troba són el zircó (ZrSiO₄) i la badeleyita (ZrO₂), encara que a causa de la gran semblança entre el zirconi i l'hafni (no hi ha altres elements que s'assemblen tant entre si) realment aquests minerals són mescles dels dos; els processos geològics no han estat capaços de separar-los. S'utilitza sobretot en reactors nuclears (per la seva baixa secció de captura de neutrons) i per a formar part d'aliatges amb alta resistència a la corrosió.

Característiques

És un metall blanc grisenc, brillant i molt resistent a la corrosió. És més lleuger que l'acer amb una duresa semblant a la del coure. Quan està finament dividit pot cremar espontàniament en contacte amb l'aire (reacciona abans amb el nitrogen que amb l'oxigen), especialment a altes temperatures. És un metall resistent als àcids, però es pot dissoldre amb àcid fluorhídric (HF), segurament formant complexos amb els fluorurs. Els seus estats d'oxidació més comuns són +2, +3 i +4.

Barra de Zirconi

Aplicacions

• Principalment (entorn d'un 90% del zirconi consumit) s'utilitza com a recobriment en reactors nuclears, pel fet que la seva secció de captura de neutrons és molt baixa. La secció de captura de l'hafni és alta, per la qual cosa és necessari separar-los per a aquesta aplicació (per a altres, no cal), generalment per mitjà d'un procés d'extracció líquid-líquid amb dos dissolvents no miscibles, o bé emprant resines d'intercanvi iònic.
• S'utilitza com a additiu en acers obtenint-se materials molt resistents. També s'empren aliatges amb níquel en la indústria química per la seva resistència enfront de substàncies corrosives.
• L'òxid de zirconi impur s'empra per a fabricar gresols de laboratori (que suporten canvis bruscos de temperatura), recobriment de forns i com a material refractari en indústries ceràmiques i de vidre.
• El metall és ben tolerat pels teixits humans, per la qual cosa pot emprar-se en articulacions artificials.
• També s'empra en intercanviadors de calor, tubs de buit i filaments de bombetes.
• Algunes de les seves sals s'empren per a la fabricació d'antitranspirants.
• Amb finalitats militars s'empra com a agent incendiari.
• Aliat amb niobi presenta superconductivitat a baixes temperatures, per la qual cosa es pot emprar per a fer imants superconductors. D'altra banda, l'aliatge amb zinc és magnètica per davall dels 35 K.
• L'òxid de zirconi s'usa en joieria; és una gemma artificial denominada zirconita que imita al diamant.

Imitació de diamant de zirconita

Història

El zirconi (de l'àrab "zargun", que significa "color daurat") va ser descobert el 1789 per Martin Klaproth a partir del zircó. El 1824 Jöns Jacob Berzelius el va aïllar en estat impur; fins al 1914 no es va preparar el metall pur.

En algunes escriptures bíbliques es menciona el mineral zircó, que conté zirconi, o alguna de les seves variacions (jargó, jacint, etc.) No se sabia que el mineral contenia un nou element fins que Klaproth va analitzar un jargó procedent de Ceilan, a l'oceà Índic, denominant al nou element com zirconia. Berzelius el va aïllar impur escalfant una mescla de potassi i fluorur de potassi i zirconi en un procés de descomposició en un tub de ferro. El zirconi pur no es va preparar fins al 1914.

Abundància i obtenció

El zirconi no es troba en la naturalesa com a metall lliure, però sí que formant part de nombrosos minerals. La principal font de zirconi s'obté del mineral zircó (silicat de zirconi, ZrSiO₄), que es troba en dipòsits a Austràlia, el Brasil, Índia, Rússia i Estats Units. El zircó s'obté com a subproducte de la mineria i processament de minerals de metalls pesants de titani, la ilmenita (FeTiO₃) i el rútil (TiO₂), i també d'estany. El zirconi i l'hafni es troben en el zircó en una relació de 50 a 1 i és molt difícil separar-los. També es troba en altres minerals, com la badeleyita (ZrO₂) o la menezesita.

El metall s'obté principalment per mitjà d'una cloració reductiva a través del denominat procés de Kroll: primer es prepara el clorur, per a després reduir-lo amb magnesi. En processos semiindustrials es pot realitzar l'electròlisi de sals foses, obtenint-se el zirconi en pols que pot utilitzar-se posteriorment en pulverimetal·lúrgia.

Per a l'obtenció del metall amb major puresa se segueix el procés Van Arkel basat en la dissociació del iodur de zirconi, obtenint-se una esponja de zirconi metall. Tant en aquest cas, com en l'anterior, l'esponja obtinguda es fon per a obtenir el lingot.

També és abundant en les estrelles de tipus S i s'ha detectat en el Sol i en meteorits. A més, s'ha trobat una alta quantitat d'òxid de zirconi (en comparació amb la present en l'escorça terrestre) en mostres provinents de la Lluna.

Isòtops

En la naturalesa es troben quatre isòtops estables i un radioisòtop de molt llarga vida (Zr-96). El radioisòtop que el segueix en estabilitat és el Zr-93 que té un període de semidesintegració d'1,53 milions d'anys. S'han caracteritzat divuit radioisòtops més. La majoria tenen períodes de semidesintegració inferiors a un dia, excepte el Zr-95 (64,02 dies), Zr-88 (63,4 dies) i Zr-89 (78,41 hores). El principal mode de decaïment dels isòtops més lleugers que el Zr-92, és la captura electrònica, mentre que el dels més pesants que aquest és la desintegració beta.

Rol biològic

No es coneix cap rol biològic per aquest element.

Precaucions

No són molt comuns els compostos que continguen zirconi, i la seva toxicitat inherent és baixa. La pols metàl·lica pot cremar en contacte amb l'aire, per la qual cosa cal considerar-lo com un agent de risc de foc o explosió.

Vegeu també

• Zircaloy

Enllaços externs

• webelements.com - Zirconi (anglès)
• environmentalchemistry.com - Zirconi (anglès)