40 Zr 91.224

Цирконий

Переходный металл Zirconium твёрдое

[Kr] 4d² 5s² · 2 · 8 · 18 · 10 · 2

← Y Иттрий Nb Ниобий →

Металл, почти прозрачный для нейтронов и потому незаменимый в ядерной энергетике: оболочки тепловыделяющих элементов делают именно из циркониевых сплавов. Его оксид — керамика твёрже стали и лучший заменитель бриллианта.

3D-модель

Модель Бора: ядро и электронные оболочки по конфигурации. Валентные электроны подсвечены.

Тяните, чтобы вращать; колесо — масштаб

Атомные свойства

Атомный номер: 40
Атомная масса: 91.224 а.е.м.
Электронная конфигурация: [Kr] 4d² 5s²
Электроны по оболочкам: 2 · 8 · 18 · 10 · 2
Блок: d-блок
Группа: Подгруппа титана
Период: 5
Электроотрицательность (Полинг): 1.33
Электроотрицательность (Аллен): 1.32
Атомный радиус: 206 pm
Ковалентный радиус: 175 pm
Ван-дер-ваальсов радиус: 223 pm
1-я энергия ионизации: 640.1 kJ/mol
2-я энергия ионизации: 1 270 kJ/mol
3-я энергия ионизации: 2 218 kJ/mol
4-я энергия ионизации: 3 313 kJ/mol
5-я энергия ионизации: 7 752 kJ/mol
Сродство к электрону: 41.1 kJ/mol
Характерные степени окисления: +4
Степени окисления: -2, +1, +2, +3, +4

Физические свойства

Состояние при 25 °C: твёрдое
Плотность: 6.52 g/cm³
Температура плавления: 2 128 K · 1 854.9 °C
Температура кипения: 4 650 K · 4 376.9 °C
Скорость звука: 3 800 m/s

Тепловые свойства

Теплота плавления: 14 kJ/mol
Теплота испарения: 573 kJ/mol
Удельная теплоёмкость: 0.278 J/(g·K)
Теплопроводность: 22.6 W/(m·K)

Механические свойства

Модуль Юнга: 88 GPa
Модуль сдвига: 33 GPa
Модуль объёмного сжатия: 91.1 GPa
Коэффициент Пуассона: 0.34
Твёрдость по Моосу: 5
Твёрдость по Бринеллю: 650 MPa

Электрические и магнитные свойства

Удельное сопротивление: 421 nΩ·m
Магнитный тип: парамагнетик
Точка Кюри: нет данных
Точка Нееля: нет данных
Температура сверхпроводимости: 0.61 K

Кристаллическая структура

Кристаллическая решётка: гексагональная плотноупакованная (ГПУ)
Параметры решётки: a = 323.2 pm · c = 514.7 pm

Распространённость

В земной коре: 165 mg/kg
В океане: 2.6·10⁻⁵ mg/L
Во Вселенной: 50 mg/kg
В теле человека: 0.06 mg/kg

Изотопы

Изотоп	Распространённость	Период полураспада	Тип распада
⁹⁰Zr	51.45 %	стабилен	—
⁹¹Zr	11.22 %	стабилен	—
⁹²Zr	17.15 %	стабилен	—
⁹⁴Zr	17.38 %	стабилен	—
⁹⁶Zr	2.8 %	стабилен	—

Цирконий-93 с периодом 1,5 млн лет — долгоживущий продукт деления, значимый при обращении с отработавшим топливом.

Открытие

Год открытия: 1789
Кто открыл: Мартин Генрих Клапрот
Где: Германия
Происхождение названия: от названия минерала циркон, восходящего к персидскому «zargun» — золотистый

История

Клапрот в 1789 году выделил оксид из цейлонского циркона. Металлический цирконий получил Берцелиус в 1824-м, но пластичный чистый металл — только Ван Аркель и де Бур в 1925 году методом йодидного рафинирования.

Где встречается

165 мг/кг коры. Главные минералы — циркон и бадделеит, добываются из прибрежных россыпей Австралии и ЮАР.

Как получают

Процесс Кролла, как и для титана: хлорирование и восстановление магнием. Обязательная стадия — отделение гафния, который всегда сопутствует цирконию и, наоборот, жадно ловит нейтроны.

Роль в живой природе

Биологической роли не имеет и практически не всасывается.

Безопасность

Металл безвреден и биосовместим. Порошок циркония пирофорен, а при аварийном перегреве в реакторе цирконий реагирует с паром, выделяя водород — именно это привело к взрывам на Фукусиме.

Применение

Оболочки ядерного топлива — циркалой прозрачен для нейтронов и стоек к воде при 300 °C
Химическая аппаратура, стойкая к кислотам и щелочам
Диоксид циркония: керамические ножи, зубные коронки, огнеупоры
Кубический цирконий как имитация алмаза
Датчики кислорода в выхлопных системах автомобилей

Любопытные факты

Цирконий и гафний химически почти неразличимы, но по отношению к нейтронам противоположны: один прозрачен, другой поглощает.
Циркон — самый древний известный земной минерал: кристаллам из Западной Австралии 4,4 млрд лет.
Взрывы на АЭС «Фукусима» вызвал водород от реакции циркониевых оболочек с перегретым паром.
Кубический цирконий по блеску почти неотличим от алмаза, но заметно мягче и тяжелее.