Цирконий металл свойства. Цирконий (металл): лечебные свойства и применение

Металл цирконий

Не так давно мы говорили с вами . Однако, рассматривая саму тему целительной силы металлов (ранее на сайте были публикации ) невозможно было не вспомнить о пользе циркония, и о самих циркониевых браслетов. К сожалению, сами такие браслеты почему-то постоянно оказываются в центре скандалов, в которых замешаны не чистые на руку предприниматели, желающие нажиться на тех, кто хочет с помощью такого браслета забыть о своих болезнях. Однако, даже, несмотря на такой шлейф скандальности, оспорить пользу этих изделий очень трудно. Расскажем о ней сегодня и мы. Итак, в чём же заключается магическая сила циркониевых браслетов, кому и когда полезно их носить, как ухаживать за таким браслетом…

Металл цирконий

Помните всем известную таблицу Менделеева? Так вот, её 40-вым элементом как раз и является металл под названием цирконий. Кстати, достаточно редкий металл, который имеет серебристо-белый цвет, и едва заметный золотистый оттенок.

Примечательно, что основным минералом, который и содержит в себе цирконий, является минерал циркон. Его монокристаллы известны ювелирам, как матарские алмазы или несовершенные алмазы. Когда же встречается циркон красного цвета – то его называют гиацинтом. Ювелирные изделия с ним тоже весьма популярны.

Химические свойства металла циркония

Впервые добыть металлический цирконий удалось только в начале 19 века. Сделал это шведский химик по имени Йенс Якоб Берцелис. После него это повторили многие учёные. И именно ими были выделены такие химические свойства циркония, как исключительная коррозийная стойкость, этот металл практически не разрушается и сохраняет свою целостность в растворах органических кислот, аммиака, щелочей. Не воздействует на него и морская вода, водная среда и воздух…

Однако, если бы не такое свойство, как антисептическое – на цирконий вряд ли бы обратили внимание медики. Сегодня же, после ряда подтвержденных исследований, его причисляют к металлам, обладающим антисептическими и лечебными свойствами. Боле того, циркониевые сплавы и сам цирконий официально разрешены к применению министерством здравоохранения Российской федерации. А, такое высокое признание – уже что-то означает…

Как влияет цирконий на организм человека

Так выглядит браслет из циркония

Циркониевые сплавы и сам цирконий никоим образом не раздражают кожные и мышечные ткани. Так, медициной доказанный факт, что в случае, когда надеваются сразу же серёжки из циркония, то, заживление места прокалывания происходит на 2-4 дня раньше, чем если бы вы . Но, и это ещё не всё. Так, те люди, которые постоянно носят на себе изделия из циркония или из его сплавов, отмечают, что их общее состояние организма улучшилось. У тех же, кто страдает заболеваниями кожных покровов, такими как дерматиты, нейродерматиты, детские экземы – проблемных высыпаний становится меньше. Однако, внешнее воздействие циркония на кожные покровы – это ещё не всё. Наблюдается улучшение самочувствие и у тех больных, которые страдают заболеваниями опорно-двигательного аппарата, позвоночника, артритами и артрозами, проблемами с обменными процессами в организме… Причём положительный эффект наблюдается независимо от степени и тяжести заболевания у 95% людей, которые носят такие украшения из циркония.

Применение циркония в хирургии и в стоматологической практике

Учитывая такие свойства циркония и его сплавов, о которых мы писали выше, не удивительно, что сегодня этот металл используют в качестве материала для изготовления стоматологических имплантов, а также во время проведения операций на головном мозге, и для изготовления челюстно-лицевых пластин в пластической хирургии.

Польза циркониевых браслетов

Как выглядит циркониевый браслет

Для того, чтобы циркониевые браслеты выглядели привлекательно, сегодня используется специальная технология нанесения анодных покрытий на такие циркониевые изделия. Благодаря этому, и в зависимости от самой толщины оксидных планок, поверхности браслета приобретают оттенки и цвета, характерные благородным металлам. Поэтому, такой браслет всегда выглядит дорого, оригинально и эксклюзивно. А, благодаря его уникальной выпуклой форме – которая не просто дань моде или ювелирный изыск, происходит воздействие на биологически активные точки, которые находятся на запястьях рук, и тем самым целебная сила такого циркониевого браслета увеличивается. Ведь, действует не только металл, но и работает рефлексотерапия…

Сегодня наиболее известны 2 формы таких браслетов – литая и звеньевая. Примечательно, что специалисты утверждают, что звеньевая форма – намного эффективнее для использования в лечебных целях, ведь, в этом случае сам браслет тяжелее – соответственно циркония в нём тоже больше, чем в монолитном браслете . Да и смотрятся такие браслеты, состоящие из звеньев, намного оригинальнее, чем простая литая форма.

Примечательно, что это украшение могут носить как мужчины, так и женщины…

Кому полезно носить циркониевый браслет

Такие циркониевые браслеты будет полезно носить как здоровым людям для профилактики всевозможных заболеваний и улучшения самочувствии, так и тем, кто страдает повышенным артериальным давлением, головными болями, стрессовыми недомоганиями, депрессиями, имеет проблемы со сном, жалуется на мышечные боли и невралгию, имеет отклонения в работе органов дыхания, проблемы с кожей и аллергические заболевания в анамнезе, тахикардией, сердечной недостаточностью, флебитом, у кого нарушены обменные процессы в организме и видны сбои в работе желудочно-кишечного тракта и почек.

На какой руке носить циркониевый браслет

Примечательно, что в зависимости от того, на какой руке вы будете носить браслет – на правой или на левой, будет зависеть его область воздействия на ваш организм. И, сейчас мы конкретно опишем, кому на какой руке будет полезнее носить такой лечебный браслет.

Ношение циркониевого браслета на правой руке

Благодаря ношению циркониевого браслета на правой руке, вы активизируете точки ян-гу, которые помогают вам избавиться от артериальной гипертензии, головокружения, шума в ушах, проблем со слухом, психических расстройств, болей в локтевом нерве, предплечье, межреберной невралгии, зубной боли, отёка в области шеи. Также происходит активизация точки ян-ляо – она помогает избавиться от проблем со зрением, болей в суставах, предплечье и пояснице. А, вот точка ян-чи помогает бороться с лёгкой формой сахарного диабета, артритом, головными болями и головокружением. Тогда как точка вай-гуань – побеждает лихорадочные состояния и склонность к простудам, заболевания желудочно-кишечного тракта, артриты, шум в ушах, глухоту, неврозы, проблемы со сном, мигрень, артериальную гипотонию и .

Ношение циркониевого браслета на левой руке

Благодаря ношению циркониевого браслета на левой руке, вы активизируете точки тай-юань, цзин-цуй,да-лин, ин-си, шень-мень, тун-ли, которые помогают бороться с артериальной гипотонией, проблемами со сном, депрессиями, заболеваниями желудочно-кишечного тракта, головными болями, артритами, обмороками, отдышкой, повышенной температурой тела, заболеваниями сердечно-сосудистой системы, носовыми кровотечениями, раздражительностью, приступами панических атак…

Созвучные по произношению и похожие на слух слова «циркон» и «цирконий» очень часто воспринимаются как названия одного и того же камня, который нашел широкое применение в изготовлении ювелирных и декоративных украшений. Однако на деле это совершено разные по способу происхождения материалы, которые обладают отличными друг от друга качествами и свойствами.

Принципиальная разница состоит в том, что циркон – это природный минерал, который относиться к подгруппе островных силикатов. Цирконий – химический элемент, имеющий свое место в четвертой группе периодической таблицы системы Менделеева.

Свойства и применение циркона

Циркон относится к благородному семейству самоцветов и имеет радужное сияние, очень сильно напоминающее сверкание бриллианта, из которого ювелиры с незапамятных времен изготавливали самые дорогие и изысканные украшения.

Своим названием камень обязан персидскому слову «zargun», что в переводе на русский язык имеет значение «золотого цвета» или «золотого камня». Основными местами его промышленной добычи считаются острова Шри-Ланка, Таиланд, Мадагаскар и Вьетнам. На территории России самоцвет находят в составе гранита и других пород на Урале и алмазных приисках в Якутии.

Цвет природного циркона может иметь большое количество оттенков и зависит от количества самых различных натуральных примесей, которые находятся в составе минерала. Такими примесями могут быть медь, алюминий, гафний, титан, цинк и железо.

Самыми известными и распространенными окрасками на сегодня можно назвать:

• желтый цвет имеют кристаллы под названием сиамские цирконы или жаргоны;
• голубые оттенки приобретают камни, прошедшие процедуру обжига и называются старлитами;
• насыщенный коричневый или черный цвет имеют минералы, в состав которых входит небольшой процент содержания радиоактивных элементов и носит название малакон;
• циркон, не имеющий цвета, но имеющий характерное радужное бриллиантовое сияние, получил название матарский алмаз.

В природе существует широкий спектр цветовых вариантов циркона коричневых, оранжевых, малиновых и розовых оттенков. Как камень, который часто используют ювелиры для изготовления ювелирных изделий, природный циркон имеет достаточно высокую стоимость, и свойства его сравнимые с сапфирами и рубинами.

Натуральный циркон имеет небольшое радиоактивное излучение, и это позволяет установить подлинность его природного происхождения. Камень не обладает особой механической прочностью и требует бережного отношения при изготовлении и использовании ювелирных украшений.

Лечебные и магические свойства циркона

Традиционно камни циркона наделяют человека магическими свойствами. Необычная форма кристаллов в виде сдвоенной пирамиды, помогает обрести дар предвиденья и даже развить сверхъестественные способности его обладателя. Существует легенда, что кольцо с цирконием носит верховный представитель масонской ложи на левой руке, как символ принадлежности к избранному тайному обществу.

Камень рекомендуется носить людям, деятельность которых связана с финансовыми делами или научной деятельностью. Многие считают, что ювелирные украшения с цирконом способны помочь восстановить запас внутренних сил, привести в равновесие внутренний мир человека и справиться с депрессивным состоянием. Оправа из золота позволяет усилить магические свойства камня. Носить украшения с цирконом рекомендуется представителям зодиакального знака Овнов, Водолеям и Козерогам.

Последователи йоги и других индийских практик, считают циркон камнем, который обладает проекционной энергией Ян. Минерологи объясняют его лечебные свойства необычной формой.

А народные целители во всем мире используют различные цветовые оттенки природного минерала, как средства для лечения и профилактики многих распространенных заболеваний. С течением времени цвет минерала может меняться и приобретать различные цветовые нюансы. Считается, что амулеты из циркона способны восстановить зрение, избавить от лишнего веса и даже привлечь материальный успех.

Самому древнему самородку австралийского циркона, который дожил до наших дней, почти четыре с половиной миллиарда лет. Сегодня очень редко находят крупные кристаллы минерала, в большинстве случаев это небольшие вкрапления в составе других видов пород. Самые большие по размеру образцы удивительного по красоте природного камня имеют огромную ценность, и храниться в известных музейных залах.

Химический элемент цирконий и его применение

Цирконий – это химический элемент, который находится в периодической таблице под номером сорок и представляет собой пластичный металл, имеющий серебристо — белый цвет. Элемент обладает антикоррозийными свойствами, имеет характерный блеск и устойчив к кислотной и щелочной среде.

Формула циркония была получена в 1824 году и долгое время ученые не могли однозначно описать его физические свойства. Только после того, как удалось выделить химический элемент в чистом виде, цирконий получил самые разные способы применения в различных сферах человеческой жизни.

В чистом виде цирконий представляет собой прочный металл по своим свойствам похожий на сталь. Метал цирконий, имеет широкий спектр применения в самых различных направлениях человеческой деятельности:

• как материал для производства отдельных конструктивных элементов ядерных реакторов;
• цирконий является составляющей многих сплавов, которые используются в производстве ракет и других летательных аппаратов;
• входит в состав материалов, на основе которых изготавливаются металлокерамические изделия;
• в машиностроении используются как металл, имеющий высокие антикоррозийные свойства;
• сульфат химического элемента представляет собой дубильное вещество для кожевенной промышленности;
• взвесь порошка металла цирконий применяется при изготовлении пиротехнических средств.

Сплавы циркония с другими металлами улучшают технические характеристики, увеличивают огнеупорность и пьезокерамические свойства материалов. Химический элемент в качестве добавки к другим материалам многократно увеличивает их способность сопротивляться различным агрессивным средам. Соли циркония образованные в результате гидролиза могут входить в состав водных растворов.

Кубический цирконий или фианит

Путаница в терминологии возникла после того, как на основе кубического оксида циркония в семидесятых годах прошлого века был синтезирован искусственный ювелирный камень фианит.

Аналог природного бриллианта имел более низкую цену и произвел в свое время переполох на мировых алмазных торговых биржах. По эстетическим и природным свойствам фианит очень похож на натуральный бриллиант и поэтому получил применение не только в ювелирном деле, но как прочный материал, способный заменить природные алмазы в технических приборах.

Свое название фианит получил от аббревиатуры научного заведения ФИАН – Физического Института Академии Наук. Именно здесь впервые был выращен кубический кристалл оксида циркония. Первоначальной задачей ученых было вырастить кристалл для научных работ, который должен иметь определенные технические характеристики и исключить наличие дефектов, присущих всем природным минералам.

Позднее выяснилось, что искусственный камень прост в обработке, а высокий коэффициент светового преломления позволяет придать ему оттенки, которые не встречаются в природе.

Оптический эффект и мерцающее бриллиантовое сияние позволяет ювелирам изготавливать красивые ювелирные изделия, обрамляя искусственный алмаз в золото или серебро. При этом цена на такие изделия более демократична, чем на ювелирные изделия с натуральными бриллиантами.

За рубежом искусственный камень был запатентован как кубик циркония или иногда называется джевалит, цирконит или даймоновский кристалл.

Многие часто путают понятия циркон и цирконий, но в реальности это совершенно разные по происхождению материалы. В ювелирных изделиях в чистом виде цирконий применяется исключительно в качестве металлических вставок, а к ювелирным камням натурального происхождения этот химический элемент не имеет отношения.

В чистом виде в земной коре не встречается. Его получают из рудных концентратов. С каждым годом цирконий металл все шире используется в различных отраслях – металлургии, энергетике, ядерной энергетике, медицине, ювелирной промышленности, в быту.

Описание и свойства циркония

В природе этот металл распространен в виде химических природных соединений – окислов или солей, которых известно более сорока. В 1789 г. немецкий химик Клапрот из камня гиацинта – драгоценной разновидности циркона, выделил окисел циркония. Долгое время ученым не удавалось получить чистый металл, и лишь в 20-х годах XX века опыты увенчались успехом.

Металлический цирконий был получен методом «наращивания», при котором он откладывался в чистом виде на вольфрамовой раскаленной нити. Цена металла цирконий, полученного таким способом, оказалось довольно высокой. Был разработан более дешевый промышленный способ – метод Кролля, при котором вначале происходит хлорирование двуокиси циркония, а затем восстановление металлическим магнием.

Полученную в результате циркониевую губку переплавляют в прутки и направляют потребителю. Кроме хлоридного способа, существуют и другие основные промышленные способы добычи циркония – щелочной и фторидный. Оказалось, что металл цирконий свойства имеет очень интересные. Как типичный представитель своей группы металлов он обладает довольно высокой химической активностью, только проявляется она не в открытой форме.

Внешне компактный металлический цирконий очень напоминает сталь. В обычных условиях он имеет очень важное качество – не поддается коррозии. В дополнение к этому прекрасно обрабатывается различными способами – прокаткой, , ковкой. Не видимая глазу окисная пленка на поверхности надежно защищает его от атмосферных газов, водяных паров. Только при повышении температуры до 300° эта пленка постепенно разрушается, и при 700° металл полностью окисляется.

Под воздействием воды цирконий не поддается окислению, как многие металлы, а покрывается нерастворимой пленкой, предохраняющей его от коррозии. Компактный цирконий металл фото отличается высокой жаростойкостью, устойчивостью к воздействию аммиака, кислот, щелочей, хорошо задерживает радиацию. Совсем по-другому проявляют себя на воздухе циркониевые стружка и порошок. Эти вещества даже при комнатной температуре могут легко самовоспламениться и нередко взрываются.

Цирконий образует со многими металлами. Добавления его в небольшом количестве значительно улучшает их характеристики – увеличивает прочность, стойкость к коррозии. В то же время добавки других металлов к цирконию только ухудшают его свойства и поэтому применяются крайне редко.

Месторождения и добыча циркония

Рудные залежи циркония рассеяны в разных местах планеты. Он встречается в виде аморфных окислов, солей, а также больших монокристаллов, вес которых иногда бывает свыше одного килограмма. Богатые запасы руды расположены в Австралии, Северной Америке, Западной Африке, Индии, ЮАР, Бразилии. В России существенные запасы циркониевого сырья сосредоточены на Урале и в Сибири.

Наиболее значительное использование в промышленности имеют циркон, силикат циркония, двуокись циркония, бадделеит. Самым распространенным циркониевым минералом на планете является циркон. Он знаком человечеству с древнейших времен. В Средние века ювелиры нередко изготавливали украшения из «несовершенных алмазов» – так называли в те времена цирконы. После огранки они были более мутными, сияли и переливались не так, как натуральные алмазы.

Встречаются опасные радиоактивные цирконы, ношение украшений из которых очень плохо влияет на здоровье. Более безопасными считаются камни небольших размеров, слабо окрашенные и относительно прозрачные. Цирконы бывают различной окраски. Так, гиацинт может быть медово-желтого, красного, розового цвета, старлайт – небесно-голубого.

Крупных размеров интенсивно окрашенные цирконы, особенно зеленые и непрозрачные, могут вызвать повышенный уровень радиации. Такие камни запрещено хранить дома в коллекциях, подвергать , перевозить в больших количествах. Несмотря на то что по распространенности в природе среди металлов цирконий занимает 12-е место, он долгое время был менее популярен по сравнению даже с редкими радиоактивными. Объясняется это тем, что месторождения его крайне рассеяны и не встречается крупных залежей.

Часто в руде цирконий соседствует с гафнием, который по свойствам близок к нему. Отдельно каждый из этих металлов имеет привлекательные характеристики, но совместное присутствие делает их непригодными для использования. Чтобы их разделить, используют многоступенчатую очистку, которая значительно удорожает производство пластичного циркония.

Применение циркония

Благодаря таким важным качествам, как устойчивость к коррозии, щелочам, кислотам цирконий широко применяется в разных отраслях. Так, в металлургии он используется для легирования сталей и улучшения качества сплавов. В порошкообразном виде применяется в пиротехнике и производстве боеприпасов – дистанционных бомб, трассирующих пуль, осветительных ракет.

Четвертая часть получаемого концентрата циркония потребляется в производстве , глазури, бытовой и электротехнической керамики. Очищенный от гафния цирконий в виде сплавов используют в ядерных реакторах в качестве конструкционного материала. Широкое распространение получил этот металл в медицине и быту. Тонкая циркониевая пластина задерживает излучение в рентгеновском отделении намного сильнее, чем свинцовые фартуки.

Цирконий металл лечебные свойства

Для лечения переломов костей в клиниках травматологии применяют имплантаты из циркониевых сплавов. По сравнению с титановыми и нержавеющими они обладают значительными преимуществами: биологической совместимостью (отсутствием аллергической реакции и отторжения), высокой коррозионной стойкостью, прочностью, пластичностью, легкостью.

В челюстно-лицевой хирургии используют циркониевые инструменты и имплантаты, такие как скобы, пластины, сверла, винты, зубные протезы, кровоостанавливающие зажимы, нити для наложения швов. Цирконий и его сплавы не вызывают раздражения при воздействии на кости и ткани.

Цирконий металл в ювелирных изделиях благотворно влияет на общее состояние организма человека. Установлено, что ношении циркониевых после прокалывания уха способствует быстрому заживлению ранки и никогда не вызывает ее загнивания.

При регулярном ношении изделия из циркония оказывают положительное действие на здоровье. Хорошие результаты дает ношение циркониевых и поясов при таких заболеваниях кожи, как экземы у детей и взрослых, дерматиты, псориазы. Наступает значительное улучшение состояния у больных, имеющих проблемы в опорно-двигательном аппарате.

Цена циркония

Металл продается на килограмм. Поставляется в виде трубы, прутка, полосы, проволоки, листа и др. Стоимость зависит от фирмы-изготовителя и марки изделия.

Цирконий (Zr) — элемент с атомным номером 40 и атомным весом 91,22. Является элементом побочной подгруппы четвёртой группы, пятого периода периодической системы химических элементов Дмитрия Ивановича Менделеева. Цирконий в свободном состоянии при нормальных условиях представляет собой блестящий серебристо-белый металл плотностью 6,45 г/см3. Чистый, не содержащий примесей цирконий очень пластичен и с легкостью поддается холодной и горячей обработке. Как и многие другие металлы, включая своего соседа по группе — титан, цирконий, содержащий примеси неметаллов (особенно кислород), резко ухудшает свои механические свойства. Например, для надежной работы ядерного реактора необходимо, чтобы в расщепляющихся материалах такие «опасные» примеси, как бор, кадмий и другие, содержались в количествах, не превышающих миллионных долей процента. Чистый цирконий — один из лучших конструкционных материалов для атомных реакторов — становится совершенно непригодным для этой цели, если в нем содержится даже незначительная примесь гафния, который не имеет собственных минералов и в природе обычно сопутствует цирконию.

Науке известно пять природных изотопов циркония: 90Zr (51,46 %), 91Zr (11,23 %), 92Zr (17,11 %), 94Zr (17,4 %), 96Zr (2,8 %). Из искусственно полученных радиоактивных изотопов циркония важнейшим является 95Zr, период полураспада которого 65 суток. Он нашел применение в качестве изотопного индикатора.

В 1789 году немецкий химик Мартин Генрих Клапрот выделил двуокись циркония в результате анализа минерала циркона. В виде порошка впервые цирконий был получен гораздо позже — в 1824 году Йенсом Якобом Берцелиусом, а пластичный цирконий получили только в 1925 году голландские ученые А. ван Аркел и И. де Бур вследствие термической диссоциации иодидов циркония.

Одно из наиболее ценных свойств металлического циркония - его высокая стойкость против коррозии в различных средах. Например, он не растворяется в азотной и соляной кислотах и в щелочах. На этом свойстве металла № 40 основано легирование сталей цирконием. Так многокомпонентные магниевые сплавы с добавкой циркония становятся более коррозионно-устойчивыми. Цирконий повышает стойкость титана к действию кислот. Кроме того, стали, легированные цирконием, не теряют необходимой вязкости в широком интервале температур, они хорошо сопротивляются ударным нагрузкам. Повышается прочность легированных сталей. Добавка циркония к меди значительно повышает ее прочность, почти не снижая электропроводность. Сплав на основе магния с добавкой нескольких процентов цинка и всего нескольких десятых процента циркония вдвое прочнее чистого магния и не теряет прочности при 200° C. Качество алюминиевых сплавов также значительно повышается при добавлении к ним циркония.

Цирконий почти не захватывает медленные (тепловые) нейтроны. Именно на этом его свойстве в сочетании с высокой стойкостью против коррозии и агрессивных сред, механической прочностью при повышенных температурах основано его и сплавов на его основе активное использование в конструировании энергетических атомных реакторов.

При производстве сталей присадки циркония служат для удаления из нее кислорода, азота, серы. Также цирконий используется в качестве легирующего компонента некоторых броневых, нержавеющих и жаропрочных сталей.

На таком известном свойстве циркония, как активное поглощение газов в нагретом состоянии, основано его применение при спекании порошков металлов, а также в электровакуумной технике. Так при температуре 300° C цирконий поглощает водород, а при 400° C и выше взаимодействует с кислородом и азотом.

Биологические свойства

Напрямую цирконий не играет важных биологических ролей в жизнедеятельности человеческого организма. Он не является биоэлементом, не входит в структурный материал клеток — не является жизненно важным микроэлементом. Вполне возможно, что это связано со слабой изученностью всех свойств данного металла, ведь постепенно, год за годом, цирконий раскрывает все новые и новые качества, связанные с влиянием этого элемента на организм и здоровье людей.

В настоящее время в клиниках травматологии и челюстно-лицевой хирургии для лечения множественных переломов костей применяется метод фиксаторов (имплантантов), которые точно и прочно фиксируют обломки костей совершенно, исключая даже самые малые сдвиги, что способствует скорейшему срастанию костных тканей и быстрому заживлению послеоперационной раны.

В мировой практике производители имплантантов применяют для изготовления пластин и винтов нержавеющую сталь и титановые сплавы. В нашей стране были разработаны и освоены имплантанты из циркониевых сплавов марок Э125 и Э110, которые не уступают лучшим зарубежным образцам. Скорее наоборот - использование имплантантов из циркониевых сплавов предоставляет ряд преимуществ: высокая коррозионная стойкость материала; отличная биологическая совместимость (отсутствие аллергических реакций и отторжения), благодаря которой, отпала необходимость в повторном хирургическом вмешательстве для извлечения имплантантов; высокие прочностные свойства циркониевых сплавов. Относительно невысокая плотность сплава позволяет облегчить конструкцию имплантанта; превосходная пластичность обеспечивает более точную подгонку гибом имплантанта по контуру кости.

Перечень инструментов и имплантантов для челюстно-лицевой хирургии и нейрохирургии весьма широк: более двух десятков видов пластин и скоб, кортикальные винты для крепления, кровоостанавливающие зажимы, сверла и даже нити для наложения швов при операциях мозга!

Элемент № 40, как и его сплавы, не обладает раздражающим действием на окружающие мягкие ткани и кость, отлично совместим с биологическими тканями, а также оказывает особое влияние на них. Медики установили, что ношение сережек из циркония заживление ранки мочки уха после прокалывания происходит на 2-3 дня раньше, чем при ношении сережек из золота. Кроме того, люди, постоянно носящие бижутерию, изготовленную с применением циркония или цирконов, отмечали значительное улучшение своего общего состояния в целом. Опыты дали положительные результаты при лечении циркониевыми браслетами, поясами и пластинами кожных заболеваний: дерматитах, нейродерматитах, детских экземах, при заболеваниях опорно-двигательного аппарата, отделов позвоночника, артритах и артрозах обменного генеза, переломах верхних и нижних конечностей и других заболеваниях. Положительный эффект наблюдается более чем у 90 % пациентов.

Здоровая половина испытуемых не почувствовала каких-либо отрицательных влияний от ношения браслетов, но отметила улучшение общего состояния здоровья.

Таким образом, можно утверждать, что циркониевые браслеты и прочая бижутерия из этого металла, его сплавов и минералов не является панацеей от всех болезней, однако определенный оздоровительный эффект на человеческий организм имеет. Во всяком случае - не приносит вреда.

Средневековые ювелиры часто использовали при создании уникальных украшений так называемые ими «несовершенные алмазы». Немногим отличались эти «алмазы» от настоящих драгоценных камней - несколько мягче и слегка мутнее, что не позволяло ограненному камню сиять и переливаться, как алмаз. Были у этих камней и более определенные имена: матарские алмазы – по месту их добычи – местности Матаре (Маттураи) на острове Шри-Ланка. Жаргон или цейлонский жаргон — желтые, соломенно-желтые и дымчатые цирконы. Их также называют сиамскими алмазами. Старлит или старлайт - циркон с природной или полученной после термохимической обработки небесно-голубой окраской. Гиацинт - прозрачный медово-желтого, красно-коричневого, красно-бурого, красного, розового цветов циркон. Окраска этого камня напоминает гиацинт - цветок, выращенный, по древнегреческому мифу, Аполлоном из тела (или крови) прекрасного юноши Гиацинта, любимца Аполлона, убитого богом ветра Зефиром.

Конечно же, средневековые мастера не знали, что работают с минералом циркония – монокристаллами циркона.

Цирконий имеет очень малое сечение захвата тепловых нейтронов. Поэтому металлический цирконий, не содержащий гафния, и его сплавы применяются в атомной энергетике для изготовления тепловыделяющих элементов, тепловыделяющих сборок и других конструкций ядерных реакторов. Так на первой американской атомной подводной лодке «Наутилус» был установлен реактор, полностью изготовленный из циркония. Позже выяснилось, что выгоднее делать из циркония оболочки топливных элементов (ТВЭЛов), а не стационарные детали активной зоны реактора.

Добавки циркония при легировании сталей увеличивают прочностные характеристики сплава. Так опытные образцы сталей не легированных цирконием разрушаются при нагрузке менее тонны, сталь того же состава, но с добавкой всего 0,1 % циркония выдерживает нагрузку выше полутора тонн!

Технические условия на цирконий так называемой «реакторной чистоты» допускают присутствие в нем не больше 0,02 % гафния. Но и такие гомеопатические дозы вечного спутника циркония довольно существенно - в шесть с половиной раз - снижают нейтронную прозрачность циркония!

Двуокись циркония обладает очень интересным свойством: сильно нагретая, она излучает свет настолько интенсивно, что может быть использована в осветительной технике. О таком свойстве диоксида циркония первым узнал известный немецкий физик Вальтер Герман Нернст. На основе этого необычного явления физик сконструировал лампу, впоследствии получившей имя «лампа Нернста», в которой стержни накаливания были изготовлены из двуокиси циркония.

Весьма интересное применение нашел тетрахлорид циркония. Электропроводность пластинки из этого вещества меняется в зависимости от давления, которое на нее действует. На этом принципе основана работа универсального манометра - прибора, измеряющего давление. При самом малом изменении давления меняется и сила тока в цепи прибора, шкала которого отградуирована в единицах давления. Такие манометры крайне чувствительны к изменениям давления, поэтому с их помощью можно определять давление от стотысячных долей атмосферы до тысяч атмосфер!

Дождевые плащи обязаны своим влагоотталкивающим свойствам солям циркония, которые входят в состав особой эмульсии для пропитки тканей. Соли циркония применяют также для изготовления цветных типографских красок, специальных лаков, пластических масс. В качестве катализатора соединения циркония используют при производстве высокооктанового моторного топлива. Сернокислые соединения этого элемента славятся отличными дубильными свойствами.

История

На самом деле история известности циркония человечеству довольно давняя — еще во времена господства Рима в Иудеи первосвященники носили в своих украшениях гиацинт - кристаллы циркона - основного минерала циркония. Этими кристаллами часто украшали свои изделия и средневековые ювелиры разных государств. Особую популярность украшения с цирконами приобрели в Индии в XV - XVI веках и в тридцатые годы XIX века.

Добывался этот минерал, содержащий цирконий, на острове Цейлон, с которого впоследствии купцы вывозили его в изобилии во многие страны. Такую незаурядную популярность эти кристаллы получили благодаря своей разнообразной и очень красивой окраске: от прозрачно-бесцветного и бледного желто-коричневого, переходящего в серо-зеленый до кроваво-красного. Именно красный циркон ювелиры называли гиацинтом (старинное название - перадоль), считая его одной из разновидностей топаза или рубина, сходных с ним по химическому составу. Лишь в конце XVIII века гиацинт получил свое современное название - циркон Zr, дал ему это имя минералог Вернер.

Именно один из таких цирконов с Цейлона попал в руки М. Г. Клапрота - члена Берлинской академии наук. В 1789 году он провел исследования драгоценного камня по собственно разработанной им методике и в том же году опубликовал результаты анализа. Клапрот получил вещество, которое назвал «цирконовой землей». Он сплавил порошок циркона с едкой щелочью в специальном серебряном тигле, затем растворил сплав в серной кислоте. Далее химик выделил из раствора кремнекислоту и железо, после чего получил кристаллы соли, а уже из них окисел (ту самую землю), названную им «циркония» (Zirconerde).

При таком наименовании Клапрот скорее всего отталкивался от следующих персидских понятий: «zar» («цар») - золото и «gun» («гун») - цвет, то есть дословно - «золотисто окрашенный». Из следующих соображений можно догадаться, что минерал, находившийся в руках химика, имел золотисто-коричневую окраску. Другое предположение о происхождения названия отталкивается от арабского слова «zarkun» - киноварь, минерал. Как видите, слова очень похожи, а это значит, что именно от их значений происходит название металла.

В русских источниках названия схожи, хотя имеют небольшие различия. Так у Шерера (1808) металл назван «циркон», Захаров (1810) придерживается той же формулировки, Двигубский (1824) более оригинален - «основание цирконной земли» или «цирконий», Страхов (1825) называет металл «цирконь».

Оксид циркония (II) выделил и Гитон де Морово только уже из гиацинта, найденного во Франции.

Металлический циркон (с очень большой долей примесей) впервые смог получить Й. Я. Берцелиус в 1824 году путем восстановления фтор-цирконат калия металлическим натрием:

К2 + 4Na → Zr + 2KF + 2NaF

В результате был получен серебристо-серый металл, который был настолько хрупким, что не поддавался обработке. Причиной всему было большое содержание примесей. Вследствие чего применение данный элемент не получил. Долго ученые разных стран пытались решить проблему чистоты металла. Лишь в 1914 году удалось получить относительно чистый цирконий, а металл, поддающийся обработке (ковке, вальцовке, прокатке) примерно так же, как медь, смогли выделить лишь в 1925 году нидерландские химики ван Аркель и де Бур. Они отошли от традиционного и всеми используемого метода электролиза, воспользовавшись своим новым методом «наращивания», который заключался в том, что летучее соединение (в их случае это был тетрайодид циркония ZrI4) подвергалось термическому распаду в вакууме, а на раскаленной нити вольфрама оседал чистый металл.

Нахождение в природе

Цирконий — довольно распространенный элемент: содержание его в земной коре составляет 0,025 % по массе. Среди металлов по распространенности он занимает двенадцатое место. Однако цирконий сильно распылен и сколько-нибудь значительные скопления его встречаются редко. Так в основных породах его содержание не превышает 1,3.10-2 %; в гранитах, песчаных и глинистых почвах этот элемент встречается гораздо чаще - 2 10-2 %, но наиболее распространен цирконий в щелочных породах - 5 10-2 %, что даже выше, чем среднее содержание в земной коре вообще. Чаще всего его можно встретить в виде различных химических соединений, которые в свою очередь залегают в литосфере, ведь цирконий - литофильный элемент. В природе известны его соединения исключительно с кислородом в виде окислов и силикатов. Несмотря на то, что цирконий, рассеянный элемент, насчитывается около 40 минералов, в которых цирконий присутствует в виде окислов или солей. Из-за такой рассеянности по породам и отсутствия больших залежей цирконий используется гораздо меньше, чем действительно редкие металлы. Этот металл является слабым водным мигрантом - в морской воде содержание циркония не превышает 0,00005 мг/л. В биологической среде он тоже не распространен.

В природе распространены главным образом циркон ZrSiO4, в котором 67,1 % ZrO2, бадделеит ZrO2 и различные сложные минералы: эвдиалит (Na,Ca)6ZrOH(Si3O9)2(OH,Cl)2 и др.

Циркон - самый распространенный циркониевый минерал, известный с древнейших времен, когда его именовали гиацинт, азорит, ауэрбахит, энгельгардит и другими именами. Циркон является островным силикатом, встречается во всех типах пород, но наиболее характерен для гранитов и сиенитов. Минерал представляет собой хорошо образованные кристаллы, вид которых изменяется в зависимости от условий формирования, так в гранитах и гранитных пегматитах встречаются кристаллы длиннопризматического характера, а в щелочных и метасоматических породах - дипирамидального типа. Так же можно обнаружить «двойников», «коленчатых двойников», радиально-лучистые и сноповидные срастания.

Зачастую кристаллы имеют сравнительно небольшие размеры (всего несколько миллиметров), но бывают и исключения массой в десятки и даже сотни каратов. В Северной Каролине в графстве Гиндерсон были обнаружены кристаллы циркона длиной несколько сантиметров. На Мадагаскаре нередки находки весом в несколько килограмм. В Соединенных Штатах Америки в Смитсоновском институте хранятся несколько цирконов, привезенных с острова Шри-Ланка. Они различаются по цвету и массе: самый большой циркон – коричневый весит 118,1 карата; желто-коричневый 97,6; желтый 23,5, бесцветный 23,9. Там же можно увидеть большие кристаллы из Бирмы и Тайланда. Богатыми коллекциями больших цирконов могут похвастать и Лондонский геологический музей, и Американский музей естественной истории в Нью-Йорке, и Канадский музей в Торонто. Немало крупных и очень красивых цирконов было добыто на Урале.

Зачастую цирконы содержат множество примесей: железо, алюминий, редкоземельные металлы, гафний, бериллий, уран и прочие. В связи с этим ученые выделяют несколько разновидностей циркона: малакон, цитролит, альвит, аршиновит и многие другие.

Минерал бадделеит, в отличие от циркона, был обнаружен сравнительно недавно - в 1892 году в Бразилии. Там же расположено основное месторождение этого минерала - Посус-ди-Калдас. Некоторые находки этого месторождения просто поражают - одна из глыб бадделеита, извлеченная из породы весила 30 тонн! Вдоль берегов рек и ручьев встречается бадделеит в виде аллювиальной гальки диаметром до 7,5 мм, которая содержит свыше 90 % двуокиси циркония. За свой внешний вид эта галька была прозвана местными старателями «фавас», что по-португальски значит «боб» (fava).

Применение

Области применения циркония и содержащих его минералов крайне разнообразны, они связаны с отраслями высоких технологий и в то же время с производством самых обычных потребительских товаров.

Первым потребителем циркония стала металлургия — сначала черная, затем цветная. Это связано с рядом свойств сорокового элемента. Благодаря большому сродству к кислороду, азоту, сере и фосфору сплав циркония с железом и кремнием или с алюминием и кремнием применяют в качестве раскислителя и очистителя стали.

Цирконий широко используется в качестве легирующего элемента, ведь добавка его к другим металлам придает им особые свойства - жаропрочность, кислотоупорность и многие другие. Кроме вновь приобретенных свойств сплавы с цирконием повышают свою механическую прочность, что способствует увеличению их рабочего ресурса и расширению возможностей использования в различных областях. Стоит привести несколько примеров таких сплавов и области их применения.

Ферроцирконий (сплав циркония с железом), содержащий до 20 % Zr, применяется в металлургии как раскислитель и дегазатор для стали. Химики и металлурги выяснили, что добавка циркония к железным сплавам, оказывает такое же влияние, как и введение в них кремния: улучшается качество нержавеющих и жароупорных сталей, повышается механическая прочность и свариваемость сталей.

Еще один сплав циркония, широко применяемый в черной металлургии наряду с ферроцирконием - сплав с кремнием. Этот сплав используют для дегазации сталей, ведь цирконий является энергичным раскислителем и рафинирующей добавкой, его введение быстро восстанавливает металлические окислы и удаляет азот.

Медноциркониевые сплавы используются для изготовления токопроводящих деталей электротехнической аппаратуры, нагревающихся во время работы. Введение циркония практически не влияет на высокую электропроводимость меди, но значительно повышает прочность и термостойкость сплава.

Сплавы магния с цирконием обладают хорошими механическими и физическими свойствами - считаются наиболее пригодными для конструкционных целей.

Сплавы алюминия с цирконием (до 3 % Zr) являются коррозионноустойчнвыми, они находят свое применение в сетках катодных электровакуумных ламп.

Наибольшее значение цирконий, очищенный от гафния, приобрел в качестве конструкционного материала в ядерных реакторах. Высокая коррозионная устойчивость в сочетании с механической прочностью, высокой температурой плавления и малым эффективным поперечным сечением поглощения тепловых нейтронов позволили в последнее время широко использовать цирконий для покрытия тепловыделительных элементов (ТВЭЛов).

Низкий и равномерный коэффициент термического расширения, высокая сопротивляемость коррозии, а также высокая механическая прочность и химическая стойкость обусловили применение циркония для изготовления высококачественной химической аппаратуры, медицинского оборудования, имплантантов и нитей для нейрохирургии.

Изоляторы в высокочастотном оборудовании, изготовленные из материалов, содержащих цирконий, значительно снижают потери энергии.

Порошкообразный цирконий используется преимущественно при изготовлении осветительных ракет, детонаторов, снарядных взрывателей и дистанционных бомб.

Но все же большая часть добываемого циркониевого сырья (около 90 %) используется в минеральной форме в виде циркона, который содержит до 66 % диоксида циркония (ZrO2). Благодаря своим свойствам - высокая температура плавления (более 2700° С), малый коэффициент термического расширения и стойкость к химическим воздействиям - ZrO2 стал широко применяться в самых разнообразных областях. Он обширно используется при получении термозащитных покрытий, высокоогнеупорных изделий, твердых электролитов, жаростойких эмалей, тугоплавких стекол, различных видов керамики, керамических пигментов, катализаторов, режущих инструментов и абразивных материалов, искусственных драгоценных камней. В последнее десятилетие с бурным развитием электроники и компьютерной техники, а также различных средств связи, диоксид циркония начал широко применяться в волоконной оптике и производстве керамики, используемой в электронике.

Карбид циркония ZrC ввиду его большой твердости применяют в качестве шлифовального материала, а также для замены алмазов при резке стекла.

Производство

Главным сырьевым источником промышленного производства металлического циркония является минерал циркон ZrSiO4.

Основные методы получения металлического циркония можно разделить на три группы: 1) методы восстановления; 2) методы термической диссоциации и 3) электролитические методы.

Прежде всего, циркониевые руды проходят этап обогащения, для чего применяется гравитационный способ с очисткой концентрата электростатической и магнитной сепарацией. Металлический цирконий производят из его соединений, которые получают разложением концентрата. При этом возможны следующие варианты:

а) спекание с известью или карбонатом кальция с добавлением CaCl2 при температурах свыше 1100° С:

ZrSiO4 + ЗСаО = CaZrO3 + Ca2SiO4

б) спекание с содой при температуре более 1000° С или сплавление с едким натром (температура должна быть выше 500° С):

ZrSiO4 + 2Na2CO3 = Na2ZrO3 + Na2SiO3 + 2CO2

Из сплава или спека, произведенных щелочным вскрытием, прежде всего, убирают соединения кремния выщелачиванием водой или разбавленной соляной кислотой, после чего остаток разлагают соляной или серной кислотами. В результате получаются оксихлорид и сульфаты соответственно.

в) спекание с фторосиликатом калия при температурах близких к 1000° С:

ZrSiO4 + K2SiF6 = K2ZrF6 + 2SiO2

Получившийся фторцирконатный спек прогревают и омывают подкисленной водой, фторцирконат калия переходит в воду, при охлаждении раствора большая часть (75-90 %) его выделяется.

г) хлорирование с углем при температуре около 1000° С, при этом возможна предварительная карбидизация при температуре от 1700 до 1800° С, предназначенная для удаления большей части кремния в виде легколетучего оксида (SiO). В результате получается хлорид циркония ZrCl4, который возгоняется и усиливается.

Из полученных кислых растворов выделяются соединения циркония по следующим методам:

а) гидролитическое осаждение основных сульфатов циркония хZrO2.ySO3 zH2O из сернокислых или солянокислых растворов;

б) кристаллизация оксихлорида циркония ZrOCl2 8H2O при выпаривании солянокислых растворов;

в) кристаллизация сульфата циркония Zr(SO4)2 при добавлении концентрированной серной кислоты или при выпаривании сернокислых растворов. В результате прокаливания сульфатов и хлоридов получают ZrO2.

Все соединения циркония, полученные из концентратов, всегда содержат гафний. Очищение циркония от него довольно трудоемкий и дорогостоящий процесс. Цирконий отделяется от своего постоянного спутника фракционной кристаллизацией K2ZrF6, экстракцией из кислых растворов органических растворителями (например, трибутилфосфатом), ионообменными методами, избирательным восстановлением тетрахлоридов (ZrCl4 и HfCl4).

Существует метод «наращивания», разработанный голландскими учеными ван Аркелем и де Буром. Он заключается в том, что летучее соединение (тетрайодид циркония ZrI4) подвергается термическому распаду в вакууме и на раскаленной нити вольфрама откладывается чистый металл. В двадцатых годах прошлого века этот метод был широко распространен, но высокая стоимость циркония, полученного этим методом, сильно ограничивала области его применения. Поэтому появилась необходимость в разработке нового, более дешевого способа получения циркония. Таким способом стал усовершенствованный метод Кроля. Схема этого производства предусматривает две основные стадии: двуокись циркония хлорируется, а полученный четыреххлористый цирконий восстанавливается металлическим магнием под слоем расплавленного металла. Конечный продукт — циркониевая губка переплавляется в прутки и в таком виде направляется потребителю.

Физические свойства

В свободном металлическом виде цирконий был выделен, как мы знаем, давно — в 1824 году шведским химиком Иенсом Берцелиусом. Получить же элемент высокой степени чистоты не удавалось в течение долгих десятилетий, именно поэтому изучить физические свойства этого металла не представлялось возможным. Только в середине двадцатого века ученым удалось получить цирконий свободный от примесей. Выяснилось, что в цирконии, порой в очень больших количествах, присутствует гафний - постоянный спутник этого металла, который ранее не был замечен из-за сходных с цирконием химических свойств.

Чистый цирконий имеет облик типичного металла - блестящий серебристо-серый цвет, напоминающий сталь, но отличающийся от нее большей прочностью и пластичностью. Причем последнее качество, как заметили металлурги, напрямую зависит от количества содержащегося в цирконии кислорода. Так, если в расплавленный жидкий цирконий попадает более 0,7 % кислорода, то металл будет хрупким из-за образования твердых растворов кислорода в цирконии, свойства которых сильно отличаются от свойств чистого металла. Такое же действие оказывают примеси азота, углерода и водорода. Плотность чистого циркония при 20 ° C составляет 6,45 г/см3, твердость по Бринеллю 640-670 Мн/м2 или 64-67 кгс/мм2. На твердость большое влияние имеет присутствие примесей (особенно кислорода), которые повышают твердость циркония, снижая его хрупкость. Так при содержании кислорода более 0,2 % цирконий не поддается холодной обработке давлением. Предел прочности циркония при растяжении 253 Мн/м2 или 25,3 кгс/мм2, модуль упругости при 20° С = 97 Гн/м2 или 9700 кгс/мм2.

Цирконий - металл высоких температур: температура плавления (tпл) высокочистого циркония 1845° C, температура кипения (tкип) 3580-3700° C. Двуокись же циркония ZrO2 - одно из самых тугоплавких веществ природы. Она плавится при температуре 2680° С! Такие свойства металла и его диоксида обусловили их применение в металлургии: легирование жаропрочных и жаростойких сталей цирконием, использование ZrO2 в изготовлении огнеупоров.

К выше приведенным тепловым характеристикам циркония стоит добавить следующие: удельная теплоёмкость в температурном коридоре 25-100° С = 0,291 кДж/(кг∙К) или 0,0693 кал/(г∙°С); коэффициент теплопроводности при 50° С = 20,96 вт/(м∙К) или 0,050 кал/(см∙сек∙°С); температурный коэффициент линейного расширения при температурах 20-400° С = 6,9∙10-6. Температура перехода в состояние сверхпроводимости 0,7К.

Для металлического циркония характерны две аллотропные модификации: α-модификация, имеющая гексагональное строение и устойчивая при температурах ниже 863° C и β-модификация, имеющая решетку пространственно центрированного куба и устойчивая при температуре выше 863° C. Таким образом переход α-модификации в β-модификацию происходит при этой пограничной температуре 863° C. Причем добавки алюминия, свинца, олова и кадмия повышают температуру перехода из одного состояния в другое, а добавки железа, хрома, никеля, молибдена, меди, титана и некоторых других металлов - понижают.

Удельное электрическое сопротивление циркония высокой степени чистоты при температуре 20° С = 44,1 мком∙см. Цирконий парамагнитен, его удельная магнитная восприимчивость увеличивается при нагревании металла. Так при температуре -73° C удельная магнитная восприимчивость циркония равна 1,28° C, а при 327° C - 1,41° C.

Наиболее ценное свойство чистого циркония - малое поперечное сечение захвата тепловых нейтронов (0,18 барна). Оно намного меньше, чем у других металлов - железо (2,53 барна), никель (4,60 барна) или медь (3,69 барна). Хотя многие более дешевые металлы имеют сечение захвата такого же порядка: у олова 0,65 барна, у алюминия – 0,22 барна, а у магния и того меньше – всего 0,06 барна. Однако все перечисленные металлы легкоплавки и нежаропрочны в отличие от циркония. Поэтому именно этот металл используется как конструкционный при строительстве реакторов.

Химические свойства

Одно из самых замечательных свойств циркония — это его высокая коррозионная стойкость по отношению ко многим агрессивным средам. По способности сопротивляться коррозии цирконий превосходит такие стойкие металлы, как ниобий и титан. При обычных условиях цирконий инертен по отношению к атмосферным газам и воде, не реагирует с соляной и серной (концентрацией до 50 %) кислотами. При проведении опытов было установлено, что нержавеющая сталь теряет в пятипроцентной соляной кислоте при 60° С примерно 2,6 миллиметра в год, титан - около 1 миллиметра, а цирконий - в 1000 раз меньше. Самое большое сопротивление цирконий оказывает щелочам, это единственный металл стойкий в щелочах, содержащих аммиак. По сопротивлению агрессивным средам цирконию уступает даже тантал - один из самых мощнейших борцов с коррозией.

Такая сопротивляемость легко объясняется химическими свойствами циркония, а точнее образованием защитной оксидной пленки на его поверхности, которая предохраняет металл от дальнейшего разрушения. Чтобы полностью окислить цирконий придется нагреть его до 700° C, только тогда пленка частично разрушится, частично растворится в металле. Получается, что именно температура в 700° C - граница, за которой заканчивается химическая стойкость элемента под номером 40. Но и до этой границы цирконий при нагреве уже до 300° C и выше начинает активнее реагировать с кислородом и прочими составляющими атмосферы. В итоге, образуя с водяными парами двуокись и гидрид, с углекислым газом - карбид и двуокись, с азотом - нитрид циркония. До этой же температуры цирконий надежно защищен окисной пленкой, которая гарантирует высокую химическую стойкость циркония.

И все же цирконий взаимодействует с кислотами, это происходит, если возможно образование анионных комплексов. Так при температуре выше 100° C он взаимодействует со смесью азотной и плавиковой кислот и царской водкой:

3Zr + 4HNO3 + 18HF = 3H2 + 4NO + 8H2O

3Zr + 4HNO3 + 18HCl = 3H2 + 4NO + 8H2O

Растворяется в плавиковой и горячей концентрированной (выше 50 %) серной кислотах:

Zr + 6HF = H2 + 2H2

Совершенно иначе на воздухе ведет себя цирконий в виде стружки или порошка. В отличие от компактного металлического циркония эти пироморфные вещества легко самовоспламеняются на воздухе уже при комнатных температурах. Такой процесс является экзотермическим и происходит с большим выделением теплоты. Пылевидный цирконий в смеси с воздухом способен взрываться.

Необычно взаимодействие циркония и с водой. Большинство металлов при контакте с водой подвергаются гальванической коррозии, которая заключается в переходе их катионов в воду. Цирконий же, как и при реакции на кислород, взаимодействуя с водой, покрывается защитной пленкой, которая не растворима. Таким образом, благодаря свойствам своей защитной пленки цирконий защищен от водной коррозии.

При нагревании цирконий начинает взаимодействовать с газами. Так при температурах выше 800° C компактный цирконий начинает активно поглощать кислород:

С азотом цирконий начинает взаимодействовать при температурах 700-800° C с образованием нитрида: ZrN.

При температуре выше 300° C цирконий начинает поглощать водород, образуя твердый раствор и гидриды ZrH и ZrH2. При 1200-1300° С в вакууме гидриды диссоциируют и весь водород может быть удален из металла.

При нагреве цирконий также начинает реагировать с неметаллами. При температуре выше 900° С происходит взаимодействие с углеродом с образованием карбида ZrC. С хлором, йодом и бромом цирконий реагирует уже при 200° С, образуя высшие галогениды ZrX4 (где X - галоген). С фтором взаимодействие происходит при обычной температуре.

В 1789 г. член Берлинской академии наук Мартин Генрих Клапрот опубликовал результаты анализа драгоценного камня, привезенного с берегов Цейлона. В ходе этого анализа было выделено вещество, которое Клапрот назвал цирконовой землей. Происхождение этого названия объясняют по-разному. Одни находят его истоки в арабском слове «заркун», что значит минерал, другие считают, что слово «цирконий» произошло от двух персидских слов «цар» – золото и «гун» – цвет (из-за золотистой окраски драгоценной разновидности циркона – гиацинта).

Как получали и получают цирконий

Выделенное Клапротом вещество не было новым элементом, но было окислом нового элемента, который впоследствии занял в таблице Д.И. Менделеева сороковую клетку. Пользуясь современными символами, формулу вещества, полученного Клапротом, записывают так: ZrO 2 .

Через 35 лет после опытов Клапрота известнейшему шведскому химику Йенсу Якобу Берцелиусу удалось получить металлический цирконий. Берцелиус восстановил фторцирконат калия металлическим натрием:

К 2 + 4Na → Zr + 2KF + 2NaF

и получил серебристо-серый металл.

Цирконий, образовавшийся в результате этой реакции, был хрупким из-за значительного содержания примесей. Металл не поддавался обработке и не смог найти практического применения. Но можно было предположить, что очищенный цирконий, подобно многим другим металлам, окажется достаточно пластичным.

В XIX и начале XX в. многие ученые пытались получить чистый цирконий, но все попытки долгое время заканчивались неудачей. Не помог испытанный алюмотермический метод, не привели к цели опыты, авторы которых стремились получить металлический цирконий из растворов его солей. Последнее объясняется в первую очередь высоким химическим сродством циркония к кислороду.

Для того чтобы можно было получить какой-либо металл электролизом из раствора его соли, этот металл должен образовывать одноатомные ионы. А цирконий таких ионов не образует. Сульфат циркония Zr(SO 4) 2 , например, существует только в концентрированной серной кислоте, а при разбавлении начинаются реакции гидролиза и комплексообразования. В конечном счете получается:

Zr(SO 4) 2 + Н 2 О → (ZrO)SO 4 + H 2 SO 4 .

В водном растворе гидролизуется и хлористый цирконий:

ZrCl 4 + Н 2 О → ZrOCl 2 + 2HCl.

Некоторые исследователи считали, что им удалось-таки получить цирконий электролизом растворов, но они были введены в заблуждение видом продуктов, осевших на электродах. В одних случаях это были действительно металлы, но не цирконий, а никель или медь, примеси которых содержались в циркониевом сырье; в других – внешне похожая на металл гидроокись циркония.

Лишь в 20-х годах нашего столетия (через 100 лет после того, как Берцелиус получил первые образцы циркония!) был разработан первый промышленный способ получения этого металла.

Это метод «наращивания», разработанный голландскими учеными ван Аркелем и де Буром. Суть его заключается в том, что летучее соединение (в данном случае тетрайодид циркония ZrI 4) подвергается термическому распаду в вакууме и на раскаленной нити вольфрама откладывается чистый металл.

Этим способом был получен металлический цирконий, поддающийся обработке – ковке, вальцовке, прокатке – примерно так же легко, как медь.

Позже металлурги обнаружили, что пластические свойства циркония зависят главным образом от содержания в нем кислорода. Если в расплавленный цирконий проникнет свыше 0,7% кислорода, то металл будет хрупким из-за образования твердых растворов кислорода в цирконии, свойства которых сильно отличаются от свойств чистого металла.

Метод наращивания получил сначала некоторое распространение, но высокая стоимость циркония, полученного этим методом, сильно ограничивала области его применения. А свойства циркония оказались интересными. (О них ниже.) Назрела необходимость в разработке нового, более дешевого способа получения циркония. Таким методом стал усовершенствованный метод Кролля.

Метод Кролля позволяет получать цирконий при вдвое меньших затратах, чем по методу наращивания. Схема этого производства предусматривает две основные стадии: двуокись циркония хлорируется, а полученный четыреххлористый цирконий восстанавливается металлическим магнием под слоем расплавленного металла. Конечный продукт – циркониевая губка переплавляется в прутки и в таком виде направляется потребителю.

Двуокись циркония

Пока ученые искали способ получения металлического циркония, практики уже начали применять некоторые из его соединений, в первую очередь двуокись циркония. Свойства двуокиси циркония в значительной мере зависят от того, каким способом она получена. ZrO 2 , образующаяся при прокаливании некоторых термически нестойких солей циркония, нерастворима в воде. Слабо прокаленная двуокись хорошо растворяется в кислотах, но, сильно прокаленная, она становится нерастворимой в минеральных кислотах, исключая плавиковую.

Еще одно интересное свойство: сильно нагретая двуокись циркония излучает свет настолько интенсивно, что ее можно применять в осветительной технике. Этим ее свойством воспользовался известный немецкий ученый Вальтер Герман Нернст . Стержни накаливания в лампе Нернста были изготовлены из ZrO 2 . В качестве источника света раскаленная двуокись циркония иногда и сейчас служит при лабораторных опытах.

В промышленности двуокись циркония первыми применили силикатные производства и металлургия. Еще в начале нашего века были изготовлены цирконовые огнеупоры, которые служат в три раза дольше обычных. Огнеупоры, содержащие добавку ZrO 2 , позволяют провести до 1200 плавок стали без ремонта печи. Это много.

Цирконовые кирпичи потеснили шамот (широко распространенный огнеупорный материал на основе глины или каолина) при выплавке металлического алюминия, и вот почему. Шамот сплавляется с алюминием, и на его поверхности образуются наросты шлака, которые надо периодически счищать. А цирконовые кирпичи расплавленным алюминием не смачиваются. Это позволяет печам, футерованным цирконом, непрерывно работать в течение десяти месяцев.

Значительные количества двуокиси циркония потребляют производства керамики, фарфора и стекла.

Список отраслей промышленности, нуждающихся в двуокиси циркония, можно было бы продолжить еще и еще. Но посмотрим, на что пригодился металлический цирконий, который так долго не удавалось получить.

Цирконий и металлургия

Самым первым потребителем металлического циркония была черная металлургия. Цирконий оказался хорошим раскислителем. По раскисляющему действию он превосходит даже марганец и титан. Одновременно цирконий уменьшает содержание в стали газов и серы, присутствие которых делает ее менее пластичной.

Стали, легированные цирконием, не теряют необходимой вязкости в широком интервале температур, они хорошо сопротивляются ударным нагрузкам. Поэтому цирконий добавляют в сталь, идущую на изготовление броневых плит. При этом, вероятно, учитывается и тот факт, что добавки циркония положительно сказываются и на прочности стали. Если образец стали, не легированной цирконием, разрушается при нагрузке около 900 кг, то сталь той же рецептуры, но с добавкой всего лишь 0,1% циркония выдерживает нагрузку уже в 1600 кг.

Значительные количества циркония потребляет и цветная металлургия. Здесь его действие весьма разнообразно. Незначительные добавки циркония повышают теплостойкость алюминиевых сплавов, а многокомпонентные магниевые сплавы с добавкой циркония становятся более коррозионно-устойчивыми. Цирконий повышает стойкость титана к действию кислот. Коррозионная стойкость сплава титана с 14% Zr в 5%-ной соляной кислоте при 100°C в 70 раз (!) больше, чем у технически чистого титана. Иначе влияет цирконий на молибден. Добавка 5% циркония удваивает твердость этого тугоплавкого, но довольно мягкого металла.

Есть и другие области применения металлического циркония. Высокая коррозийная стойкость и относительная тугоплавкость позволили использовать его во многих отраслях промышленности. Фильеры для производства искусственного волокна, детали горячей арматуры, лабораторное и медицинское оборудование, катализаторы – вот далеко не полный перечень изделий из металлического циркония.

Однако не металлургия и не машиностроение стали основными потребителями этого металла. Огромные количества циркония потребовались ядерной энергетике.

Проблема циркония «реакторной чистоты»

В ядерную технику цирконий пришел не сразу. Для того чтобы стать полезным в этой отрасли, металл должен обладать определенным комплексом свойств. (Особенно, если он претендует на роль конструкционного материала при строительстве реакторов.) Главное из этих свойств – малое сечение захвата тепловых нейтронов. В принципе эту характеристику можно определить как способность материала задерживать, поглощать нейтроны и тем самым препятствовать распространению цепной реакции.

Величина сечения захвата нейтронов измеряется в барнах. Чем больше эта величина, тем больше нейтронов поглощает материал и тем сильнее препятствует развитию цепной реакции. Естественно, что для реакционной зоны реакторов выбираются материалы с минимальным сечением захвата.

У чистого металлического циркония эта величина равна 0,18 барна. Многие более дешевые металлы имеют сечениа захвата такого же порядка: у олова, например, оно равно 0,65 барна, у алюминия – 0,22 барна, а у магния – всего 0,06 барна. Но и олово, и магний, и алюминий легкоплавки и нежаропрочны; цирконий же плавится лишь при 1860°C.

Казалось, единственное ограничение – довольно высокая цена элемента №40 (хотя для этой отрасли денег жалеть не приходится), но возникло другое осложнение.

В земной коре цирконию всегда сопутствует гафний. В циркониевых рудах, например, его содержание обычно составляет от 0,5 до 2,0%. Химический аналог циркония (в менделеевской таблице гафний стоит непосредственно под цирконием) захватывает тепловые нейтроны в 500 раз интенсивнее циркония. Даже незначительные примеси гафния сильно сказываются на ходе реакции. Например, 1,5%-ная примесь гафния в 20 раз повышает сечение захвата циркония.

Перед техникой встала проблема – полностью разделить цирконий и гафний. Если индивидуальные свойства обоих металлов весьма привлекательны, то их совместное присутствие делает материал абсолютно непригодным для атомной техники.

Проблема разделения гафния и циркония оказалась очень сложной – химические свойства их почти одинаковы из-за чрезвычайного сходства в строении атомов. Для их разделения применяют сложную многоступенчатую очистку: ионный обмен, многократное осаждение, экстракцию.

Все эти операции значительно удорожают цирконий, а он и без того дорог: пластичный металл (99,7% Zr) во много раз дороже концентрата. Проблема экономичного разделения циркония и гафния еще ждет своего решения.

И все-таки цирконий стал «атомным» металлом.

Об этом, в частности, свидетельствуют такие факты. На первой американской атомной подводной лодке «Наутилус» был установлен реактор из циркония. Позже выяснилось, что выгоднее делать из циркония оболочки топливных элементов, а не стационарные детали активной зоны реактора.

Тем не менее производство этого металла увеличивается из года в год, и темпы этого роста необыкновенно высоки. Достаточно сказать, что за десятилетие, с 1949 по 1959 г., мировое производство циркония выросло в 100 раз! По американским данным, в 1975 г. мировое производство циркония составило около 3000 т.

Цирконий, воздух и вода

В предыдущих главах почти ничего не рассказано о химических свойствах элемента №40. Главная причина этого – нежелание повторять многие статьи и монографии об элементах-металлах. Цирконий – типичнейший металл, характерный представитель своей группы (и подгруппы) и своего периода. Ему свойственна довольно высокая химическая активность, которая существует, однако, в скрытой форме.

О причинах этой скрытности и отношении циркония к воде и компонентам воздуха стоит рассказать подробнее.

Компактный металлический цирконий внешне очень похож на сталь. Он ничем не проявляет своей химической активности и в обычных условиях по отношению к атмосферным газам ведет себя исключительно инертно. Кажущаяся химическая пассивность циркония объясняется довольно традиционно: на его поверхности всегда есть невидимая окисная пленка, предохраняющая металл от дальнейшего окисления. Чтобы полностью окислить цирконий, надо повысить температуру до 700°C. Только тогда окисная пленка частично разрушится, а частично растворится в металле.

Итак, 700°C – тот температурный предел, за которым кончается химическая стойкость циркония. К сожалению, и эта цифра слишком оптимистична. Уже при 300°C цирконий начинает более активно взаимодействовать с кислородом и другими компонентами атмосферы: водяными парами (образуя двуокись и гидрид), с углекислым газом (образуя карбид и двуокись), с азотом (продукт реакции – нитрид циркония). Но при температурах ниже 300°C окисная пленка – надежный щит, гарантирующий высокую химическую стойкость циркония.

Иначе, чем компактный металлический цирконий, ведут себя на воздухе его порошок и стружка. Это пирофорные вещества, которые легко самовозгораются на воздухе даже при комнатной температуре. При этом выделяется много тепла. Циркониевая пыль в смеси с воздухом способна даже взрываться.

Интересно отношение циркония к воде. Явные признаки взаимодействия металла с водой долгое время не видны. Но на поверхности смоченного водой циркония происходит не совсем обычный для металлов процесс. Как известно, многие металлы под действием воды подвергаются гальванической коррозии, которая заключается в переходе их катионов в воду. Цирконий же и под действием воды окисляется и покрывается защитной пленкой, которая в воде не растворяется и предотвращает дальнейшее окисление металла.

Перевести ионы циркония в волу проще всего растворением некоторых его солей. Химическое поведение четырехвалентного иона циркония в водных растворах очень сложно. Оно зависит от множества химических факторов и процессов, протекающих в водных растворах.

Существование иона Zr +4 «в чистом виде» маловероятно. Долгое время, считали, что в водных растворах цирконий существует в виде ионов цирконила ZrO +2 . Более поздние исследования показали, что в действительности в растворах кроме цирконил-ионов присутствует большое число различных комплексных – гидратированных и гид-ролизованных – ионов циркония. Их общая сокращенная формула (4p –m )+ .

Такое сложное поведение циркония в растворе объясняется большой химической активностью этого элемента. Препаративный цирконий (очищенный от ZrO 2) вступает во множество реакций, образуя простые и сложные соединения. «Секрет» повышенной химической активности циркония кроется в строении его электронных оболочек. Атомы циркония построены таким образом, что им свойственно стремление присоединить к себе как можно больше других ионов; если таких ионов в растворе недостаточно, то ионы циркония соединяются между собой и происходит полимеризация. При этом химическая активность циркония утрачивается; реакционная способность полимеризованных ионов циркония намного ниже, чем неполимеризованных. При полимеризации уменьшается и активность раствора в целом.

Такова в общих чертах «визитная карточка» одного из важных металлов нашего времени – элемента №40, циркония.

«Несовершенные алмазы»

В средние века были хорошо известны ювелирные украшения из так называемых несовершенных алмазов. Несовершенство их заключалось в меньшей, чем у обычного алмаза, твердости и несколько худшей игре цветов после огранки. Было у них и другое название – матарские (по месту добычи – Матаре, району острова Цейлон). Средневековые ювелиры не знали, что используемый ими драгоценный минерал – это монокристаллы циркона, основного минерала циркония. Циркон бывает самой различной окраски – от бесцветного до кроваво-красного. Красный драгоценный циркон ювелиры называют гиацинтом. Гиацинты известны очень давно. По библейскому преданию, древние первосвященники носили на груди 12 драгоценных камней и среди них гиацинт.

Редкий ли?

В виде различных химических соединений цирконий широко распространен в природе. Его содержание в земной коре довольно велико – 0,025%, по распространенности он занимает двенадцатое место среди металлов. Несмотря на это, цирконий пользуется меньшей популярностью, чем многие из действительно редких металлов. Это произошло из-за крайней рассеянности циркония в земной коре и отсутствия крупных залежей его природных соединений.

Природные соединения циркония

Их известно более сорока. Цирконий присутствует в них в виде окислов или солей. Двуокись циркония, бадделеит ZrO 2 , и силикат циркония, циркон ZrSiO 4 имеют наибольшее промышленное значение. Самые мощные из разведанных залежей циркона и бадделеита расположены в США, Австралии, Бразилии. Индии, Западной Африке.

СССР располагает значительными запасами цирконового сырья, находящимися в различных районах Украины, Урала и Сибири.

PbZrO 3 – пьезоэлектрик

Пьезокристаллы нужны для многих радиотехнических приборов: стабилизаторов частот, генераторов ультразвуковых колебаний и других. Иногда им приходится работать в условиях повышенных температур. Кристаллы цирконата свинца практически не изменяют своих пьезоэлектрических свойств при температуре до 300°C.

Цирконий и мозг

Высокая коррозийная стойкость циркония позволила применить его в нейрохирургии. Из сплавов циркония делают кровоостанавливающие зажимы, хирургический инструмент и иногда даже нити для наложения швов при операциях мозга.