زیرکونیوم (Zr): خواص، کاربردها و حقایق جذاب درباره عنصر 40

زیرکونیوم، فلزی خاکستری رنگ، با نماد شیمیایی Zr، آخرین عنصری است که به ترتیب حروف الفبا در جدول تناوبی قرار گرفته است. این عنصر به دلیل خواص منحصر به فردش، کاربردهای گسترده‌ای در صنایع مختلف دارد، به‌ویژه در ساخت آلیاژها برای مصارف هسته‌ای. در این مطلب، به بررسی حقایق جالب و کاربردی درباره این عنصر مهم خواهیم پرداخت. با ما همراه باشید تا با دنیای زیرکونیوم بیشتر آشنا شوید.

دانستنی‌های پایه زیرکونیوم

• نماد شیمیایی: Zr
• وزن اتمی: 91.224
• کاشف: مارتین کلاپروت در سال 1789 (آلمان). لازم به ذکر است که به کانی زیرکن در متون مذهبی نیز اشاره شده است.
• آرایش الکترونی: [Kr] 4d2 5s2
• ریشه نام: نام‌گذاری این عنصر از کانی زیرکن (Zircon) گرفته شده است. واژه "زرگون" در زبان فارسی به معنای "شبیه طلا" است که رنگ این سنگ قیمتی را توصیف می‌کند.
• ایزوتوپ‌ها: زیرکونیوم طبیعی از 5 ایزوتوپ پایدار تشکیل شده است. تاکنون 28 ایزوتوپ دیگر نیز شناسایی شده‌اند. فراوان‌ترین ایزوتوپ طبیعی، 90Zr است که 51.45 درصد از این عنصر را تشکیل می‌دهد. از میان ایزوتوپ‌های رادیواکتیو، 93Zr دارای طولانی‌ترین نیمه‌عمر (1.53x106 سال) است.

ویژگی‌های کلیدی زیرکونیوم

زیرکونیوم، فلزی براق به رنگ سفید مایل به خاکستری است. عنصر خالص آن چکش‌خوار و مفتول‌پذیر است، اما وجود ناخالصی‌ها باعث سخت و شکننده شدن آن می‌شود. زیرکونیوم در برابر خوردگی ناشی از اسیدها، بازها، آب و نمک مقاوم است، اما در اسید هیدروکلریک یا اسید سولفوریک حل می‌شود. پودر ریز این فلز ممکن است به طور خودبه‌خودی در هوا مشتعل شود، به‌ویژه در دماهای بالا، اما فلز جامد نسبتاً پایدار است.

هافنیم معمولاً در کانی‌های زیرکونیوم یافت می‌شود و جدا کردن آن از زیرکونیوم دشوار است. زیرکونیوم با درجه تجاری حاوی 1 تا 3 درصد هافنیم است، در حالی که زیرکونیوم با درجه راکتور هسته‌ای، اساساً فاقد هافنیم است.

کاربردهای حیاتی زیرکونیوم

• صنعت هسته‌ای: آلیاژ زیرکالوی (Zircaloy®) به دلیل مقطع جذب نوترونی پایین زیرکونیوم، کاربرد گسترده‌ای در صنعت هسته‌ای دارد و به عنوان روکش میله‌های سوخت استفاده می‌شود.
• صنایع شیمیایی: مقاومت بالای زیرکونیوم در برابر خوردگی ناشی از آب دریا و بسیاری از اسیدها و بازهای رایج، آن را به ماده‌ای ارزشمند در صنایع شیمیایی تبدیل کرده است.
• متالورژی: زیرکونیوم به عنوان عامل آلیاژساز در فولاد، جاذب گاز در لوله‌های خلاء و جزء سازنده در تجهیزات جراحی، لامپ‌های فلاش عکاسی، چاشنی‌های انفجاری، رشته‌های ابریشم مصنوعی و غیره استفاده می‌شود.
• پزشکی: کربنات زیرکونیوم در لوسیون‌های ضد پیچک سمی برای ترکیب با اوروشیول (ماده محرک موجود در پیچک سمی) استفاده می‌شود (اگرچه استفاده از آن به دلیل واکنش‌های پوستی در برخی افراد، متوقف شده است).
• فیزیک: آلیاژ زیرکونیوم با روی در دماهای زیر 35 درجه کلوین مغناطیسی می‌شود. زیرکونیوم با نیوبیم برای ساخت آهنرباهای ابررسانای دمای پایین استفاده می‌شود.
• جواهرسازی و سرامیک: اکسید زیرکونیوم (زیرکن) دارای ضریب شکست بالایی است و به عنوان سنگ قیمتی استفاده می‌شود. اکسید ناخالص آن، زیرکونیا، برای ساخت بوته‌های آزمایشگاهی مقاوم در برابر شوک حرارتی، آستر کوره‌ها و به عنوان ماده نسوز در صنایع شیشه و سرامیک به کار می‌رود.

منابع و فراوانی زیرکونیوم

زیرکونیوم به دلیل واکنش‌پذیری با آب، به صورت عنصر آزاد در طبیعت یافت نمی‌شود. غلظت این فلز در پوسته زمین حدود 130 میلی‌گرم بر کیلوگرم و در آب دریا 0.026 میکروگرم بر لیتر است. زیرکونیوم در ستارگان نوع S، خورشید و شهاب‌سنگ‌ها نیز یافت می‌شود. سنگ‌های ماه حاوی غلظت اکسید زیرکونیوم قابل مقایسه با سنگ‌های زمینی هستند. منبع اصلی تجاری زیرکونیوم، کانی سیلیکات زیرکن (ZrSiO4) است که در برزیل، استرالیا، روسیه، آفریقای جنوبی، هند، ایالات متحده و به مقدار کمتر در سایر نقاط جهان یافت می‌شود.

اثرات زیرکونیوم بر سلامتی

بدن انسان به طور متوسط حاوی حدود 250 میلی‌گرم زیرکونیوم است، اما این عنصر هیچ نقش بیولوژیکی شناخته شده‌ای ندارد. منابع غذایی زیرکونیوم شامل گندم کامل، برنج قهوه‌ای، اسفناج، تخم مرغ و گوشت گاو است. زیرکونیوم در ضد تعریق‌ها و سیستم‌های تصفیه آب نیز یافت می‌شود. استفاده از کربنات آن برای درمان پیچک سمی به دلیل تجربه واکنش‌های پوستی در برخی افراد، متوقف شده است. در حالی که قرار گرفتن در معرض زیرکونیوم به طور کلی ایمن در نظر گرفته می‌شود، قرار گرفتن در معرض پودر فلز می‌تواند باعث تحریک پوست شود. این عنصر به عنوان عنصری جهش‌زا یا سرطان‌زا در نظر گرفته نمی‌شود.

ساختار کریستالی زیرکونیوم

زیرکونیوم دارای یک فاز آلفا (α) و یک فاز بتا (β) است. در دمای اتاق، اتم‌ها ساختار هگزاگونال فشرده α-Zr را تشکیل می‌دهند. در دمای 863 درجه سانتی‌گراد، ساختار به β-Zr مکعبی مرکزپر تغییر می‌کند.

ویژگی‌های فیزیکی زیرکونیوم

• دسته‌بندی عنصر: فلز واسطه
• چگالی (g/cm³): 6.506
• نقطه ذوب (K): 2125
• نقطه جوش (K): 4650
• ظاهر: فلز خاکستری-سفید براق و مقاوم در برابر خوردگی
• شعاع اتمی (pm): 160
• حجم اتمی (cm³/mol): 14.1
• شعاع کووالانسی (pm): 145
• شعاع یونی (pm): 79 (+4e)
• ظرفیت گرمایی ویژه (@20°C J/g mol): 0.281
• گرمای همجوشی (kJ/mol): 19.2
• گرمای تبخیر (kJ/mol): 567
• دمای دبای (K): 250.00
• الکترونگاتیوی پائولینگ: 1.33
• اولین انرژی یونیزاسیون (kJ/mol): 659.7
• حالات اکسیداسیون: 4
• ساختار شبکه: هگزاگونال (شش وجهی)
• ثابت شبکه (Å): 3.230
• نسبت C/A شبکه: 1.593