Что такое цирконий и радиация
Что такое цирконий и радиация
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.
Цирконий это что металл или не металл
(Zirconium; от перс. заргун — золотистый), Zr — химический элемент 4-й группы (по устаревшей классификации — четвёртой группы побочной подгруппы, IVB) ; ат. н. 40, ат. м. 91,22. Серебристо-белый металл.
Известны радиоактивные изотопы с массовыми числами 87, 89, 93 и 95 и периодами полураспада соответственно 1,6 ч, 78 ч, 4 х 104 лет и 65 суток. Цирконий открыл (1789) нем. химик М. Клапрот в минерале цирконе.
У чистого металлического циркония эта величина равна 0,18 барна. Многие более дешевые металлы имеют сечение 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 не жаропрочны; цирконий же плавится лишь при 1860° С.
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.
Интересный факт об цирконии: PbZrO3 — Пьезоэлектрик. Пьезокристаллы нужны для многих радиотехнических приборов: стабилизаторов частот, генераторов ультразвуковых колебаний и других.
Иногда им приходится работать в условиях повышенных температур. Кристаллы циркона-та свинца практически не изменяют своих пьезоэлектрических свойств при температуре до 300° С.
Цирконий и 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.
Разделение гафния и циркония
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 не до конца решена практически.
Цирконий «атомным» металл
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.
А к 1985 г., по американским же прогнозам, только атомной энергетике потребуется 5000 т циркония. Еще 2000 т этого металла понадобится военным ведомствам, а тысячу тонн израсходуют в химическом машиностроении для придания различным металлам и сплавам повышенной коррозионной стойкости.
Еще несколько сот тонн циркония нужны будут для производства фотографических ламп-вспышек высочайшей надежности… Рост производства элемента № 40 продолжается.
Цирконий воздух и вода
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° С. Только тогда окисная пленка частично разрушится, а частично растворится в металле.
Стойкость металла
Итак, 700° С — тот температурный предел, за которым кончается химическая стойкость циркония. К сожалению, и эта цифра слишком оптимистична.
Уже при 300° С 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° С 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.
Цирконий и вода
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 воду 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 Zr4+ «в чистом виде» маловероятно.
Долгое время считали, что в водных растворах цирконий существует в виде ионов цирконила ZrО2+.
Более поздние исследования показали, что в действительности в растворах кроме цирконил-ионов присутствует большое число различных комплексных — гидратированных и гидролизованных — ионов циркония.
Причина повышенной активности металла
Такое сложное поведение циркония в растворе объясняется большой химической активностью этого элемента.
Препаративный цирконий (очищенный от ZrO2) 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.
Интересные факты о цирконии?
«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 Шри Ланка).
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 ZrO2, и силикат циркония, циркон ZrSiO4, имеют наибольшее промышленное значение.
Самые мощные из разведанных залежей циркона и бадделеита расположены в США, Австралии, Бразилии, Индии, Западной Африке.
СНГ располагает значительными запасами цирконового сырья, находящимися в различных районах Украины, Урала и Сибири.
ЦИРКОНИЙ И МОЗГ. Высокая коррозийная стойкость циркония позволила применить его в нейрохирургии.
Из сплавов циркония делают кровеостанавливающие зажимы, хирургический инструмент и иногда даже нити для наложения швов при операциях мозга.
Статья на тему Цирконий и радиация