زیرکونیوم چیست و چه کاربردهایی دارد

زیرکون را معمولا به شکل ماده بلوری و خاکستری رنگ یا پودر شفاف و بی رنگ استخراج می کنند. اصلی ترین منبع اقتصادی و تجاری این فلز سیلیکات زیرکونیوم است و در کشورهایی مانند روسیه، هند، استرالیا، برزیل و ایالات متحده وجود دارد.

مهمترین کاربرد زیرکونیوم در صنعت سفالسازی به عنوان جسم نسوز، در صنایع شیمیایی برای تولید انرژی اتمی، در صنعت جواهرسازی به عنوان سنگ جواهر، در صنایع شیمیایی برای لوله کشی در محیط خورنده، همچنین تولید اتصالات و مبدل های حرارتی، در صنعت پزشکی و داروسازی، در آزمایشگاه ها از آن برای ساختن بوته ها و ظروف ذوب فلز، به عنوان ضربه گیر دینامیکی در وسایلی مانند واشر شیرها، چوب گلف، قیچی سرامیکی، سر و پوشش خارجی پیستون و پمپ های انتقال موارد شیمیایی، در صنعت فضایی و هواپیمایی، از زیرکونیوم و اکسید آن در ساخت قطعات فضاپیما و هواپیماهایی که باید در برابر حرارت مقاوم باشند، استفاده می شود. 

همه چیز درباره زیرکونیوم

«زیرکونیوم» (zirconium) با علامت شیمیایی Zr  چهلمین عنصر از جدول تناوبی است، این فلز در گروه چهارم جدول تناوبی و در دسته فلزات واسطه قرار دارد، از نظر خصوصیات شیمیایی و فیزیکی شباهت های بسیاری به هم خانواده های خود یعنی تیتانیوم و هافنیوم دارد.

مهمترین منبع این فلز، سنگ معدنی و قیمتی زیرکون Zircon است که نام «زیرکونیم» از همین سنگ معدنی گرفته شده و در زبان فارسی به آن «زرگون» به معنای مانند طلا گفته می شود.

تاریخچه عنصر زیرکونیوم

تاریخچه کشف و پیدایش این سنگ قیمتی به قرون وسطی بازمی گردد که از خواص  این سنگ برای اموراتی مانند افزایش ثروت، بهبود خواب، عزت و خرد و از بین بردن آفت ها و ارواح خبیث و شیطانی استفاده می کردند. این سنگ دارای طیف گسترده از انواع رنگ ها از جمله آبی، سبز، زرد، قهوه ای، نارنجی، قرمز و گاهی بنفش است. به گفته مورخ هلندی پیتر ون، قرن های متمادی است که این فلز در ساخت جواهرات و سایر لوازم تزئینی مورد استفاده قرار می گیرد.

در سال 1789میلادی، مارتین هاینریش کلاپروت شیمیدان آلمانی، این ماده معدنی را از نمونه زیرکون در سریلانکا کشف کرد که پس از تحقیق و بررسی معلوم شد در نمونه به دست آمده، 25 درصد سیلیس، ۵ درصد اکسید آهن و 70 درصد اکسید جدیدی وجود دارد که او اکسید جدید را «زیرکونرد» یا «زیرکون زمین» نامگذاری کرد.

یک شیمیدان سوئدی به نام «جونز جی برزلیوس» موفق شد این فلز را با گرم کردن یک لوله آهنی که در آن مخلوطی از پتاسیم و پتاسیم زیرکونیوم فلوراید بود به صورت یک پودر سیاه تولید کند.

بر اساس گزارشات انجمن جهانی شیمی، در سال1925دو شیمیدان معروف هلندی به نام های، «آنتوان ادوارد ون آرکل» و «یان هندریک بوئر» توانستند با تجزیه تتراکلرید زیرکونیوم، زیرکونیوم خالص تولید کنند.

فرآوری زیرکونیوم

این عنصر به صورت آزاد در طبیعت وجود ندارد، این فلز معدنی بیش از 10 برابر سرب  و 2 برابر مس و روی در طبیعت وجود دارد.  زیرکون را معمولا به شکل ماده بلوری و خاکستری رنگ یا پودر شفاف و بی رنگ استخراج می کنند. اصلی ترین منبع اقتصادی و تجاری این فلز سیلیکات زیرکونیوم است و در کشورهایی مانند روسیه، هند، استرالیا، برزیل و ایالات متحده وجود دارد.

تولید این عنصر در فرم خالص بسیار دشوار است، چراکه از نظر شیمیایی بسیار شبیه هافنیوم است. در زیرکون عنصرهای هافنیوم و زیرکونیوم به نسبت 50 به 1 وجود دارند که جدا کردن آنها کار ساده ای نیست.

استخراج این فلز شامل چند مرحله است، در ابتدا زیرکون را در کوره برقی با کک وارد واکنش می کنند و بعد با فرایند کلرینه کردن، Zrcl4 تولید شده و در مرحله آخر با فرآیند کاهش تتراکلرید با قرار دادن فلز منیزیم در یک گاز بی اثر زیرکونیوم اسفنجی تولید می شود.

 یکی دیگر از راه های تولید این عنصر، تصفیه دی اکسید زیرکونیوم(ZrO2)  و زیرکون (ZrSiO4) با استفاده از کرول است.

ترکیبات و مشتقات 

این فلز دارای ترکیبات بسیاری است، که از آنها در صنایع مختلف می توان بهره برداری کرد، در زیر به چند نمونه خواهیم پرداخت:

دیبورید زیرکونیوم و کاربید زیرکونیوم، دو ترکیب سخت، نسوز و فلزی این عنصر هستند که در ابزارهای برش فلزات از آنها استفاده می شود، همچنین از دیبورید برای پوسته ترموکوبل استفاده می کنند.

تترا کلرید زیرکونیوم نیز ترکیبی است که برای سنتز مواد آلی، دفع آب در پارچه و منسوجات و عامل برنزه کردن کاربرد دارد.  

زیرکون یکی از مشتقات فلز است که به اشکال متفاوتی قابل تولید است، رایج ترین شکل آن یک سنگ جواهری شفاف است که بوسیله تراشکاری شبیه الماس می شود و در صنعت جواهرسازی مورد استفاده قرار می گیرد.

یکی دیگر از ترکیبات آن، بادلیت یا دی اکسید زیرکونیم  (ZrO2 ) است که در برابر حرارت و گرما بسیار مقاوم بوده و از آن برای تولید و ساخت بوته های آزمایشگاهی و کوره های متالوژی استفاده می شود. کربنات زیرکونیم  (3ZrO2•CO2•H2O)نیز از دیگر ترکیبات این فلز است که در تهیه لوسیون برای درمان گزیدگی پیچک سمی کاربرد دارد.

خواص و ویژگی های زیرکون

از جمله ویژگی های این فلز معدنی می توان به موارد زیر اشاره کرد:

- این فلز درخشنده و براق، رنگ آن سفید  مایل به طوسی است.

 - در برابر زنگ زدگی مقاومت بسیار خوبی از خود نشان می دهد. 

- نرم، انعطاف پذیر و شکل پذیر است، از فولاد سبک تر و از نظر سختی و مقاومت شبیه فلز مس است.

- هنگامی که به صورت پودر در می آید، قابل اشتعال است و عامل خطرناکی برای آتش سوزی محسوب می شود، اما در حالت جامد اشتعال پذیری بسیار کمی دارد.

 - در دمای اتاق جامد است و ساختاری به صورت یک شبکه کریستالی شش وجهی فشرده دارد که α- Zr  نامیده می شود، اما اگر دما تا ۸۶۳ درجه سانتیگراد افزایش یابد، ساختار α-Zr به بلور مکعبی چهار وجهی به نام β-Zr تغییر می یابد و تا مرحله ذوب خود در فاز β باقی می ماند.

- نقطه ذوب آن ۱۸۵۵ درجه سانتیگراد و در نقطه۴۳۷۱ درجه سانتیگراد به جوش می آید.

- از این فلز می توان به آسانی آلیاژها و ترکیبات پایدار به وجود آورد.

- در دمای زیر 35 درجه کلوین خاصیت آهن ربایی پیدا می کند و حالت های اکسیداسیون رایج آن، 2+، 3+ و 4+ است.

- همچنین این فلز در خورشید، سنگ های آسمانی و ستاره های دارای دمای کم وجود دارد و در تجزیه و تحلیل نمونه سنگ های ماه که از ماموریت های مختلف آپولو جمع آوری شده اند، این نتیجه به دست آمده که سنگ های ماه نسبت به سنگ هایی که در زمین وجود دارند مقادیر بسیاری زیرکون دارند.

- در برابر حل شدن در اسیدها و مواد قلیایی مقاومت بسیار بالایی از خود نشان می دهد، این با ارزش ترین ویژگی این فلز است

کاربردها و موارد استفاده زیرکونیوم

این عنصر معدنی در زمینه های مختلف صنعتی و تجاری استفاده بسیاری دارد که عبارتند از:

۱- مهمترین کاربرد زیرکون در صنعت سفالسازی به عنوان جسم نسوز، همچنین ماده آلیاژی برای بالا بردن مقاومت فلزات و ماسه ریختهگری است.

۲- این فلز به دلیل قدرت پایینی که در جذب نوترون ها دارد، برای تولید انرژی اتمی بسیار کاربردی بوده و 90 درصد ترکیبات این فلز برای تولید نیروی اتمی به مصرف تجاری می رسد، به طوری که رآکتورهای جدید تجاری قادر هستند حدود نیم میلیون فوت از فلز مذکور را برای لوله سازی استفاده کنند.

۳- در صنعت جواهرسازی به عنوان سنگ جواهر مورد استفاده قرار می گیرد و از اکسید آن محرک الماس و زیرکونیای مکعبی شکل می سازند.

۴- در صنایع شیمیایی برای لوله کشی در محیط خورنده، همچنین تولید اتصالات و مبدل های حرارتی کاربرد دارد.

۵- در صنعت پزشکی و داروسازی نیز کاربردهای بسیار زیادی دارد، از جمله در ساخت وسایل ترمیمی و پرتزهای پزشکی، برای نمونه برای تعویض مفصل زانو و لگن، همچنین در حوزه دندانپزشکی برای کاشت و تاج دندان، درمان بیماری های کلیوی و هایپرکالمی و بازسازی استخوان گوش میانی مورد استفاده قرار می گیرد.

۶- به علت مقاومت بالای این فلز در برابر حرارت و گرمای زیاد، در آزمایشگاه ها از آن برای ساختن بوته ها و ظروف ذوب فلز استفاده می شود.

۷- به عنوان ضربه گیر دینامیکی در وسایلی مانند واشر شیرها، چوب گلف، قیچی سرامیکی، سر و پوشش خارجی پیستون و پمپ های انتقال موارد شیمیایی به کار می رود.

۸- در صنعت فضایی و هواپیمایی، از این عنصر و اکسید آن در ساخت قطعات فضاپیما و هواپیماهایی که باید در برابر حرارت مقاوم باشند، استفاده می شود. قطعاتی از این وسایل نقلیه هوایی مانند پروانه ها، پره ها، موتورهای جت و توربین های گازی که معمولا در معرض حرارت بالا و احتراق قرار دارند، توسط لایه های نازک سرامیکی که از مخلوط این عنصر و اکسید ایتریم ساخته شده اند، مورد محافظت قرار می گیرند تا در برابر حرارت مقاوم باشند.  

سایر کاربرد ها

سایر کاربردهای این عنصر شامل موارد زیر است:

- به عنوان گیرنده در تهویه کننده های هوا

- در رشته های لامپ و لوله جارو برقی

- سوزاندن این فلز به عنوان منبع نور در لامپ های عکاسی کاربرد دارد و نیز ساخت شیشه برای تلویزیون

- روکش میله های سوخت رآکتور

- برای ساخت مبدهای کاتالیزوری، آجرهای کوره و کلاهک های کوبه

- به عنوان جسم نسوز در صنایع شیشه سازی، کاشی سازی و سفال سازی

- مورد استفاده برای تولید تیغه و چاقوهای سرامیکی

- تهیه مواد شیمیایی برای ایجاد جرقه در آغازگرها.

هشدار ها و ایمنی درباره زیرکونیوم

برای این عنصر معدنی، تاثیر مخرب بیولوژیکی خاصی در مکانیسم های بدن بیان نشده و همان طور که پیشتر گفتیم در حوزه پزشکی کاربردهای بسیاری دارد.

به طور کلی انسان کمتر با این فلز معدنی برخورد دارد، اما به صورت کلی نمک‌های آن زیاد سمی نیستند و مقدار تقریبی مصرف آن در رژیم غذایی حدود ۵۰ میکروگرم است که بیشتر آنها بدون جذب شدن از طریق روده دفع می شود و تمایلی به باقی ماندن در بافت استخوانی را ندارد.

  Zr-95یکی از ایزوتوپ های رادیواکتیو این عنصر است که در آزمایش جوی سلاح های هسته ای به کار می رود که یکی از رادیونوکلئیدهایی با عمر طولانی است و خطر ابتلا به سرطان را برای دهه ها و قرن های آینده افزایش می دهد.