Редкий химический элемент, сожержится в минерале цирконе и некоторых других. Кристаллический порошок, имеет сильный блеск, "растворяется в царской водке".
Цирконий (лат. Zirconium) Zr - химический элемент 4-й группы периодической системы Менделеева; атомный номер 40, атомная масса 91,2; серебристо-белый металл с характерным блеском. Известно пять природных изотопов Циркония: 90Zr (51,5%), 91Zr (11,2%), 92Zr (17,1%) 94Zr (17,4%), 96Zr (2,8%). Из искусственных радиоактивных изотопов важнейший 95Zr (T 1/2 = 65 суток); используется в качестве изотопного индикатора.
В 1789 немецкий химик М. Г. Клапрот в результате анализа минерала циркона выделил двуокись Циркония. Порошкообразный Цирконий впервые был получен в 1824 И. Берцелиусом, а пластичный - в 1925 году нидерландскими учёными А. ван Аркелом и И. де Буром при термической диссоциации иодидов Циркония.
Среднее содержание Циркония в земной коре - 0,017% по массе, в гранитах, песчаниках и глинах несколько больше (0,02%), чем в основных породах (0,013%). Максимальная концентрации Циркония - в щелочных породах (0,05%). Цирконий слабо участвует в водной и биогенной миграции. В морской воде содержится 0,00005 мг/л Циркония. Известно 27 минералов Циркония; промышленное значение имеют бадделеит (ZrO2), циркон.
Цирконий существует в двух кристаллических модификациях: a-формы с гексагональной плотноупакованной решёткой (а = 3,228; с = 5,120) и b-формы с кубической объёмноцентрированной решёткой (а = 3,61). Переход a - b происходит при 862 °C. Плотность a-Циркония (20 °C) - 6,45 г/см3; tпл - 1825 °C; tкип - 3580-3700 °C; удельная теплоёмкость (25-100 °С) - 0,291 кдж/(кг x °К) [0,0693 кал/(г x °С)], коэффициент теплопроводности (50 °С) - 20,96 вт/(м x К) [0,050 кал/(см x сек x °С)]; температурный коэффициент линейного расширения (20-400 °С) 0,0000069; удельное электрическое сопротивление Циркония высокой степени чистоты (20 °С) - 44,1 мком x см. температура перехода в состояние сверхпроводимости 0,7 °К. Цирконий парамагнитен. Чистый Цирконий пластичен, легко поддаётся холодной и горячей обработке (прокатке, ковке, штамповке). Наличие растворённых в металле малых количеств кислорода, азота, водорода и углерода (или соединений этих элементов с Цирконием) вызывает хрупкость Циркония.
Для Циркония характерна степень окисления +4. Более низкие степени окисления +2 и +3 известны для Циркония только в его соединениях с хлором, бромом и йодом. Компактный Цирконий медленно начинает окисляться в пределах 200-400 °С, покрываясь плёнкой циркония двуокиси ZrO2; выше 800 °С энергично взаимодействует с кислородом воздуха. Порошкообразный металл пирофорен - может воспламеняться на воздухе при обычной температуре. Цирконий активно поглощает водород уже при 300 °С, образуя твёрдый раствор и гидриды ZrH и ZrH2; при 1200-1300 °С в вакууме гидриды диссоциируют и весь водород может быть удалён из металла. С азотом Цирконий образует при 700-800 °С нитрид ZrN. Цирконий взаимодействует с углеродом при температуре выше 900 °С с образованием карбида ZrC. Карбид и нитрид Циркония - это твёрдые тугоплавкие соединения; карбид Циркония - полупродукт для получения ZrCl4. Цирконий устойчив в воде и водяных парах до 300 °С, не реагирует с соляной и серной (до 50%) кислотами, а также с растворами щелочей (Цирконий - это единственный металл, стойкий в щелочах, содержащих аммиак). С азотной кислотой и царской водкой взаимодействует при температуре выше 100 °С. Растворяется в плавиковой и горячей концентрированной (выше 50%) серной кислотах. Из кислых растворов могут быть выделены соли соответствующих кислот разного состава, зависящего от концентрации кислоты.
Основным промышленным источником получения Циркония является минерал циркон (ZrSiO4). Циркониевые руды обогащаются гравитационными методами с очисткой концентратов магнитной и электростатической сепарацией. Металл получают из его соединений, для производства которых концентрат вначале разлагают. Для этого применяют: 1) хлорирование в присутствии угля при 900-1000 °С (иногда с предварительной карбидизацией при 1700-1800 °С для удаления основной части кремния в виде легколетучего SiO); при этом получается ZrCl4, который возгоняется и улавливается; 2) сплавление с едким натром при 500-600 °С или с содой при 1100 °С; 3) спекание с известью или карбонатом кальция при 1100-1200 °С; 4) сплавление с фторосиликатом калия при 900 °С. Из спёка или плава, полученного в случаях щелочного вскрытия (2,3), вначале удаляют соединения кремния выщелачиванием водой или разбавленной соляной к той, а затем остаток разлагают соляной или серной; при этом образуются соответственно оксихлорид и сульфаты. Фтороцирконатный спек (4) обрабатывают подкисленной водой при нагревании; при этом в раствор переходит фтороцирконат калия, 75-90% которого выделяется при охлаждении раствора.
Сплавы на основе Циркония, очищенного от гафния, применяют преимущественно в качестве конструкционных материалов в ядерных реакторах, что обусловлено малым сечением захвата тепловых нейтронов. Цирконий входит в состав ряда сплавов (на основе магния, титана, никеля, молибдена, ниобия и др. металлов), используемых как конструкционные материалы, например, для ракет и других летательных аппаратов. Из сплавов Циркония с ниобием делают обмотки сверхпроводящих магнитов. В литейном производстве применяют цирконистые огнеупоры. К числу наиболее распространённых пьезокерамических материалов (пьезокерамики) относится группа цирконата - титаната свинца (например, ЦТС-23). В металлокерамических материалах (керметах) металлическим составляющим является Цирконий, а керамическим - его двуокись ZrO2. При производстве генераторных ламп проволока из Циркония служит геттером.
Цирконий используют в качестве коррозионно-стойкого материала в химическом машиностроении. Присадки Циркония служат для раскисления стали и удаления из неё азота и серы. Порошкообразный Цирконий применяют в пиротехнике и в производстве боеприпасов. Сульфат Циркония - это дубитель в кожевенной промышленности.