Zirconio

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Zirconio
Aspetto
Aspetto dell'elemento
bianco argenteo
Generalità
Nome, simbolo, numero atomico zirconio, Zr, 40
Serie metalli di transizione
Gruppo, periodo, blocco 4, 5, d
Densità 6511 kg/m3
Durezza 5
Configurazione elettronica
Configurazione elettronica
Proprietà atomiche
Peso atomico 91,224 amu
Raggio atomico (calc.) 155 (206) pm
Raggio covalente 148 pm
Configurazione elettronica [Kr]4d25s2
e per livello energetico 2, 8, 18, 10, 2
Stati di ossidazione 4 (anfotero)
Struttura cristallina esagonale
Proprietà fisiche
Stato della materia solido
Punto di fusione 1855 °C (2128 K)
Punto di ebollizione 4409 °C (4682 K)
Volume molare 14,02 × 10-6  m3/mol
Entalpia di vaporizzazione 58,2 kJ/mol
Calore di fusione 16,9 kJ/mol
Tensione di vapore 0,00168 Pa a 2125 K
Velocità del suono 3800 m/s a 293,15 K
Altre proprietà
Numero CAS 7440-67-7
Elettronegatività 1,33 (scala di Pauling)
Calore specifico 270 J/(kg*K)
Conducibilità elettrica 2,36 × 106 /(m·ohm)
Conducibilità termica 22,7 W/(m*K)
Energia di prima ionizzazione 640,1 kJ/mol
Energia di seconda ionizzazione 1270 kJ/mol
Energia di terza ionizzazione 2218 kJ/mol
Energia di quarta ionizzazione 3313 kJ/mol
Energia di quinta ionizzazione 7752 kJ/mol
Energia di sesta ionizzazione 9500 kJ/mol
Isotopi più stabili
iso NA TD DM DE DP
90Zr 51,45% Zr è stabile con 50 neutroni
91Zr 11,22% Zr è stabile con 51 neutroni
92Zr 17,15% Zr è stabile con 52 neutroni
93Zr sintetico 1,53 × 106 anni β- 0,091 93Nb
94Zr 17,38% Zr è stabile con 54 neutroni
96Zr 2,8% 3,8 × 1019 anni β- 3,350 96Mo
iso: isotopo
NA: abbondanza in natura
TD: tempo di dimezzamento
DM: modalità di decadimento
DE: energia di decadimento in MeV
DP: prodotto del decadimento

Lo zirconio è l'elemento chimico di numero atomico 40. Il suo simbolo è Zr. È un metallo di transizione bianco-grigio, duro, il cui aspetto ricorda quello del titanio. Viene ottenuto perlopiù dallo zircone ed è molto resistente alla corrosione. Le leghe metalliche di zirconio sono largamente impiegate negli impianti nucleari a causa della bassa sezione di assorbimento per i neutroni, sia come rivestimento del combustibile nucleare che nelle strutture di sostegno del nocciolo, e inoltre per la loro resistenza alla corrosione in acqua.

Caratteristiche[modifica | modifica wikitesto]

Zirconio, 99,97%

È un metallo bianco-grigiastro, lucente ed eccezionalmente resistente alla corrosione. Lo zirconio è più leggero dell'acciaio ed ha una durezza comparabile a quella del rame. In forma di polvere può infiammarsi spontaneamente se è esposto ad alte temperature. Conduce bene calore ed elettricità, ha un'elevata temperatura di fusione (circa 1800 °C), le proprietà dipendono molto dalle impurezze che lo possono rendere fragile e difficile da lavorare (poco duttile).

A temperature inferiori a 35 K la lega di zinco e zirconio diventa magnetica.

Nei suoi composti, lo zirconio ha solitamente numero di ossidazione +2, +3 o +4.

Applicazioni[modifica | modifica wikitesto]

L'uso principale dello zirconio è sotto forma di zircone (ZrSiO4), per materiali refrattari, sabbie da fonderia e opacizzazione della ceramica. Lo zircone è anche commerciato come pietra preziosa, usata in gioielleria. L'ossido di zirconio può venire trattato per produrre un facsimile dei diamanti, è utilizzato nel campo dentale per realizzare strutture in zirconia con tecnologia CAD-CAM lo zircone cubico. Altri usi:

  • Lo zirconio ha una bassa sezione di assorbimento per i neutroni, cosa che lo rende perfetto per l'impiego in materiali destinati a impianti di produzione di energia nucleare, come il rivestimento degli elementi di combustibile. Più del 90% di tutto lo zirconio metallico prodotto viene usato dalle centrali nucleari sparse per il mondo. I moderni reattori nucleari commerciali possono usare fino a 150 km di tubazioni in lega di zirconio.
  • Estesamente usato in chimica industriale per tubazioni in ambienti corrosivi.
  • Lo zirconio è piroforico (infiammabile) ed è stato usato in ordigni incendiari militari.
  • Il carbonato di zirconio si usa nelle lozioni contro l'edera velenosa (è un sequestrante del principio tossico del veleno).
  • L'ossido di zirconio viene usato in odontoiatria come materiale per la costruzioni di protesi fisse.
  • l'ossido viene usato anche nei trattamenti antiriflesso delle lenti degli obiettivi.
  • L'ossido impuro di zirconio, lo zircone, è usato per fabbricare crogioli da laboratorio in grado di sopportare forti shock termici, per il rivestimento di fornaci in metallurgia e dall'industria del vetro e della ceramica come materiale refrattario.
  • I tessuti umani tollerano facilmente questo metallo, che quindi è adatto per giunti e protesi artificiali impiantabili, nonché nella realizzazione di strutture per protesi dentarie.
  • Viene usato anche per produrre scambiatori di calore, leghe speciali e - come getter, ovvero come agente degasatore - nelle valvole termoioniche e nelle lampadine a incandescenza.

Quando è in lega con il niobio, lo zirconio è superconduttore a basse temperature e si usa per costruire magneti superconduttori; è anche possibile che cavi di tale materiale vengano usati su larga scala nella produzione e nella distribuzione dell'energia elettrica.

Storia[modifica | modifica wikitesto]

Lo zirconio (dall'arabo zarkûn, a sua volta derivato dal persiano zargûn, "simile all'oro") fu scoperto nel 1789 da Martin Heinrich Klaproth e isolato nel 1824 da Jons Jakob Berzelius.

I minerali dello zirconio - ovvero lo zircone, la zirconite e lo zaffiro - erano noti nell'antichità e sono menzionati nelle scritture bibliche. Fu però l'analisi di Klaproth di uno zaffiro proveniente da Sri Lanka (allora Ceylon) a rivelare che questo minerale conteneva un elemento ancora sconosciuto, che egli battezzò Zirkonertz

Il metallo fu isolato in forma impura da Berzelius, che lo preparò scaldando una miscela di potassio e di fluoruro di zirconio e potassio in un tubo di ferro, provocandone la decomposizione. Lo zirconio puro fu ottenuto per la prima volta nel 1914.

Disponibilità[modifica | modifica wikitesto]

Lo zirconio non si trova mai in natura come metallo puro: la principale fonte commerciale di zirconio è il minerale di silicato di zirconio, lo zircone (ZrSiO4), che si trova in giacimenti situati in Australia, Brasile, India, Russia e negli Stati Uniti (è estratto come una polvere scura e fuligginosa, o come una sostanza cristallina, di un grigio metallico). Lo zirconio e l'afnio sono contenuti nello zircone in rapporto di 50 a 1 e sono molto difficili da separare. Lo zirconio è anche un sottoprodotto dello sfruttamento minerario e della lavorazione di sabbie minerali come la menaccanite, la ilmenite e il rutilo, o minerali di stagno. Lo zirconio è pure contenuto in altre 30 specie minerali note, compresa la baddeleyite. Il metallo si ottiene commercialmente per riduzione del tetracloruro con magnesio nel processo Kroll o per decomposizione termica su un filamento di tungsteno scaldato a circa 1300 °C del tetraioduro (processo van Arkel-de Boer) e attraverso altri metodi. Lo zirconio di qualità commerciale contiene ancora dall'1% al 3% di afnio.

Questo elemento è anche abbondante nelle stelle di tipo S, ed è stato rilevato nel sole e nelle meteoriti. I campioni di rocce lunari portati sulla terra dalle missioni apollo hanno un contenuto di ossido di zirconio molto più alto rispetto a quelle terrestri.

Isotopi[modifica | modifica wikitesto]

Lo zirconio in natura è composto di quattro isotopi stabili e di uno debolmente radioattivo, a vita estremamente lunga (lo 96Zr). Il secondo radioisotopo più stabile è lo 93Zr con una emivita di 1,53 milioni di anni. Sono noti altri diciotto radioisotopi, la maggior parte dei quali ha emivita di meno di un giorno, tranne 95Zr (64,02 giorni), 88Zr (63,4 giorni) e 89Zr (78,41 ore). Il modo di decadimento principale prima dello 92Zr è la cattura elettronica e quello principale dopo di esso è il decadimento beta.

Precauzioni[modifica | modifica wikitesto]

Simboli di rischio chimico

facilmente infiammabile
pericolo


frasi H: 260 - 250 - 251 [1]
consigli P: 222 - 223 - 231+232 - 235+410 - 370+378 - 422 [2][3]


Le sostanze chimiche
vanno manipolate con cautela

Avvertenze

La polvere di zirconio, se non stabilizzata, è facilmente infiammabile (piroforica).

Per la maggior parte delle persone è piuttosto raro imbattersi in composti dello zirconio, che comunque hanno una tossicità molto bassa. Lo zirconio non ha alcun ruolo in biologia.

Note[modifica | modifica wikitesto]

  1. ^ scheda dello zirconio su IFA-GESTIS
  2. ^ In caso di incendio, estinguere con sabbia asciutta o estintori a schiuma. Conservare sotto gas inerte.
  3. ^ Sigma Aldrich; rev. del 23.07.2010

Bibliografia[modifica | modifica wikitesto]

Voci correlate[modifica | modifica wikitesto]

Altri progetti[modifica | modifica wikitesto]

Collegamenti esterni[modifica | modifica wikitesto]

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