Zircon (în literatura de specialitate și alte nume ale acestui mineral: zambile, yatsint, yargon, dzhargon) au fost utilizate în zilele vechi, nu numai ca decor, ci și ca amuletă care „obveselit inima, iar durerea și unități de gânduri diferite distanță, mintea și onoare se multiplică“ Una dintre cele mai vechi conștiință profesională Esculap a susținut în studiul său de medicament pe care el a fost „unul stacojiu rubin cu el este, vise teribile și swashbuckling nu văd, fără tragere de inimă, și poporul său va fi cinstit.“ (Yakhontom în Rusia a numit multe pietre prețioase, inclusiv zambilele Ceylon).
În formă liberă, zirconiul a fost identificat pentru prima dată în 1824 de către chimistul suedez Jens Jacob Berzelius. Cu toate acestea, nu a fost posibil să se obțină zirconiu pur la momentul respectiv, iar proprietățile fizice ale acestui metal nu au fost studiate mult timp. Zirconiu de zeci de ani, la fel ca multe metale noi, nu a putut găsi ceva pentru toată lumea, în timp ce metalele lungi cunoscute, cum ar fi fier, cupru, plumb, știa cum să showmanship și, prin urmare, nu suferă de o lipsă de propuneri.
Numai la începutul acestui secol oamenii de știință au reușit să se elibereze de impurități de zirconiu și să investigheze cu atenție proprietățile acestui metal. Sa dovedit că are un satelit permanent - hafniu. De mai bine de 130 de ani, chimiștii nu au observat că hafniul este prezent (și, uneori, în cantități destul de mari) în zirconiu. Acest lucru se explică prin similitudinea izbitoare a proprietăților lor chimice. Cu toate acestea, în unele aspecte, aceste elemente prezintă dezacorduri serioase, dar acest lucru va fi descris mai jos.
Zirconiu pur - superficial similar cu oțelul, dar mai rezistent la metal, având o plasticitate ridicată. Una dintre proprietățile importante ale zirconiului este rezistența sa excepțională la multe medii agresive. Pentru calitatile anticorozive, zirconiul depaseste astfel de metale stabile cum sunt niobul si titanul. Oțelul inoxidabil pierde în acid clorhidric 5% la 60 ° C, aproximativ 2,6 milimetri pe an, titan - aproximativ 1 milimetru. și zirconiu - de o mie de ori mai puțin. Rezistența zirconiului la alcaline este deosebit de mare; în acest sens, el este inferior chiar tantalului, care și-a câștigat în mod repetat reputația unui luptător remarcabil cu coroziune chimică. Numai zirconiul își permite o "scăldare" prelungită în alcalii conținând amoniac, un mediu foarte agresiv, contraindicat tuturor, fără excepție, altor metale.
Datorită rezistenței sale ridicate la coroziune, zirconiul a găsit aplicații într-un domeniu critic de medicină precum neurochirurgia. Aliajele de zirconiu fac cleme hemostatice, un instrument chirurgical și, în unele cazuri, chiar filamente pentru coaserea în operațiile creierului.
După ce oamenii de știință au observat că aditivii de zirconiu la oțel îmbunătățesc semnificativ multe din proprietățile sale, zirconiul a fost ridicat la rangul de element de aliere valoroasă. Activitățile de zirconiu în acest domeniu este cu multiple fațete: crește duritatea și rezistența oțelului, îmbunătățește prelucrabilitatea acestuia, călire, sudabilitate, un efect pozitiv asupra fluiditatea oțelului, macina conține sulfuri, ceea ce face structura metalica amenzii.
Atunci când este administrat zirconiu din oțel structural mărește considerabil rezistența la scalarea: o pierdere în greutate de oțel care conține 0,2-0,3% din zirconiu, după o așteptare de trei ore la 820 ° C timp de aproximativ șase până la șapte ori mai mici decât același oțel, dar nu este dopat cu zirconiu.
Zirconiul mărește semnificativ rezistența la coroziune a oțelurilor. Astfel, după trei luni de la pierderea de apă în greutate oțel structural în raport cu 1 metru pătrat a fost de 16,3 grame, în timp ce același eșantion este din oțel, dar cu adăugarea de 0,2% zirconiu, „subțire“ este de numai 7,6 grame.
Oțelul de zirconiu poate fi încălzit la temperaturi ridicate fără teama de supraîncălzire. Acest lucru permite intensificarea proceselor de forjare, ștanțare, tratament termic, cimentarea metalului.
Structura densă cu granulație fină și rezistența ridicată a oțelului de zirconiu în combinație cu fluiditate bună fac posibilă realizarea turnărilor cu pereți mai subțiri decât din oțelul convențional. De exemplu, din oțel cu zirconiu, au fost turnate părți experimentale cu pereți subțiri cu pereți groși de 2 mm; Grosimea pereților acestor părți ale aceluiași oțel, dar care nu conține zirconiu, nu a fost mai mică de 5-6 milimetri.
Alegerea zirconiu nu a scăzut întâmplător: fizicienii știa că el, spre deosebire de multe alte metale, transmite cu ușurință neutroni, și anume, această proprietate se numește o transparență de neutroni, ar trebui să aibă materiale pentru tije de clădiri de uraniu. Este adevărat că unele metale - magneziu, aluminiu, staniu - sunt similare în această privință cu zirconiul, dar sunt fuzibile și nerezistente. Zirconiu, care se topește numai la 1850 ° C, sarcina termică a energiei nucleare este destul de mare.
Cu toate acestea, zirconia are și unele păcate care i-ar putea împiedica să lucreze în această zonă importantă. Faptul este că numai zirconiul de înaltă puritate este transparent pentru neutroni. Aici este necesar să ne amintim din nou despre hafniu - metal, care prin proprietăți chimice poate fi numit un gem de zirconiu. Dar părerile lor despre neutroni s-au dovedit a fi opusul: hafniul absoarbe neutronii cu zel (de sute de ori mai puternic decât zirconiu). Mai mult, impuritățile hafniului, chiar și în doze homeopatice, pot strica "sângele" zirconiului și îl pot lipsi de transparența neutronilor. Condițiile tehnice pentru zirconiu a așa-numitei purități a reactorului permit prezența în acesta a nu mai mult de câteva sute de procente de hafniu. Dar chiar și aceste fâșii sunt destul de semnificative - de câteva ori - mai puțin transparența neutronică a zirconiului.
Deoarece în natură aceste metale sunt de obicei împreună, obținerea complet liberă de zirconiu hafniu este o sarcină de dificultate colosală. Cu toate acestea, chimiștii și metalurgii au trebuit să abordeze această problemă, deoarece industria nucleară avea nevoie de materiale structurale.
În cazul în care problema a fost rezolvată pe ordinea de zi se afla o alta: pentru a se asigura că fabricarea structurilor realizate din procesul de sudare zirconiu pur nu a primit atomi străini în ea care ar putea fi un obstacol de netrecut în calea de neutroni și, prin urmare, nega toate avantajele acestui metal . Mai mult decât atât, era necesar să se efectueze de sudură, astfel încât să nu perturbe uniformitatea metalului: sudură ar trebui să aibă aceleași proprietăți ca și materialul sudabil. Faza electronică a fost chemată la salvare. Puritatea și precizia sudării cu fascicul de electroni a permis rezolvarea acestei probleme: zirconiul a devenit "îmbrăcămintea" tijei de uraniu.
Apoi, a fost un salt ascuțit în producția acestui metal: în numai un deceniu - între 1949 și 1959 - producția mondială de zirconiu a crescut de o mie de ori! În cadrul cursului s-au desfășurat grupuri mari de nisip de zircon, care a fost un deșeu când se minerizează alte minerale. Deci, în California, exploatările de aur cu draje în canalele râurilor vechi, împreună cu aurul pentru spălare, au fost ridicate o cantitate semnificativă de zircon, dar din cauza lipsei de cerere, a fost aruncată în halde. Oregon (SUA) cromit minat în timpul războiului, și în același timp a primit o anumită sumă de zircon, care nu este interesat de industrie și apoi, pentru că nu este exportat de pe site-ul de producție. Când, la scurt timp după război, a început boomul de zirconiu, toate aceste halde s-au dovedit a fi o bucată gustoasă.
În prezent, depozitele mari ale acestui element valoros sunt dezvoltate în SUA, Australia, Brazilia, India, Africa de Vest; Uniunea Sovietică deține, de asemenea, rezerve semnificative de materii prime de zirconiu. Excelentul minereu de zirconiu este adesea deservit de nisipurile de coastă. În Australia, de exemplu, zirconia placers extinde aproape 150 de kilometri de-a lungul coastei oceanice. Și, recent, în partea de vest a continentului, în apropierea orașului Meekatharra, geologi, studenții care au studiat patul uscat curgea aici o dată râu, găsit în cristale de zircon roci de nisip alterate de intemperii, care s-au dovedit a fi cele mai vechi din lume. Această concluzie a Geofizică a Universității Naționale din Canberra, care a stabilit că vârsta de incluziuni de zircon constatat este estimată la 4,1-4,2 miliarde de ani: acestea sunt câteva sute de milioane de ani mai în vârstă decât oricare alt cunoscut de formațiuni minerale știință. Cu alte cuvinte, găsite în Australia zircon format numai după ce au format niște 3-400 ani după planeta.
Cererea de zirconiu crește de la an la an, deoarece acest material dobândește toate specialitățile noi. Proprietatea sa în stare încălzită pentru a absorbi gazele este folosită, de exemplu, în tehnica de vid, în domeniul radiotehnicii.
Unele metale, inclusiv zirconiu, în procesul de hidrogenare, adică saturația hidrogenului, modificarea rețelei cristaline și creșterea semnificativă a volumului - mult mai mult decât în timpul încălzirii normale. Această proprietate este se bazează „umflării“ inventat specialiștii sovietici metoda originală de îmbinare metal și alte suprafețe, în acele cazuri în care sudarea sau brazare ajutor incapabil, de exemplu, atunci când este necesar să se facă un tub cu două straturi de materiale diferite - fuzibil (aluminiu, cupru, materiale plastice), și refractare (oțel la temperatură înaltă, tungsten, ceramică). Care este esența noii metode? Când cilindrul predispus la „umfla“ implant de metal dens unul pe altul două țeavă nesimilar și apoi supus hidrogenării metal, apoi, „umflat“, este strâns pripechataet aceste tuburi una față de alta. Astfel, de exemplu, manșon din oțel inoxidabil și aliaje de aluminiu, purtat pe inelul de zirconiu, după ore într-o atmosferă de hidrogen la 400 ° C „blocat împreună“ este atât de ferm încât acestea nu pot fi separate.
Dintr-un amestec de pulbere de metal zirconiu cu compuși combustibili, se produc flare de lumină care dau o cantitate mare de lumină. Fibra de zirconiu la ardere dă o jumătate de ori mai multă lumină decât aluminiul. "Flaresurile" cu umplutură de zirconiu sunt convenabile pentru că ocupă foarte puțin spațiu - ele pot fi la fel de mari ca un cartuș. Pentru toate aliajele de zirconiu eyeing îndeaproape designeri de tehnologie anti-rachetă: este posibil ca aliaje de temperatură ridicată a acestui element va fi realizat marginile de nave spațiale destinate zborurilor regulate, în vastitatea universului de conducere.
Straturile de ploaie se datorează sărurilor lor de zirconiu rezistente la umiditate, care fac parte dintr-o emulsie specială pentru impregnarea țesăturilor. Sarurile de zirconiu sunt de asemenea utilizate pentru producerea de cerneluri de imprimare color, lacuri speciale, materiale plastice. Ca un catalizator, compușii de zirconiu sunt utilizați în producția de combustibil cu motor octanic ridicat. Compușii sulfurați ai acestui element sunt renumiți pentru proprietățile lor tanice excelente.
Tetraclorura de zirconiu a găsit o aplicație utilă. Conductivitatea electrică a unei plăci din această substanță variază în funcție de presiunea care acționează asupra acesteia. Această proprietate a fost utilizată și în proiectarea unui manometru universal, un dispozitiv pentru măsurarea presiunii. La cea mai mică schimbare de presiune, se modifică și curentul din circuitul dispozitivului, a cărui scală este calibrată în unități de presiune. Aceste manometre sunt foarte sensibile: cu ajutorul lor este posibil să se determine presiunea de la sute de mii de atmosfere la mii de atmosfere.
Pentru multe dispozitive de radioteleviziune - generatoare cu ultrasunete, stabilizatoare de frecvență și altele - sunt necesare așa-numitele cristale piezoelectrice. În unele cazuri, trebuie să lucreze la temperaturi ridicate. Din acest punct de vedere, cristalele de zirconat de plumb au un interes indiscutabil, care practic nu își schimbă proprietățile piezoelectrice la 300 ° C.
Vorbind despre zirconiu, nu putem să nu menționăm oxidul său - una dintre substanțele cele mai refractare ale naturii: punctul său de topire este de aproximativ 2900 ° С. Oxidul de zirconiu este utilizat pe scară largă în producția de produse refractare, emailuri rezistente la căldură, pahare refractare. Un material chiar mai refractar este borida acestui metal. Deoarece acoperă termocupluri manufacturate care pot fi în fierul topit continuu timp de zece până la cincisprezece ore, iar în lichid au fost de două până la trei ore (rezista cuarț acoperă numai unul sau două dintre imersare nu mai mult de 20-25 de secunde).
Oxidul de zirconiu are o proprietate interesantă: este foarte fierbinte, emite lumină atât de intens încât poate fi utilizată în echipamentele de iluminat. Această proprietate a fost observată la sfârșitul secolului trecut de faimosul fizician german Walter Hermann Nernst. În lampa pe care a proiectat-o (care a coborât în istoria tehnologiei ca o lampă Nernst), miezurile filamentului erau fabricate din oxid de zirconiu. În experimentele de laborator, această substanță este uneori utilizată ca sursă de lumină.
Un cuvânt bun recapătă oamenii de știință din oxid de zirconiu ai Institutului de Fizică. PN Lebedev, Academia de Științe a URSS (FIAN): pe baza oxizilor de zirconiu și hafniu, au reușit să creeze cristale uimitoare care nu se găsesc în natură. Fianiti - așa a început să numească aceste pietre artificiale - nu numai că a câștigat repede recunoașterea bijutierilor, ci a câștigat și o mare popularitate în lumea științei și tehnologiei. Este suficient să observăm faptul că reușesc să facă față cu succes rolului materialelor laser.
Dar oamenii de știință francezi folosesc oxid de zirconiu ca materie primă pentru producerea acestui metal cu ajutorul energiei solare. Înapoi în anii '50 în Montlouis - o cetate construită în secolul al XVII-lea în Pirineii Orientali, la o altitudine de 1500 de metri deasupra nivelului mării, a fost construit un cuptor solar, proiectat de o echipa de cercetatori condusa de profesorul Felix Trombe. La simpozionul desfășurat la Montlui cu privire la utilizarea energiei solare, participanții au demonstrat acest cuptor în acțiune.
„Încet, aproape imperceptibil, o platforma speciala ridica o mână de pulbere de culoare albă la focarul unei oglinzi parabolice mare. Această platformă a ajuns la punctul central, iar în fața ochilor de oameni de știință și ingineri fulgeră o flacără albă strălucitoare orbitor.
Pulberea albă este oxidul de zirconiu. Plasat în centrul unei oglinzi parabolice, unde temperatura soarelui concentrat atinge 3000 ° C, pudra se topește. Blițul care apare în timpul acestui proces poate fi observat numai prin pahare întunecate. Și o mică grămadă de substanță roșie-fierbinte pe platformă arăta ca un vulcan care erupa într-o epocă geologică îndepărtată.
Acesta este modul în care unul dintre participanții la simpozion descrie procesul de obținere a zirconiului "solar". Un reflector special, format din mai multe oglinzi separate și ajungând la 12 metri în diametru, se rotește automat cu ajutorul unor fotocelule după Soare. Razele reflectate de el sunt turnate pe o oglindă parabolică mare, de 10 metri în diametru. Puterea termică a acestei oglinzi, care concentrează razele soarelui în cavitatea cuptorului, este echivalentă cu 75 de kilowați.
Zece kilometri de Montluis, în micul sat montan Odeillo, este construit un alt cuptor solar - cel mai mare din lume. Cei care vin la "capitala soarelui" (așa cum o numește localul cu mândrie Odeio) întâlnesc un peisaj neobișnuit, asemănător cu peisajul pentru filmarea unui film science fiction. Alături de biserica arhitectură antică se află o clădire cu mai multe etaje de ultimă generație - Laboratorul de Energie Solară. Întreaga fațadă nordică a acesteia este o oglindă parabolică imensă - o înălțime de 40 și o lățime de 50 de metri. Pe partea opusă a muntelui există rânduri de zeci de oglinzi de dimensiuni destul de impresionante - heliostați. Razele soarelui prinse de heliostați sunt îndreptate mai întâi către o oglindă parabolică și de acolo, colectate într-un fascicul, intră într-un cuptor de topire unde se creează o temperatură de 3500 ° C. Căldura, dezvoltată de "iepurașul" solar din ventilația cuptorului, este echivalentă cu 1000 de kilowați de electricitate. Cuptorul poate produce până la 2,5 tone de zirconiu pe zi.
Principalul avantaj al cuptoarelor solare constă în faptul că, în procesul de topire, impuritățile inutile nu intră în metal - nu au unde să ia. Prin urmare, metalele și aliajele produse aici sunt caracterizate printr-o puritate ridicată și sunt în continuă cerere. Există un alt argument serios în favoarea acestei metode de topire: Soarele nu trebuie să plătească pentru energia utilizată - lumina generoasă îi acordă oamenilor gratuit.
În concluzie, să ne referim la o neînțelegere. Scutul pământului conține mai mult zirconiu decât, de exemplu, cuprul, nichelul, plumbul sau zincul. Cu toate acestea, spre deosebire de aceste metale, zirconiul se numește rare. Odată ce a fost explicat prin marele absență a minereurilor de zirconiu, dificultatea extragerii zirconiului și chiar faptul că în tehnologie acest metal era într-adevăr un "vizitator rar". Acum, când producția de zirconiu crește în mod constant în fiecare an și se găsește din ce în ce mai multe aplicații, termenul "rare" pentru că își pierde deja semnificația. Dar trecutul este trecutul, iar problema originii zirconiului poate răspunde cu mândrie: "De la rar".