เซอร์โคเนียม: ประวัติคุณสมบัติโครงสร้างความเสี่ยงการใช้งาน - เคมี - 2026

เซอร์โคเนียมเป็นองค์ประกอบโลหะที่อยู่ในกลุ่มที่ 4 ของตารางธาตุซึ่งเป็นตัวแทนจากสัญลักษณ์ทางเคมี Zr มันอยู่ในกลุ่มเดียวกับไททาเนียมซึ่งอยู่ต่ำกว่านี้และสูงกว่าแฮฟเนียม

ชื่อของมันไม่มีส่วนเกี่ยวข้องกับ "ละครสัตว์" แต่ด้วยสีทองหรือสีทองของแร่ธาตุซึ่งเป็นที่รู้จักเป็นครั้งแรก ในเปลือกโลกและในมหาสมุทรอะตอมของมันในรูปของไอออนนั้นเกี่ยวข้องกับซิลิกอนและไทเทเนียมดังนั้นจึงเป็นส่วนประกอบของทรายและกรวด

โลหะเซอร์โคเนียมบาร์. ที่มา: Danny Peng

อย่างไรก็ตามสามารถพบได้ในแร่ธาตุที่แยกได้ ได้แก่ เพทายเซอร์โคเนียมออร์โธซิลิเกต ในทำนองเดียวกันเราสามารถพูดถึง baddeleyite ซึ่งสอดคล้องกับรูปแบบของแร่วิทยาของออกไซด์ ZrO _{2 ที่}เรียกว่าเซอร์โคเนีย เป็นเรื่องธรรมดาสำหรับชื่อเหล่านี้: 'เซอร์โคเนียม', 'เซอร์โคเนียม' และ 'เซอร์โคเนีย' ที่จะผสมกันและทำให้เกิดความสับสน

ผู้ค้นพบคือ Martin Heinrich Klaproth ในปี 1789; ในขณะที่บุคคลแรกที่แยกมันออกมาในรูปแบบที่ไม่บริสุทธิ์และไม่มีรูปร่างคือJöns Jakob Berzelius ในปี 1824 หลายปีต่อมามีการปรับปรุงกระบวนการเพื่อให้ได้ตัวอย่างของเพทายที่มีความบริสุทธิ์สูงขึ้นและการใช้งานเพิ่มขึ้นเมื่อคุณสมบัติของมันลึกขึ้น

เซอร์โคเนียมเป็นโลหะสีขาวสีเงิน (ภาพบนสุด) ที่มีความต้านทานต่อการกัดกร่อนสูงและมีความเสถียรสูงกับกรดส่วนใหญ่ ยกเว้นกรดไฮโดรฟลูออริกและกรดซัลฟิวริกร้อน เป็นองค์ประกอบที่ไม่เป็นพิษแม้ว่าจะสามารถลุกติดไฟได้ง่ายเนื่องจากมีคุณสมบัติในการสลายตัวและไม่ถือว่าเป็นอันตรายต่อสิ่งแวดล้อม

วัสดุต่างๆเช่นเบ้าหลอมแม่พิมพ์หล่อมีดนาฬิกาท่อเครื่องปฏิกรณ์เพชรปลอมและอื่น ๆ ได้รับการผลิตจากเซอร์โคเนียมออกไซด์และโลหะผสม ดังนั้นร่วมกับไททาเนียมโลหะพิเศษและตัวเลือกที่ดีเมื่อออกแบบวัสดุที่ต้องทนต่อสภาวะที่ไม่เป็นมิตร

ในทางกลับกันจากเซอร์โคเนียมยังสามารถออกแบบวัสดุสำหรับการใช้งานที่ละเอียดยิ่งขึ้น ตัวอย่างเช่น: กรอบออร์แกโนเมทัลลิกหรือกรอบโลหะอินทรีย์ซึ่งสามารถทำหน้าที่เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาที่แตกต่างกันสารดูดซับการจัดเก็บโมเลกุลของแข็งที่ซึมผ่านได้และอื่น ๆ

ประวัติศาสตร์

การรับรู้

อารยธรรมโบราณรู้แล้วเกี่ยวกับแร่เซอร์โคเนียมโดยเฉพาะเพทายซึ่งปรากฏเป็นอัญมณีสีทองที่มีสีคล้ายกับทองคำ จากนั้นมันได้ชื่อมาจากคำว่า 'zargun' ซึ่งแปลว่า 'สีทอง' เนื่องจากออกไซด์ของมันได้รับการยอมรับเป็นครั้งแรกจากแร่เจอร์กอนซึ่งประกอบด้วยเซอร์โคเนียม (เซอร์โคเนียมออร์โธซิลิเกต)

การยอมรับนี้เกิดขึ้นโดย Martin Klaproth นักเคมีชาวเยอรมันในปี 1789 เมื่อเขาศึกษาตัวอย่างพาเลทที่นำมาจากเซอร์ลังกา (โดยเรียกว่าเกาะซีลอน) และเขาละลายด้วยด่าง เขาให้ชื่อออกไซด์นี้ว่าเซอร์โคเนียและพบว่าประกอบด้วยแร่ 70% อย่างไรก็ตามเขาล้มเหลวในความพยายามที่จะลดให้เป็นรูปแบบโลหะ

การแยกตัว

เซอร์ฮัมฟรีย์เดวี่ยังพยายามลดเซอร์โคเนีย แต่ไม่ประสบความสำเร็จในปี 1808 โดยใช้วิธีเดียวกันกับที่เขาสามารถแยกโพแทสเซียมและโซเดียมของโลหะได้ จนกระทั่งปี 1824 จาค็อบเบอร์ซีลิอุสนักเคมีชาวสวีเดนได้รับเซอร์โคเนียมที่ไม่บริสุทธิ์และไม่มีรูปร่างโดยการให้ความร้อนผสมโพแทสเซียมฟลูออไรด์ (K ₂ ZrF ₆ ) กับโพแทสเซียมโลหะ

อย่างไรก็ตามเซอร์โคเนียมของ Berzelius เป็นตัวนำไฟฟ้าที่ไม่ดีรวมถึงเป็นวัสดุที่ไม่มีประสิทธิภาพสำหรับการใช้งานใด ๆ ที่สามารถนำเสนอโลหะอื่น ๆ เข้ามาแทนที่ได้

กระบวนการคริสตัลบาร์

เซอร์โคเนียมยังคงถูกลืมมาเป็นเวลาหนึ่งศตวรรษจนกระทั่งในปีพ. ศ. 2468 นักวิทยาศาสตร์ชาวดัตช์ Anton Eduard van Arkel และ Jan Hendrik de Boer ได้คิดค้นกระบวนการของแท่งผลึกเพื่อให้ได้เซอร์โคเนียมโลหะที่มีความบริสุทธิ์สูงขึ้น

กระบวนการนี้ประกอบด้วยการให้ความร้อนเซอร์โคเนียมเตตระโอไดด์ ZrI ₄บนไส้หลอดทังสเตนเพื่อให้ Zr ⁴⁺ลดลงเป็น Zr และผลลัพธ์ก็คือแท่งผลึกของเซอร์โคเนียมเคลือบทังสเตน (คล้ายกับในภาพแรก)

กระบวนการ Kroll

ในที่สุดกระบวนการ Kroll ได้ถูกนำไปใช้ในปีพ. ศ. 2488 เพื่อให้ได้เซอร์โคเนียมโลหะที่มีความบริสุทธิ์สูงขึ้นและมีต้นทุนต่ำกว่าซึ่งใช้เซอร์โคเนียมเตตระคลอไรด์ ZrCl ₄แทน tetraiodide

คุณสมบัติทางกายภาพและทางเคมี

ลักษณะทางกายภาพ

โลหะที่มีพื้นผิวมันวาวและสีเงิน ถ้าเป็นสนิมจะเปลี่ยนเป็นสีเทาเข้ม แบ่งอย่างประณีตเป็นผงสีเทาและอสัณฐาน (พูดเผินๆ)

เลขอะตอม

40

มวลโมลาร์

91.224 ก. / โมล

จุดหลอมเหลว

1855C

จุดเดือด

4377 ºC

อุณหภูมิการสลายตัวอัตโนมัติ

330 ºC

ความหนาแน่น

ที่อุณหภูมิห้อง: 6.52 g / cm ³

ที่จุดหลอมเหลว: 5.8 g / cm ³

ความร้อนของฟิวชั่น

14 กิโลจูล / โมล

ความร้อนของการกลายเป็นไอ

591 กิโลจูล / โมล

ความจุความร้อนกราม

25.36 J / (โมล K)

อิเล็ก

1.33 ในระดับ Pauling

พลังงานไอออไนเซชัน

- ขั้นแรก: 640.1 กิโลจูล / โมล ( ก๊าซZr ⁺ )

- วินาที: 1270 กิโลจูล / โมล ( ก๊าซZr ²⁺ )

- ประการที่สาม: 2218 กิโลจูล / โมล ( ก๊าซZr ³⁺ )

การนำความร้อน

22.6 W / (ม. K)

ความต้านทานไฟฟ้า

421 nΩ m ที่ 20 ° C

ความแข็ง Mohs

5.0

การเกิดปฏิกิริยา

เซอร์โคเนียมไม่ละลายในกรดและเบสแก่เกือบทั้งหมด เจือจางเข้มข้นหรือร้อน เนื่องจากชั้นออกไซด์ป้องกันซึ่งก่อตัวขึ้นอย่างรวดเร็วเมื่อสัมผัสกับบรรยากาศเคลือบโลหะและป้องกันไม่ให้สึกกร่อน อย่างไรก็ตามมันละลายได้มากในกรดไฮโดรฟลูออริกและละลายได้เล็กน้อยในกรดซัลฟิวริกร้อน

ไม่ทำปฏิกิริยากับน้ำภายใต้สภาวะปกติ แต่ทำปฏิกิริยากับไอระเหยที่อุณหภูมิสูงเพื่อปลดปล่อยไฮโดรเจน:

Zr + 2 H ₂ O → ZrO ₂ + 2 H ₂

และยังทำปฏิกิริยาโดยตรงกับฮาโลเจนที่อุณหภูมิสูงอีกด้วย

โครงสร้างและการกำหนดค่าอิเล็กทรอนิกส์

พันธะโลหะ

อะตอมของเซอร์โคเนียมมีปฏิสัมพันธ์ซึ่งกันและกันด้วยพันธะโลหะซึ่งถูกควบคุมโดยเวเลนซ์อิเล็กตรอนของพวกมันและตามการกำหนดค่าทางอิเล็กทรอนิกส์สิ่งเหล่านี้พบได้ในวงโคจร 4d และ 5s:

4d ² 5s ²

ดังนั้นเซอร์โคเนียมจึงมีอิเล็กตรอน 4 ตัวในการสร้างแถบเวเลนซ์ syd ผลคูณของการทับซ้อนกันของออร์บิทัล 4d และ 5s ตามลำดับของอะตอม Zr ทั้งหมดในคริสตัล โปรดทราบว่าสิ่งนี้สอดคล้องกับข้อเท็จจริงที่ว่าเซอร์โคเนียมอยู่ในตำแหน่งกลุ่มที่ 4 ของตารางธาตุ

ผลของ "ทะเลอิเล็กตรอน" นี้ซึ่งแพร่กระจายและกระจายออกไปในทุกทิศทางของคริสตัลเป็นแรงยึดเกาะที่สะท้อนให้เห็นในจุดหลอมเหลวที่ค่อนข้างสูง (1855ºC) ของเซอร์โคเนียมเมื่อเทียบกับโลหะอื่น ๆ

ขั้นตอนของผลึก

ในทำนองเดียวกันแรงหรือพันธะโลหะนี้มีหน้าที่สั่งให้อะตอม Zr กำหนดโครงสร้างหกเหลี่ยมขนาดกะทัดรัด (hcp); นี่เป็นขั้นตอนแรกในสองขั้นตอนของผลึกซึ่งแสดงเป็นα-Zr

ในขณะเดียวกันเฟสผลึกที่สองคือβ-Zr ซึ่งมีโครงสร้างลูกบาศก์อยู่ตรงกลางร่างกาย (bcc) จะปรากฏขึ้นเมื่อเซอร์โคเนียมถูกทำให้ร้อนถึง 863 ºC ถ้าความดันเพิ่มขึ้นโครงสร้าง bcc ของβ-Zr จะบิดเบี้ยว มันเปลี่ยนรูปเมื่อระยะห่างระหว่างอะตอมของ Zr ถูกบีบอัดและสั้นลง

เลขออกซิเดชัน

โครงร่างอิเล็กตรอนของเซอร์โคเนียมเผยให้เห็นทันทีว่าอะตอมของมันสามารถสูญเสียอิเล็กตรอนได้ถึงสี่ตัวหากรวมกับองค์ประกอบที่มีอิเล็กโทรเนกาติวิตีมากกว่าตัวมันเอง ดังนั้นหากถือว่าการมีอยู่ของไอออนบวก Zr ⁴⁺ซึ่งมีความหนาแน่นของประจุไอออนิกสูงมากจำนวนหรือสถานะออกซิเดชั่นจะเป็น +4 หรือ Zr (IV)

ในความเป็นจริงนี่คือเลขออกซิเดชันหลักและเสถียรที่สุด ตัวอย่างเช่นชุดของสารประกอบต่อไปนี้มีเซอร์โคเนียมเป็น +4: ZrO ₂ (Zr ⁴⁺ O ₂ ^2- ), Zr (WO ₄ ) ₂ , ZrBr ₄ (Zr ⁴⁺ Br ₄ ^- ) และ ZrI ₄ (Zr ^{4 +} I ₄ ^- )

เซอร์โคเนียมยังสามารถมีเลขออกซิเดชันบวกอื่น ๆ : +1 (Zr ⁺ ), +2 (Zr ²⁺ ) และ +3 (Zr ³⁺ ); อย่างไรก็ตามสารประกอบของมันหายากมากดังนั้นจึงแทบไม่ได้รับการพิจารณาเมื่อกล่าวถึงประเด็นนี้

เซอร์โคเนียมน้อยกว่ามากที่มีเลขออกซิเดชันเป็นลบ: -1 (Zr ^- ) และ -2 (Zr ^2- ) โดยสมมติว่ามีแอนไอออน "เซอร์โคเนียม" อยู่

เพื่อให้เงื่อนไขเกิดขึ้นต้องมีความพิเศษองค์ประกอบที่รวมเข้าด้วยกันจะต้องมีค่าอิเล็กโทรเนกาติวิตีต่ำกว่าเซอร์โคเนียมหรือต้องจับกับโมเลกุล ที่มันเกิดขึ้นกับประจุลบที่ซับซ้อน^2-ซึ่งในหกโมเลกุลของ CO ประสานงานกับศูนย์ Zr 2-

จะหาและรับได้ที่ไหน

เพทาย

คริสตัลเพทายที่แข็งแรงฝังอยู่ในควอตซ์ ที่มา: Rob Lavinsky, iRocks.com - CC-BY-SA-3.0

เซอร์โคเนียมเป็นองค์ประกอบที่มีอยู่มากมายในเปลือกโลกและทะเล แร่หลักของมันคือแร่เพทาย (ภาพบน) ซึ่งมีองค์ประกอบทางเคมีคือ ZrSiO ₄หรือ ZrO ₂ · SiO ₂ ; และในระดับน้อยเนื่องจากความขาดแคลนของ baddeleyite แร่ซึ่งประกอบด้วยเกือบทั้งหมดของเซอร์โคเนีย ZrO 2

เซอร์โคเนียมแสดงให้เห็นถึงแนวโน้มทางธรณีเคมีที่แข็งแกร่งในการเชื่อมโยงกับซิลิกอนและไททาเนียมซึ่งเป็นสาเหตุที่ทำให้ทรายและกรวดของชายหาดมหาสมุทรมีตะกอนดินตะกอนและพื้นทะเลสาบตลอดจนหินอัคนีที่ไม่ได้ถูกกัดเซาะ .

การรักษาและกระบวนการ Kroll

ดังนั้นจึงต้องแยกผลึกเพทายออกจากรูไทล์และอิลเมไนต์ก่อน TiO ₂และจากควอตซ์ SiO ₂ด้วย สำหรับสิ่งนี้ทรายจะถูกรวบรวมและวางไว้ในหัวเทียนแบบเกลียวซึ่งแร่ของพวกมันจะถูกแยกออกโดยขึ้นอยู่กับความแตกต่างของความหนาแน่น

จากนั้นไททาเนียมออกไซด์จะถูกแยกออกโดยใช้สนามแม่เหล็กจนกระทั่งของแข็งที่เหลือประกอบด้วยเพทายเท่านั้น (ไม่ใช่ TiO ₂หรือ SiO ₂อีกต่อไป) เมื่อเสร็จแล้วก๊าซคลอรีนจะถูกใช้เป็นตัวรีดิวซ์เพื่อเปลี่ยน ZrO ₂เป็น ZrCl ₄เช่นเดียวกับไทเทเนียมในกระบวนการ Kroll:

ZrO ₂ + 2Cl ₂ + 2C (900 ° C) → ZrCl ₄ + 2CO

และในที่สุด ZrCl ₄จะลดลงด้วยแมกนีเซียมหลอมเหลว:

ZrCl ₄ + 2Mg (1100 ° C) → 2MgCl ₂ + Zr

เหตุผลที่ไม่ดำเนินการลดโดยตรงจาก ZrO ₂เนื่องจากคาร์ไบด์สามารถก่อตัวได้ซึ่งยากต่อการลดลง ฟองน้ำเซอร์โคเนียมที่สร้างขึ้นจะถูกล้างด้วยสารละลายกรดไฮโดรคลอริกและละลายภายใต้บรรยากาศเฉื่อยของฮีเลียมเพื่อสร้างแท่งเซอร์โคเนียมโลหะ

การแยกแฮฟเนียมจากเซอร์โคเนียม

เซอร์โคเนียมมีเปอร์เซ็นต์แฮฟเนียมต่ำ (1 ถึง 3%) ในองค์ประกอบเนื่องจากความคล้ายคลึงกันทางเคมีระหว่างอะตอม

สิ่งนี้ไม่ได้เป็นปัญหาสำหรับแอปพลิเคชันส่วนใหญ่ของคุณ อย่างไรก็ตามแฮฟเนียมไม่โปร่งใสต่อนิวตรอนในขณะที่เซอร์โคเนียมคือ ดังนั้นเซอร์โคเนียมโลหะจึงต้องถูกทำให้บริสุทธิ์จากสิ่งเจือปนของแฮฟเนียมเพื่อใช้ในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์

เพื่อให้บรรลุเป้าหมายนี้จะใช้เทคนิคการแยกส่วนผสมเช่นการตกผลึก (ของเกลือฟลูออไรด์) และการกลั่นแบบแยกส่วน (ของเตตระคลอไรด์) และการสกัดด้วยของเหลวโดยใช้ตัวทำละลายเมทิลไอโซบิวทิลคีโตนและน้ำ

ไอโซโทป

เซอร์โคเนียมพบได้บนโลกโดยเป็นส่วนผสมของไอโซโทปเสถียรสี่ตัวและหนึ่งกัมมันตรังสี แต่มีครึ่งชีวิตที่ยาวนาน (t _1/2 = 2.0 · 10 ¹⁹ปี) จึงมีความเสถียรพอ ๆ กับ คนอื่น ๆ

ไอโซโทปทั้งห้านี้มีจำนวนมากตามลำดับดังต่อไปนี้:

- ⁹⁰ Zr (51.45%)

- ⁹¹ Zr (11.22%)

- ⁹² Zr (17.15%)

- ⁹⁴ Zr (17.38%)

- ⁹⁶ Zr (2.80% กัมมันตภาพรังสีดังกล่าวข้างต้น)

เป็นมวลอะตอมเฉลี่ย 91,224 u ซึ่งใกล้⁹⁰ Zr มากกว่า⁹¹ Zr นี่แสดงให้เห็น "น้ำหนัก" ที่ไอโซโทปมวลอะตอมสูงกว่าเมื่อนำมาพิจารณาในการคำนวณค่าเฉลี่ยถ่วงน้ำหนัก

นอกจาก⁹⁶ Zr แล้วยังมีไอโซโทปกัมมันตภาพรังสีอีกชนิดหนึ่งในธรรมชาติ: ⁹³ Zr (t _1/2 = 1.53 · 10 ⁶ปี) อย่างไรก็ตามพบได้ในปริมาณการติดตามดังนั้นการมีส่วนร่วมต่อมวลอะตอมเฉลี่ย 91.224 u จึงมีค่าเล็กน้อย นั่นคือเหตุผลที่เซอร์โคเนียมอยู่ไกลจากการจัดประเภทเป็นโลหะกัมมันตภาพรังสี

นอกเหนือจากไอโซโทปธรรมชาติ 5 ไอโซโทปของเซอร์โคเนียมและไอโซโทปวิทยุ⁹³ Zr แล้วยังมีการสร้างไอโซโทปเทียมอื่น ๆ (28 จนถึงขณะนี้) ซึ่ง⁸⁸ Zr (t _1/2 = 83.4 วัน), ⁸⁹ Zr (t _1/2 = 78.4 ชั่วโมง) และ¹¹⁰ Zr (30 มิลลิวินาที)

ความเสี่ยง

โลหะ

เซอร์โคเนียมเป็นโลหะที่ค่อนข้างเสถียรดังนั้นจึงไม่มีปฏิกิริยาใดรุนแรง เว้นแต่จะพบว่าเป็นผงที่แบ่งอย่างประณีต เมื่อพื้นผิวของแผ่นเซอร์โคเนียมีรอยขีดข่วนด้วยกระดาษทรายมันจะปล่อยประกายไฟจากหลอดไส้เนื่องจากความหนาแน่นของมัน แต่สิ่งเหล่านี้จะดับทันทีในอากาศ

อย่างไรก็ตามสิ่งที่แสดงถึงอันตรายจากไฟไหม้ที่อาจเกิดขึ้นคือการให้ความร้อนกับผงเซอร์โคเนียมต่อหน้าออกซิเจน: มันเผาไหม้ด้วยเปลวไฟที่มีอุณหภูมิ 4460 ° C; หนึ่งในโลหะที่ร้อนแรงที่สุด

ไอโซโทปกัมมันตภาพรังสีของเซอร์โคเนียม ( ⁹³ Zr และ⁹⁶ Zr) ปล่อยรังสีพลังงานต่ำดังกล่าวซึ่งไม่เป็นอันตรายต่อสิ่งมีชีวิต จากที่กล่าวมาทั้งหมดข้างต้นสามารถระบุได้ว่าโลหะเซอร์โคเนียมเป็นองค์ประกอบที่ไม่เป็นพิษ

ไอออน

ไอออนของเซอร์โคเนียม Zr ⁴⁺สามารถพบกระจายทั่วไปในอาหารบางชนิด (ผักและโฮลวีต) และสิ่งมีชีวิต ร่างกายมนุษย์มีความเข้มข้นของเซอร์โคเนียมเฉลี่ย 250 มก. และจนถึงขณะนี้ยังไม่มีการศึกษาใดที่เชื่อมโยงกับอาการหรือโรคเนื่องจากการบริโภคเกินเล็กน้อย

Zr ⁴⁺อาจเป็นอันตรายได้ขึ้นอยู่กับประจุลบที่มาพร้อมกัน ตัวอย่างเช่น ZrCl ₄ที่ความเข้มข้นสูงแสดงให้เห็นว่าเป็นอันตรายถึงชีวิตสำหรับหนูและยังส่งผลกระทบต่อสุนัขเนื่องจากจะช่วยลดจำนวนเม็ดเลือดแดงของพวกมัน

เกลือของเซอร์โคเนียมจะระคายเคืองต่อดวงตาและลำคอและขึ้นอยู่กับแต่ละบุคคลว่าสามารถระคายเคืองต่อผิวหนังได้หรือไม่ เกี่ยวกับปอดมีรายงานความผิดปกติเล็กน้อยในผู้ที่สูดดมเข้าไปโดยบังเอิญ ในทางกลับกันไม่มีการศึกษาทางการแพทย์ที่รับรองว่าเซอร์โคเนียมเป็นสารก่อมะเร็ง

ด้วยเหตุนี้จึงสามารถกล่าวได้ว่าโลหะเซอร์โคเนียหรือไอออนของมันก่อให้เกิดความเสี่ยงต่อสุขภาพที่น่าตกใจ อย่างไรก็ตามมีสารประกอบเซอร์โคเนียมที่มีแอนไอออนที่อาจส่งผลเสียต่อสุขภาพและสิ่งแวดล้อมโดยเฉพาะอย่างยิ่งหากเป็นแอนไอออนอินทรีย์และอะโรมาติก

การประยุกต์ใช้งาน

- โลหะ

เซอร์โคเนียมในฐานะโลหะพบการใช้งานที่หลากหลายเนื่องจากคุณสมบัติของมัน มีความต้านทานสูงต่อการกัดกร่อนและการโจมตีของกรดและเบสแก่รวมถึงสารที่มีปฏิกิริยาอื่น ๆ ทำให้เป็นวัสดุที่เหมาะสำหรับการผลิตเครื่องปฏิกรณ์ท่อและเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบทั่วไป

ในทำนองเดียวกันด้วยวัสดุทนไฟเซอร์โคเนียมและโลหะผสมที่ต้องทนต่อสภาวะที่รุนแรงหรือละเอียดอ่อน ตัวอย่างเช่นใช้ทำแม่พิมพ์หล่อวีเนียร์และกังหันสำหรับเรือและยานพาหนะอวกาศหรืออุปกรณ์ผ่าตัดเฉื่อยเพื่อไม่ให้ทำปฏิกิริยากับเนื้อเยื่อของร่างกาย

ในทางกลับกัน pyrophoricity ของมันถูกใช้เพื่อสร้างอาวุธและดอกไม้ไฟ เนื่องจากอนุภาคของเซอร์โคเนียมที่ละเอียดมากสามารถเผาไหม้ได้ง่ายมากทำให้เกิดประกายไฟจากหลอดไส้ ปฏิกิริยาที่น่าทึ่งกับออกซิเจนที่อุณหภูมิสูงถูกใช้เพื่อจับมันภายในท่อซีลสูญญากาศและภายในหลอดไฟ

อย่างไรก็ตามการใช้งานที่สำคัญที่สุดเหนือสิ่งอื่นใดคือการใช้เป็นวัสดุสำหรับเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์เนื่องจากเซอร์โคเนียมไม่ทำปฏิกิริยากับนิวตรอนที่ปล่อยออกมาในการสลายตัวของกัมมันตภาพรังสี

- เซอร์โคเนีย

เพชร Cubic zirconia ที่มา: Pixabay

จุดหลอมเหลวสูง (2715 ºC) ของเซอร์โคเนีย (ZrO ₂ ) ทำให้เป็นทางเลือกที่ดียิ่งขึ้นสำหรับเซอร์โคเนียมสำหรับการผลิตวัสดุทนไฟ ตัวอย่างเช่นเบ้าหลอมที่ต้านทานการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างกะทันหันเซรามิกที่แข็งมีดคมกว่าเหล็กกล้าแก้วและอื่น ๆ

มีการใช้เซอร์โคเนียชนิดต่างๆที่เรียกว่า 'ลูกบาศก์เซอร์โคเนีย' ในเครื่องประดับเนื่องจากสามารถใช้ทำเพชรเหลี่ยมเพชรพลอยแบบจำลองที่สมบูรณ์แบบได้ (ภาพด้านบน)

- การขายและอื่น ๆ

เกลือเซอร์โคเนียมอนินทรีย์หรืออินทรีย์รวมทั้งสารประกอบอื่น ๆ มีการใช้งานมากมายนับไม่ถ้วนซึ่งเราสามารถพูดถึง:

- สีฟ้าและสีเหลืองเพื่อเคลือบเซรามิกและอัญมณีปลอม (ZrSiO ₄ )

- ตัวดูดซับคาร์บอนไดออกไซด์ (Li ₂ ZrO ₃ )

- เคลือบในอุตสาหกรรมกระดาษ (เซอร์โคเนียมอะซิเตท)

- สารระงับเหงื่อ (ZrOCl ₂และส่วนผสมของเกลือที่ซับซ้อนของเซอร์โคเนียมและอลูมิเนียม)

- สีและหมึกพิมพ์

- การฟอกไตและการกำจัดสิ่งปนเปื้อนในน้ำ (ฟอสเฟตและเซอร์โคเนียมไฮดรอกไซด์)

-Adhesives

- ตัวเร่งปฏิกิริยาสำหรับอะมิเนชั่นอินทรีย์ปฏิกิริยาออกซิเดชั่นและไฮโดรจิเนชัน (สารประกอบเซอร์โคเนียมใด ๆ ที่แสดงฤทธิ์เร่งปฏิกิริยา)

- สารเพิ่มความลื่นไหลของปูนซีเมนต์

-Alkali ไอออนของแข็งที่ซึมผ่านได้

- เฟรม Organometallic

อะตอมของเซอร์โคเนียมเป็นไอออน Zr ⁴⁺สามารถสร้างพันธะประสานกับออกซิเจน Zr ^IV -O ในลักษณะที่สามารถโต้ตอบได้โดยไม่มีปัญหากับลิแกนด์อินทรีย์ที่มีออกซิเจน นั่นคือเซอร์โคเนียมสามารถสร้างสารประกอบออร์แกโนเมทัลลิกได้หลายชนิด

สารประกอบเหล่านี้โดยการควบคุมพารามิเตอร์การสังเคราะห์สามารถใช้เพื่อสร้างกรอบออร์แกโนเมทัลลิกหรือที่รู้จักกันดีในชื่อกรอบโลหะอินทรีย์ (MOFs สำหรับตัวย่อในภาษาอังกฤษ: Metal-Organic Framework) วัสดุเหล่านี้โดดเด่นในเรื่องของการมีรูพรุนสูงและมีโครงสร้างสามมิติที่น่าดึงดูดเช่นเดียวกับซีโอไลต์

การใช้งานขึ้นอยู่กับว่าลิแกนด์อินทรีย์ชนิดใดที่เลือกใช้เพื่อประสานงานกับเซอร์โคเนียมเช่นเดียวกับการปรับสภาพการสังเคราะห์ให้เหมาะสม (อุณหภูมิ pH เวลากวนและปฏิกิริยาอัตราส่วนโมลาร์ปริมาตรตัวทำละลาย ฯลฯ )

UIO-66

ตัวอย่างเช่นใน MOFs ของเซอร์โคเนียมเราสามารถกล่าวถึง UiO-66 ซึ่งขึ้นอยู่กับปฏิสัมพันธ์ของ Zr-terephthalate (จากกรดเทเรฟทาลิก) โมเลกุลนี้ซึ่งทำหน้าที่เป็น แกนด์ประสานงานกับ Zr ⁴⁺โดย -COO กลุ่มของพวกเขา^-สร้างสี่พันธบัตร Zr-O

นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยอิลลินอยส์นำโดย Kenneth Suslick สังเกตว่า UiO-66 ภายใต้แรงทางกลที่รุนแรงได้รับการเปลี่ยนรูปโครงสร้างเมื่อพันธะ Zr-O สองในสี่ขาด

ดังนั้น UiO-66 จึงสามารถใช้เป็นวัสดุที่กำหนดให้กระจายพลังงานกลแม้จะสามารถทนต่อแรงกดดันที่เทียบเท่ากับการระเบิดของทีเอ็นทีก่อนที่จะเกิดการแตกหักของโมเลกุล

MOFs-808

โดยการแลกเปลี่ยนกรดเทเรฟทาลิกเป็นกรดไตรเมซิก (วงแหวนเบนซีนที่มีกลุ่ม -COOH สามกลุ่มในตำแหน่ง 2, 4, 6) ทำให้เกิดโครงกระดูกออร์แกโนเมทัลลิกใหม่สำหรับเซอร์โคเนียม: MOFs-808

ได้มีการศึกษาคุณสมบัติและความสามารถในการทำหน้าที่เป็นวัสดุกักเก็บไฮโดรเจน นั่นคือโมเลกุล H ₂จะลงเอยด้วยการโฮสต์รูขุมขนของ MOFs-808 จากนั้นจึงแยกออกเมื่อจำเป็น

MIP-202

และในที่สุดเราก็มี MOFs MIP-202 จาก Institute of Porous Materials ในปารีส คราวนี้พวกเขาใช้กรดแอสปาร์ติก (กรดอะมิโน) เป็นตัวประสาน อีกครั้งพันธะ Zr-O ของ Zr ⁴⁺และออกซีเจนของแอสพาเทต (กลุ่ม -COOH ที่ถูกถอดออกมา) เป็นแรงทิศทางที่กำหนดโครงสร้างสามมิติและมีรูพรุนของวัสดุนี้

MIP-202 ได้รับการพิสูจน์แล้วว่าเป็นตัวนำโปรตอน (H ⁺ ) ที่ดีเยี่ยมซึ่งเคลื่อนที่ผ่านรูพรุนจากช่องหนึ่งไปยังอีกช่องหนึ่ง ดังนั้นจึงเป็นผู้สมัครเพื่อใช้เป็นวัสดุผลิตสำหรับเยื่อแลกเปลี่ยนโปรตอน ซึ่งจำเป็นสำหรับการพัฒนาแบตเตอรี่ไฮโดรเจนในอนาคต

อ้างอิง

1. ตัวสั่นและแอตกินส์ (2008) เคมีอนินทรีย์. (พิมพ์ครั้งที่สี่). Mc Graw Hill
2. วิกิพีเดีย (2019) เซอร์โคเนียม. สืบค้นจาก: en.wikipedia.org
3. Sarah Pierce (2019) เซอร์โคเนียมคืออะไร? - การใช้งานข้อเท็จจริงคุณสมบัติและการค้นพบ ศึกษา. ดึงมาจาก: study.com
4. จอห์นซี. (1963) โครงสร้างผลึกของไทเทเนียมเซอร์โคเนียมและแฮฟเนียมที่ความกดดันสูง ปีที่ 140 ฉบับที่ 3562 หน้า 72-73 DOI: 10.1126 / science.140.3562.72
5. Stephen Emma (25 ตุลาคม 2560). เซอร์โคเนียม MOF หัวเข็มขัดภายใต้ความกดดันของไดนาไมต์ ดึงมาจาก: chemistryworld.com
6. หวังซูจิงและคณะ (2018) กรอบโลหะอินทรีย์ของกรดอะมิโนเซอร์โคเนียมที่แข็งแกร่งสำหรับการนำโปรตอน doi.org/10.1038/s41467-018-07414-4
7. เอมสลีย์จอห์น (1 เมษายน 2551). เซอร์โคเนียม. เคมีในองค์ประกอบ ดึงมาจาก: chemistryworld.com
8. คาวาโนะจอร์แดน. (เอสเอฟ) เซอร์โคเนียม. ดึงมาจาก: chemistry.pomona.edu
9. ดร. ดั๊กสจ๊วต (2019) ข้อเท็จจริงของธาตุเซอร์โคเนียม Chemicool ดึงมาจาก: chemicool.com
10. บรรณาธิการของสารานุกรมบริแทนนิกา (05 เมษายน 2562). เซอร์โคเนียม. สารานุกรมบริแทนนิกา. ดึงมาจาก: britannica.com
11. ศูนย์ข้อมูลเทคโนโลยีชีวภาพแห่งชาติ (2019) เซอร์โคเนียม. ฐานข้อมูล PubChem CID = 23995 สืบค้นจาก: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov