Цирконий - химический элемент, его свойства и применение

Что за химический элемент?

Цирконий входит в состав циркона. Некоторые минералоги считают, что свое имя он получил от своего «родителя». А другая группа ученых утверждает, что понятие цирконий восходит к арабскому языку. Его можно перевести как «киноварь» или серебряный цвет.

Цирконий считается рассеянным химическим элементом, так как отдельно он не встречается в естественной среде. В природе геологи его находят как силикат либо оксид. Существование циркония было доказано в начале XVIII века Берцелиусом – химиком из Швеции. Атомный номер циркония – 40. Химический элемент в таблице обозначен символом Zr (латинское название Zirconium).Киноварь как металл был получен в начале XX столетия в лабораторных условиях из циркона. Он представляет собой прутья серебристо-белого цвета.

Циркон, цирконий и фианит.

Циркон и цирконий — звучит похоже, но …

Циркон — натуральный и весьма дорогой самоцвет, по стоимости сопоставим с сапфиром, по красоте и физическим свойствам не уступающий другим, более известным самоцветам. Это прозрачный камень различных цветов с очень сильным блеском, благодаря которому циркон на Востоке называли «младшим братом алмаза». Считается что название минерала произошло от персидского слова «царгун» — «золотой камень или златоцветный», видимо по золотисто-желтой окраске одной из разновидностей циркона — гиацинта.

В средние века уже были известны ювелирные украшения, которые считались «несовершенными алмазами». Имели они еще одно название -«мантарские камни» (по месту добычи минерала в Мантаре, на острове Цейлон). Эти «несовершенные алмазы» отличались от обычных несколько меньшей твердостью и менее интенсивным блеском после огранки. Тогда не подозревали, что это не алмаз, а монокристалл циркона.

Многие не знают, что циркон (Zircon) и кубический цирконий (Cubic Zirconia,CZ)– это абсолютно разные камни. То, что многие ошибочно называют «цирконом», на самом деле синтезированная кубическая окись циркония, или всем известный фианит. Название происходит от аббревиатуры ФИАН (Физический Институт Академии Наук), где был создан этот минерал в 1972 году. Фианит — это искуственно выращенный кристалл, имитатор бриллианта, но с более низкими характеристиками, очень популярен у ценителей ювелирных украшений благодаря яркому бриллиантовому блеску. В последние годы этот синтетический камень зарекомендовал себя как великолепный аналог драгоценных камней и как лучший заменитель природных алмазов. Крупные и удачно ограненные под бриллиант фианиты стоят довольно дорого и редки в ювелирных изделиях.

Даже синтетические алмазы могут стоить дорого. Материал-имитатор должен обладать всеми свойствами натурального камня, но самое главное — быть дешевым. Из-за рубежа ввозят кубический цирконий, или «циркон» который на самом деле фианит, выращенный по советской технологии, но замаскированный под этими коммерческими названиями. Это не алмаз вообще, не природный минерал и не химический элемент (металл) цирконий. Окрашенный в какой-либо цвет фианит своей бриллиантовой игрой создает совершенно отличный от любого природного камня неповторимый образ.

В таблице Менделеева есть элемент — металл цирконий (Zr), в природе встречается минерал циркон — силикат циркония (фактически соль), имеющий самостоятельное ювелирное применение, в лаборатории выращивают фианит (кубический циркон). То есть цирконий, циркон и фианит — разные материалы.

Циркон — природный камень магматических пород. В нем могут содержаться различные элементы, которые придают циркону различную окраску. В ювелирном деле используется в основном прозрачные кристаллы циркона золотисто-жёлтого, красновато-бурого, розового цвета.

Разновидности циркона: гиацинт (оранжевый или коричневато-красный), жаргон (соломенно-желтый), зеленый циркон. Природный циркон – довольно редкий гость в ювелирном магазине, ведь эти камни встречаются нечасто, а уж минералы ювелирного качества и того реже. В основном добыча идет на Цейлоне, Бирме, Таиланде. Большинство ювелирных цирконов добывают из аллювиальных песчано-галечных отложений в россыпях Шри-Ланки, Таиланда и Мадагаскара. Месторождения ювелирного циркона очень редки.

Когда говорят «Циркон» — это именно натуральный циркон, а не cubic zirconia, т.е. если Вы приобретаете изделие якобы с цирконом, а на ярлычке указано cubic zirconia, то это значит, что Вы приобретаете не циркон, а фианит. Будьте внимательны, настоящие природные цирконы достаточно редко встречаются. Ни один нормальный магазин или фабрика на новых изделиях обманывать не будут под страхом уголовной ответственности.

Ношение ювелирного украшения с цирконами требует особого внимания и осторожности, так как камень очень хрупкий и может легко разбиться. Мелкие цирконы могут быстро потерять в изделиях свой блеск, если за ними постоянно не ухаживать. Красные синтетические цирконы, имитирующие рубин и шпинель, лучше не приобретать, а поискать синтетические корунды (рубины), они имеют более товарный вид, тверже цирконов и проще в уходе.

Свойства металла

Цирконий, полученный искусственным путем – это серебристо-белый металл. Внешний вид киновари схож со сталью. Металл обладает уникальными свойствами, которых нет ни у одного природного образования.

Физические

Киноварь обладает такими физическими свойствами:

теплопроводностью — 23,86 Вт/(м x К);
температурой кипения примерно 4350 °С;
модулем упругости – 95–97 Гпа;
жесткостью – около 600–1700 Мпа;
способностью выдерживать нагревание до 2600 ˚С без деформирования;
плотностью 6,5-10 г на см3.

А еще металл серебряного цвета обладает пластичностью, он способен плавится в вакууме и в инертных газах.

Химические

Самое главное химическое свойство циркония – высокая устойчивость к коррозии даже при нахождении в кислотах и щелочах. Но эта способность снижается при воздействии высоких температур. Еще металл серебряного цвета может образовывать сплавы с другими химическими элементами.

Биологические

Киноварь имеет и биологические свойства. Она оказывает огромное положительное влияние на человеческий организм. Хорошая жизнедеятельность некоторых органов зависит от циркония, ведь он является биоэлементом и входит в структуру их клеток. Эти данные были получены отечественными физиологами совсем недавно во время проведения дополнительных исследований химического элемента. Все положительные качества циркония изучаются постепенно, практически ежегодно становятся известны новые факты о металле серебряного цвета.

Во многих ведущих клиниках, специализирующихся на челюстно-лицевой хирургии и травматологии, применяется новейший метод. Он заключается в применении специальных фиксаторов при множественных переломах костей. Эти приспособления скрепляют обломки, исключают сдвиги частей кости. Это способствует более быстрому срастанию тканей, следовательно, скорейшему заживлению переломов. Данные фиксаторы изготовляют из циркония. Так же сплавы из титана, нержавеющей стали, киновари используют при создании различных винтов, скоб, пластин, креплений, которые применяют в хирургии и даже при операциях на головном и спинном мозге.

Имплантанты из сплавов киновари имеют множество преимуществ перед другими материалами:

способность не ржаветь даже в агрессивной, кислотной среде;
высокую биологическую совместимость с любыми тканями человеческого организма;
отсутствие аллергических реакций при взаимодействии клеток с циркониевыми предметами;
отличную прочность фиксаторов, несмотря на то, что их конструкция зачастую простая.

Сплавы благодаря своей уникальной структуре имеют невысокую плотность, поэтому изделия из них имеют облегченную массу. Это качество так же ценно при изготовлении фиксаторов. Ко всему вышеперечисленному можно добавить то, что пластичность металла серебряного цвета позволяет создавать приспособления, полностью соответствующие контуру поврежденной кости.

Киноварь не раздражает окружающие ее мягкие и косные ткани, а наоборот оказывает благотворное влияние на них. Медиками было установлено, что циркониевые сережки (вдетые сразу после проведения миниоперации) способствуют быстрому заживлению ранок на мочках уха после прокалывания. Процесс идет намного быстрее, чем при ношении изделий из золота.

Если постоянно носить украшения из металла серебряного цвета, то в скором времени отмечается улучшение общего физического состояния. А метеозависимые люди перестают остро реагировать на перепады температуры и магнитные бури. Уже опытным путем врачами установлено, что циркониевые изделия обладают такими лечебными свойствами:

браслеты снимают раздражения при кожных заболеваниях и стабилизируют артериальное давление;
пояса помогают при лечении заболеваний опорно-двигательного аппарата;
пластины, которые накладывают на суставы, снимают боль при артрозах и артритах.

Даже при зубном протезировании опытные стоматологи рекомендуют выбирать материалы из киновари.

Но не стоит забывать, что циркониевые изделия не являются панацеей от всех болезней. Обязательно надо выполнять все назначения лечащего врача и принимать лекарства. А киноварь усилит действие препаратов традиционной медицины.

Физические и химические свойства

Цирконий — это металл серебристо-серого цвета с характерным блеском. Он существует в трех кристаллических модификациях: гексагональная (α), кубическая (β) и метастабильная гексагональная (ω). Свободный от примесей цирконий пластичен, легко поддается механической обработке при разных температурах. Хрупкость циркония объясняется присутствием в его составе малых количеств кислорода, водорода, углерода и азота. При концентрации кислорода большей, чем 0,2% цирконий теряет ковкость при низких температурах.

Известно пять природных изотопов циркония: 90Zr (51,46 %), 91Zr (11,23 %), 92Zr (17,11 %), 94Zr (17,4 %), 96Zr (2,8 %), причём 96Zr слабо радиоактивен.

На воздухе цирконий имеет свойство медленно покрываться оксидной пленкой. Также он активно реагирует с водородом, образуя гидриды. Кроме того, возможно образование тугоплавких нитридов при 700-800°C и карбидов при температуре выше 900°C. С галогенами металл вступает в реакцию при температуре выше 400°C, за исключением фтора, с которым цирконий реагирует при обычных условиях. Реагирует с большинством кислот (например, азотной и плавиковой) при соблюдении соответствующих концентраций и температурного режима и является единственным металлом, стойким в щелочах, содержащих аммиак.

Способы производства

Сырьем для промышленного производства металла серебряного цвета стал минерал циркон. Вначале полезное ископаемое проходит этап обогащения при помощи гравитационного способа, совмещенного с очищением руды сепарацией (электростатической и магнитной). Этот процесс заключается в спекании концентрата с известью, карбонатом кальция, содой при высоких температурах. Затем удаление из спека соединений кремния. Дальнейшее разложение соляной или серной кислотой, получение циркония из кислых растворов.

Существуют и другие способы получения киновари из цирконовых руд, но они нерентабельны из-за высокой себестоимости.

Как ухаживать за цирконием?

В отличие от бриллиантов, царапающих даже стекло, циркон — камень мягкий. Поэтому украшения с ним необходимо оберегать от механических повреждений. Желательно их хранить отдельно от других украшений. Цирконы весьма чувствительны к бытовой химии. Мыть их можно только слабо мыльным раствором и протирать мягкими салфетками или фланелевой тканью.

Множество разновидностей циркониев позволят выбрать тот камень, который больше нравится. Только придется оберегать изделия с ним от агрессивной среды и соприкосновений с чем-то твердым.

Применение циркония

Металл серебряного цвета используется в разных производственных отраслях.

Электротехника. Из сплава циркония с ниобием изготовляют сверхпрочные проводники, способные выдерживать огромную нагрузку. Так же киноварью покрывают электронные платы.
Ядерная энергетика. Цирконием покрывают запчасти, из которых впоследствии собирают механизмы для термоядерных реакторов.
Металлургия. Из металла изготовляют части сталелитейных печей, способные выдерживать температуры в тысячу единиц.
Машиностроение. Цирконий становится материалом для создания насосов и арматур, которые работают в агрессивных, кислотных средах.
Пиротехника. Салюты и фейерверки с применением киновари выделяют значительное количество световой энергии практически без дыма.
Химическая промышленность. Цирконий становится сырьем для металлокерамических покрытий, обладающих высокой износостойкостью и невосприимчивостью к кислотам.
Оптика. Новейшие линзы изготовляют из фианита – материала, состоящего из обработанного по специальной технологии циркония с добавлением редкоземельных металлов.
Военная промышленность. Киноварь применяют как наполнитель для осветительных ракет и трассирующих пуль.

Металл серебряного цвета применяется в медицине, о чем подробно было рассказано выше. А так же при изготовлении эксклюзивной посуды, которая стоит достаточно дорого. Но она обладает прекрасными гигиеническими свойствами. Всемирно известные модельеры создают авторские ткани, обладающие влагоотталкивающим свойством. Оказывается, его обеспечивают соли циркония, входящие в состав эмульсии, которой пропитывают материал. Киноварь применяют при изготовлении некоторых типографских красок и специальных лаков.

Цирконий нашел свое применение и в промышленном масштабном производстве, и в небольших мастерских, в которых мастера создают авторские вещи.

Интересные факты

Зеленый циркониевый металл способен накапливать радиацию. Именно по этой причине его редко можно увидеть на прилавке магазина. Во время легального добывания этот элемент должен пройти множество проверок на наличие в нем вредных веществ. Многие считают, что цирконий способен впитывать положительную энергию. По этой причине его используют для проведения магических ритуалов. Кроме этого:

Благодаря веществу тетрахлориду циркония создали манометр, с помощью которого можно измерять давление в замкнутом пространстве.
Дождевые плащи обладают влагоотталкивающим свойством благодаря соли циркония. Также их используют для изготовления типографической краски, специального лака и пластической массы.
Высокооктановое моторное топливо изготавливается с добавлением солей циркония. Следует знать, что в их составе есть дубильные вещества.

Кроме этого, всем известная «лампа Нернста» создана благодаря двуокиси циркония. Этот элемент выделяет интенсивный свет во время нагревания.

Минералы с содержанием циркония

Минералоги знакомы с полезными ископаемыми, содержащими киноварь:

Бадделеитом (оксидом циркония). Его применяют как добавку во время изготовления огнеупорной керамики. Так же минерал становится материалом для создания искусственных алмазов.
Эвдиалитом (цирконосиликатом). Эта руда подходит для производства редкоземельных металлов и циркония.

В природе пока не обнаружено еще минералов, имеющих в своем составе цирконий. Совсем недавно было установлено, что морская вода так же содержит соединения циркония. Но ученые пока не научились выделять металл из жидкости.

Цирконий: цены, ГОСТ, описание

Обозначение – ГОСТ 21907-76. Это пластичный и ковкий (практически как золото) коррозионностойкий, парамагнитный, жаростойкий металл. Цирконий устойчив к действию морской и хлорированной воды, аммиака, щелочей, кислот, свои качества не теряет в условиях низких и высоких температур. В основном применяется в сплаве с другими металлами. Это не только придает ему уникальные свойства, но и повышает технологичность. Стоимость – от 5500 рублей за килограмм в зависимости от марки и фирмы-изготовителя.

На сегодняшний момент цирконий относится к самоцветам. В Средневековье его называли братом алмаза, но присущая алмазам твердость в нем отсутствует.

Стоимость за грамм

Австралийский Союз и Южно-Африканская Республика уже давно являются основными поставщиками циркония на мировой рынок. Спрос на металл постоянно увеличивается. А количество поставляемого материала остается примерно на одном уровне. Поэтому его стоимость постоянно увеличивается.

На данный момент цена грамма киновари составляет около 100-200 рублей.

Цирконий знаком человеческому обществу уже столетие, но он до сих пор не открыл людям все свои тайны. Неясно, почему химический элемент получил свое имя, каково полное влияние металла на живой организм. Наверно известны не все серы, в которых можно применять удивительный металл серебряного цвета.

Биологическая роль и физиологическое действие

Цирконий не играет биологической роли в организме. Металлический цирконий и его нерастворимые соединения (диоксид, силикат) обладают высокой биологической инертностью (свойством никак не взаимодействовать с тканями и жидкостями организма благодаря химической стойкости). О воздействии соединений циркония на организм ничего не известно.

Пыль циркония представляет собой вещество с большой пожаро- и взрывоопасностью, поскольку может самовоспламениться на воздухе.

Циркониевые браслеты, рекламировавшиеся В. Кикабидзе и якобы снижающие артериальное давление, не оказывают реального терапевтического воздействия, их возможное субъективное действие объясняется эффектом плацебо.

Разновидности камня

Циркон справедливо считается одним из старейших драгоценных минералов Земли, т.к. ученые установили, что возраст этого элемента достигает 3-4 млрд лет. В настоящее время выделяется несколько видов циркония. Основным критерием такого разделения является разнообразие расцветок камня. Выделяют следующие разновидности:

Старлит. Прозрачный камень, получается при помощи обжигания – имеет синеватый или голубой оттенок.
Малакон. Отличается темно-коричневым окрасом, содержит небольшую дозу радиации.
Гиацинт. Прозрачный минерал, для которого характерен коричневый, оранжевый, красный цвет.
Матарский алмаз. Прозрачный, бесцветный, добывается из недр острова Матара – отсюда и название этой разновидности.
Жаргон. Минерал, для которого характерен соломенный, желтый или слегка золотистый окрас.

Кроме того, цирконий бывает представлен в виде металла или порошка – сфера их применения нередко различается. Например, первый применяется для изготовления украшений, а второй – в медицинской, производственной области. Подробнее об этих разновидностях:

Твердый металл. Имеет блестящий серебристо-серый оттенок, имеет высокую степень пластичности.
Порошок. Характерной особенность является наличие мелких гранул. Имеет темно-синий оттенок.

При нагреве Zirconium способен изменять цвет, благодаря чему ювелирам удается придать готовым изделиям разнообразные оттенки. Данный минерал бывает: