Zirconi (Zr) là gì? Tổng hợp các kiến thức về nguyên tố Zr

Nguyên tố Zirconium (Zr) là gì? Zr có những tính chất đặc trưng gì? Cách điều chế Zirconium (Zr) và ứng dụng của Zirconium (Zr) như thế nào? Bỏ túi rất nhiều các thông tin bổ ích và Zirconium với chia sẻ trong bài viết dưới đây của Admin.

Zirconium hay Zirconium là một nguyên tố hóa học nằm ở vị trí số 40 trong bảng tuần hoàn hóa học, tức là nó có số hiệu nguyên tử là 40. Zirconium có ký hiệu hóa học là Zr, nó thuộc kim loại chuyển tiếp nằm ở nhóm 4 và chu kỳ 5. Nó có màu trắng xám với vẻ ngoài bóng láng và có khối lượng nguyên tử là 91,224.

Zirconium (Zr) là gì?

Zirconium có khả năng chống ăn mòn cao nên nó là một thành phần tạo nên hợp kim chống ăn mòn. Trong tự nhiên nó không tồn tại ở dạng đơn chất mà tồn tại ở dạng hợp chất trong nhiều khoáng vật. Để điều chế Zirconium tinh khiết, người ta thường sử dụng Clo để khử. Năm 1824, Zirconium lần đầu tiên được Berzelius cô lập từ dạng không tin khiết.

Một trong những ứng dụng quan trọng của Zirconium là trong công nghệ vật liệu. Zr được sử dụng để sản xuất các hợp kim Zirconium, được sử dụng trong các ngành công nghiệp hạt nhân, hóa dầu, và xử lý hóa chất. Nó cũng được sử dụng trong sản xuất các vật liệu chịu nhiệt và chống ăn mòn, như thép không gỉ.

Trong tự nhiên, Zirconium có 5 đồng vị là: Zr⁹⁰, Zr⁹¹, Zr⁹² là đồng vị bền và Zr⁹⁴ và Zr⁹⁶ là đồng vị kém bền. Trong đó:

Đồng vị Zr⁹⁰là phổ biến nhất và nó chiếm khoảng 51,45% khối lượng Zr trên toàn thế giới.
Đồng vị Zr⁹⁴ chiếm khoảng 17,38% so với khối lượng của Zr trên toàn thế giới.
Đồng vị Zr⁹² chiếm khoảng 17,15% so với khối lượng của Zr trên toàn thế giới.
Đồng vị Zr⁹¹ chiếm khoảng 11,22% so với khối lượng của Zr trên toàn thế giới.
Đồng vị Zr⁹⁶ chỉ chiếm khoảng 2,8% so với khối lượng của Zr trên toàn thế giới.

Đồng vị của Zirconi

Trong các đồng vị trên thì đồng vị Zr⁹⁴ có chu kỳ bán phân rã là 1,10×1017 năm. Chu kỳ bán phân ra của Zr⁹⁶ là 2,4×1019 năm và nó tồn tại lâu nhất trong tự nhiên. Ngoài ra, nguyên tố Zirconium còn có 28 đồng vị nhân vật khác được tổng hợp từ 78 đến 110. Trong các đồng vị nhân tạo, thì đồng vị Zr⁹³ là tồn tại lâu nhất với chu kỳ bán phân ra là 1,53×106 năm và đồng vị Zr¹¹⁰ là đồng vị tồn tại ngắn nhất với chu kỳ bán phân ra chỉ khoảng 30 ms.

Các đồng vị phóng xạ của nguyên tố Zr có khối lượng nguyên tử từ 90 trở lên phân rã theo β-. Còn các đồng vị có khối lượng nguyên tử từ 89 trở xuống phân rã theo β+. Riêng đồng vị Zr⁸⁸ lại phân rã theo kiểu ε

Trong tất cả các đồng vị của nguyên tố Zirconium, nó có 6 đồng phân hạt nhân là: Zr^83m, Zr^85m, Zr^89m, Zr^90m1, Zr^90m2, Zr^91m. Với Zr^90m1 có chu kỳ bán phân rã ngắn nhất là 131 ns và đồng vị Zr^89m có chu kỳ bán phân ra lâu nhất là 4,161 phút.

Zirconium (Zr) là một loại khoáng vật đã từng được nhắc đến trong các văn bản kinh thánh với tên như: jargon, hyacinth, jacinthe, ligure. Nó không hề được biết đến như một khoáng vật chứa nguyên tố mới cho đến khi Klaproth đã tiến hành phân tích các mẫu jargon được tìm thấy trên đảo Ceylon của Ấn Độ Dương. Khi đó, ông đã đặt tên cho nguyên tố này là Zirkonerde (Zirconia).

Cấu hình e của Zr

Vào năm 1808, Humphry Davy đã cố gắng dùng phương pháp điện phân để cô lập nguyên tố Zirkonerde nhưng thất bại. Mãi đến năm 1824, Berzelius mới cô lập Zirconium ở dạng không tinh khiết thành công bằng cách nung nóng hỗn hợp với Potassium, Fluoride Zirconi-Kali để phân hủy nó trong ống sắt.

Đến năm 1925, Anton Eduard van Arkel và Jan Hendrik de Boer đã phát minh ra phương pháp kết tinh Zirconium hoàn toàn mới. Nó còn được gọi là phương pháp Iodide và nó giúp Zirconium được đưa vào sản xuất trên quy mô thương mại ở dạng kim loại nguyên chất. Phương pháp này nhiệt để phân hủy Tetraiodide Zirconium (ZrI₄).

Tuy nhiên, đến năm 1945, phương pháp này đã được thay thế bằng phương pháp Kroll của William Justin Kroll phát minh. Nó có chi phí rẻ hơn và dùng Magnesium để phá hủy hợp chất Tetraiodide Zirconium (ZrI₄) nhằm thu Zirconium nguyên chất. Hiện nay, Zirconium được điều chế nguyên chất để phục vụ cho mục đích thương mại phần lớn vẫn còn chưa 1 - 3% Hafnium.

Các tính chất vật lý đặc trưng của nguyên tố Zr gồm có:

Các tính chất đặc trưng của Zirconium (Zr) là gì?

Trạng thái vật liệu: Zirconium là một kim loại chuyển tiếp trong bảng tuần hoàn các nguyên tố, tức là nó có tính chất của cả kim loại và phi kim.
Màu sắc: Zirconium có màu bạc trắng và ánh kim loại.
Điểm nóng chảy: Điểm nóng chảy của Zirconium là khoảng 1855 ⁰C (3369 ^°F). Điểm nóng chảy cao này cho thấy Zr có khả năng chịu nhiệt tốt.
Điểm sôi: Zirconium có điểm sôi rất cao, ở khoảng 4409 ⁰C (7968 ⁰F). Điểm sôi cao này chỉ ra rằng zirconium có thể chịu được nhiệt độ cao.
Khối lượng riêng: Khối lượng riêng của Zirconium là khoảng 6.52 g/cm³. Điều này cho thấy Zr có mật độ khá cao.
Độ dẫn điện và nhiệt: Zirconium là một chất điện dẫn và chất dẫn nhiệt tốt. Nó có khả năng truyền dẫn dòng điện và nhiệt rất tốt.
Độ cứng: Zirconium có độ cứng khá cao, tuy nhiên, độ cứng của nó có thể thay đổi tùy thuộc vào độ tinh khiết và cấu trúc tinh thể.
Tính chất từ tính: Zr không có tính chất từ tính tự nhiên đáng kể. Tuy nhiên, khi hợp kim với một số nguyên tố khác như kẽm, nó có thể có tính chất từ tính ở nhiệt độ thấp.
Độ dẫn nhiệt: Zirconium có độ dẫn nhiệt tương đối cao lên đến 0,0236.10⁶, giúp nó truyền nhiệt tốt.
Độ âm điện: Zr có độ âm điện là 1,33.
Cấu hình electron: Cấu hình e đầy đủ của Zr là: 1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 4s² 3d¹⁰ 4p⁶ 5s² 4d². Viết tắt là [Kr] 4d² 5s². Vì vậy, Zirconium có hóa trị là +2, +3, +4.
Khả năng chống ăn mòn: Zirconium có khả năng chống ăn mòn cao đối với nhiều chất axit, kiềm và một số tác nhân ăn mòn khác. Điều này làm cho zirconium được sử dụng trong các ứng dụng chịu mòn, chẳng hạn như trong công nghiệp hóa chất và hạt nhân.

Zirconium có khả năng chống ăn mòn bởi các tác nhân như: Chất kiềm. acid, nước muối. Tuy nhiên, nó sẽ hòa tan trong các acid HCl, H₂SO₄ khi có sự tham gia của Fluorine.

Zr + 2HCl → ZrCl₂ + H₂↑

Zr + H₂SO₄ → Zr(SO₄)₂ + H₂↑

Zirconium có mức độ tồn tại trong tự nhiên khá thấp. Ở môi trường vỏ Trái Đất nó tồn tại với hàm lượng khoảng 130 mg/kg và trong nước biển nó tồn tại với hàm lượng khoảng 0,026 μg/L. Tuy không tồn tại dưới dạng kim loại tự nhiên, nguồn chính của Zirconium là từ khoáng vật Silicat Zirconium, được gọi là Zircon (ZrSiO₄). Zircon chủ yếu được tìm thấy ở các quốc gia như: Úc, Brasil, Ấn Độ, Nga, Nam Phi, và Hoa Kỳ, cũng như trong các trầm tích trên toàn thế giới. Khoảng 80% lượng zircon khai thác được tại Úc và Nam Phi. Ước tính tổng trữ lượng Zircon trên toàn cầu là trên 60 triệu tấn, với sản lượng hàng năm khoảng 900.000 tấn.

Trạng thái tự nhiên của Zirconium (Zr)

Zircon thường là một phụ phẩm trong quá trình khai thác và chế biến các khoáng vật titan như: ilmenit và rutile, cũng như trong quá trình khai thác thiếc. Trong giai đoạn từ năm 2003 đến năm 2007, giá của zircon tăng từ 360 USD lên 840 USD một tấn. Zirconium cũng có thể được tìm thấy trong hơn 140 loại khoáng vật khác nhau, như baddeleyite hay kosnarit.

Ngoài ra, Zirconium cũng có sự phổ biến tương đối trong ngôi sao loại S và đã được phát hiện trong Mặt Trời và các thiên thạch. Các mẫu đá Mặt Trăng thu thập từ chương trình Apollo chứa hàm lượng Oxide Zirconium rất cao so với các loại đá trên Trái Đất.

Một số hợp chất đang chú ý của nguyên tố Zirconium (Zr) là:

Dioxide Zirconium (ZrO₂): Nó còn gọi là Zirconia, là một hợp chất quan trọng của Zirconium. Nó có khả năng chống đứt gãy hiếm có và khả năng chống ăn mòn cao, đặc biệt là khi ở dạng hình hộp. Zirconia được sử dụng làm lớp che phủ cản nhiệt và là vật liệu thay thế phổ biến cho kim cương trong một số ứng dụng.
Tungstat Zirconium: Nó là một hợp chất đặc biệt của Zirconium. Khi bị nung nóng, Tungstat Zirconium co lại thay vì giãn nở ra như các vật liệu khác. Điều này làm cho nó hữu ích trong một số ứng dụng kỹ thuật.
Hydride Zirconium (ZrH₂): Đây là một hợp chất vô cơ của Zirconium. Nó được sử dụng trong một số ứng dụng công nghệ, đặc biệt là trong lĩnh vực lưu trữ năng lượng và xử lý chất thải hạt nhân.
Nitride Zirconium (ZrN): Nó là một hợp chất vô cơ khác của Zirconium. Nó có đặc tính cực kỳ cứng, chịu nhiệt và chống mài mòn. Nitride Zirconium được sử dụng trong các ứng dụng chịu mài mòn cao, như trong công nghiệp cắt, mài và gia công kim loại.
Tetrachloride Zirconium (ZrCl₄): Nó là một hợp chất vô cơ của Zirconium. Nó được sử dụng trong phản ứng hóa học, chẳng hạn như phản ứng Friedel-Crafts, một phản ứng quan trọng trong hóa học hữu cơ.
Các hợp chất hữu cơ của Zirconium: Zirconocen và tác nhân Schwartz, thường được sử dụng làm chất xúc tác trong các quá trình polymer hóa và biến đổi các hợp chất hữu cơ khác. Chúng có khả năng tạo ra các liên kết mạnh với phân tử hữu cơ và có ứng dụng trong tổng hợp hữu cơ và công nghệ polymer.

Cách điều chế Zirconium (Zr)

Sau khi người ta thu thập nước biển ở vùng duyên hải, các khoáng vật rắn Zirconium sẽ được tinh chế bằng các thiết bị cô đặc chuyên dụng hình xoắn ốc. Khi đó các tạp chất như cát, sỏi dư thừa sẽ được loại bỏ. Tiếp tục, sử dụng các thiết bị tách từ trường, khi đó các chất như ilmenit và rutile tiếp tục được loại bỏ. Các phụ phẩm được lọc ra này được đổ lại môi trường một cách an toàn bởi nó là thành phần từ tự nhiên.

Zircon được tinh lọc, sau đó người ta đem chúng điều chế để thu được Zirconium tinh khiết bằng cách sử dụng khí Clo hoặc các tác nhân khác. Sau đó đem nung nóng chảy để tạo sự kết dính để mềm tạo thành vật liệu luyện kim. Trong Zircon có chứa cả Zirconium và Hafni, chúng rất khó tách khỏi nhau bởi tính chất hóa học tương tự.

Chi tiết về các ứng dụng của nguyên tố Zirconium trong đời sống, sản xuất hiện nay như sau:

Ứng dụng của Zirconium trong đời sống, sản xuất

Ngành công nghiệp hạt nhân: Zirconium được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp hạt nhân để làm vỏ bọc cho thanh nhiên liệu hạt nhân. Đặc tính chống ăn mòn và khả năng chịu nhiệt cao của Zirconium làm cho nó trở thành vật liệu lý tưởng để bảo vệ và chứa chất nhiên liệu hạt nhân.
Công nghiệp hóa chất: Zirconium và hợp kim Zirconium được sử dụng trong các ứng dụng hóa chất. Với khả năng chống ăn mòn cao, Zirconium được sử dụng trong các bể chứa axit, các thiết bị chịu mòn và các ống dẫn chất ăn mòn.
Công nghiệp sản xuất giấy: Zirconium được sử dụng trong công nghiệp sản xuất giấy để làm mực in và phụ gia chống thấm nước. Sản phẩm Zirconium có khả năng tạo màng bảo vệ trên bề mặt giấy, giúp nâng cao tính chất chống thấm nước và độ bền của giấy.
Công nghiệp sơn: Zirconium được sử dụng trong ngành công nghiệp sơn như chất làm trắng và chất chống cháy trong sơn. Zirconium cung cấp tính trắng sáng và khả năng phản chiếu ánh sáng tốt, cải thiện tính chất bảo vệ và tạo màu cho sơn.
Công nghiệp sứ và gốm: Zirconium được sử dụng làm chất tăng cường và tạo màu trong sản xuất sứ và gốm. Zirconium cung cấp tính chịu nhiệt, độ cứng cao và tính ổn định hóa học, giúp nâng cao chất lượng và độ bền của các sản phẩm sứ và gốm.
Ngành công nghiệp không gỉ: Zirconium và hợp kim Zirconium được sử dụng trong sản xuất các vật liệu không gỉ như ống dẫn, ống hút, van và các bộ phận máy móc trong môi trường ăn mòn.
Công nghệ y tế: Zirconium được sử dụng trong ngành công nghệ y tế, bao gồm lĩnh vực nha khoa, công nghệ thay thế khớp, xạ trị, phân tích.

Zirconium và các hợp chất của nó có một số độc tính và tác động tiêu cực đối với sức khỏe con người và môi trường. Zr⁹³, một đồng vị phóng xạ của Zirconium, có khả năng gây tăng nguy cơ phát triển ung thư khi tiếp xúc qua việc ăn uống hoặc hít thở. Tuy nhiên, đây là một loại đồng vị phóng xạ hiếm và không phổ biến trong môi trường tự nhiên.

Một số thông tin về độc tính cần biết của Zirconium (Zr)

Phơi nhiễm ngắn hạn với bột Zirconium có thể gây ra dị ứng, đặc biệt khi tiếp xúc với mắt. Do đó, việc tiếp xúc với bột Zirconium cần được quan tâm và theo dõi y tế. Hít thở các hợp chất Zirconium có thể gây ra các vấn đề về sức khỏe, bao gồm u hạt da và phổi. Hơi Zirconium có khả năng tạo thành u hạt trong phổi. Phơi nhiễm dài hạn với Tetraclorua Zirconium có thể gây ra tác động tiêu cực, bao gồm tăng tỷ lệ tử vong ở chuột nhắt và chuột lang, cũng như giảm mức Hemoglobin máu và số lượng hồng cầu ở chó.

Ủy ban An toàn và Sức khỏe Nghề nghiệp (OSHA) đã đưa ra các hướng dẫn và khuyến cáo về giới hạn phơi nhiễm Zirconium trong môi trường lao động. Giới hạn phơi nhiễm trung bình được khuyến cáo là 5 mg/m³ và giới hạn phơi nhiễm ngắn hạn là 10 mg/m³. Tuy nhiên, để đảm bảo an toàn và tránh tác động tiêu cực của Zirconium, cần tuân thủ các biện pháp an toàn và quy định về quản lý chất độc trong quá trình sử dụng và xử lý Zirconium và các hợp chất liên quan.

Như vậy, toàn bộ kiến thức trong bài đã cung cấp thông tin để các biệt nguyên tố Zirconium (Zr) là gì? Các em hiểu tường tận nhất về nguyên tố này để học hóa và giải các bài tập liên quan chính xác nhất. Tận dụng FQA để giải các bài tập hóa khó nhanh chóng và chuẩn xác nhất nhé!