آشنایی با ویژگی ها و کاربرد های فلز زیرکونیوم

زیرکونیوم با نماد شیمیایی Zr، چهلمین عنصر از جدول تناوبی بوده که نام آن به علت ظاهر درخشان و براقش از عبارت “زرگون” به معنی مانند طلا مشتق شده است. منبع اصلی استخراج این فلز از سنگ معدنی زرگون یا زیرکن است که در حوزه جواهرسازی به طور گسترده ای مورد استفاده قرار می گیرد.

این فلز نقره ای رنگ که در گروه چهارم جدول تناوبی و در دسته عناصر واسطه قرار دارد، شباهت های زیادی به هم خانواده های خود یعنی هافنیوم و تیتانیوم دارد. زیرکونیوم عمدتاً به عنوان ماده نسوز، اپسیفایر و به عنوان ماده آلیاژی برای افزایش مقاومت فلزات در برابر خوردگی به کار می رود.

مقاومت بالای این فلز در برابر خوردگی باعث شده تا آن را در زمینه تولید لوله ها، اتصالات و مبدل های حرارتی نیز مورد استفاده قرار دهند. در حال حاضر نقش بیولوژیکی ویژه ای برای این فلز شناخته نشده است اما با این وجود در دنیای پزشکی کاربرد های مختلفی برای آن وجود دارد.

برای آشنایی بیشتر با ویژگی ها و مشخصات این فلز و همچنین کاربرد های آن در صنعت، تا انتهای این مطلب با نشریه جهان شیمی فیزیک همراهی کنید.

بررسی ویژگی های شیمیایی فلز زیرکونیوم

همانطور که اشاره شد این فلز براق به رنگ سفید مایل به خاکستری بوده و نرم، منعطف و بسیار شکل پذیر است. البته این فلز در دمای اتاق به شکل جامد بوده و درصورت پایین بودن درجه خلوص سخت و شکننده می باشد. زیرکونیوم به حالت پودری شکل بسیار قابل اشتعال است اما در صورتی که به شکل جامد وجود داشته باشد کمتر در معرض احتراق قرار دارد.

یکی از ارزشمند ترین ویژگی های فلز زیرکونیوم مقاومت بالای آن در برابر خوردگی در اثر تماس با مواد قلیایی، اسیدها، آب شور و سایر عوامل مخرب می باشد. با این وجود این فلز در حضور اسید کلریدریک و اسید سولفوریک حل می گردد، به ویژه در صورتی که فلوئور در محیط حضور داشته باشد.

نقطه ذوب زیرکونیوم ۱۸۵۵ درجه سانتی گراد بوده و نفطه جوش آن نیز در دمای ۴۳۷۱ درجه سانتی گراد گزارش شده است. جالب است بدانید آلیاژ های این فلز با فلز روی در دماهای کمتر از ۳۵ درجه کلوین دارای خاصیت مغناطیسی است.

زیرکونیوم در دمای اتاق دارای ساختاری به صورت یک شبکه کریستالی شش وجهی فشرده است که با عنوان α-Zr از آن یاد می شود. در صورتی که دما تا ۸۶۳ درجه سانتی گراد افزایش یابد، ساختار α-Zr به بلور مکعبی چهار وجهی به نام β-Zr تغییر پیدا می کند. (زیرکونیوم تا مرحله ذوب خود در فاز β قرار دارد.)

آشنایی با کاربرد های فلز زیرکونیوم در صنعت و پزشکی

ساخت تجهیزات نسوز

همانطور که گفته شد این فلز در برابر حرارت مقاومت بالایی داشته و به عنوان یک ماده نسوز و مقاوم شناخته شده است. بیشترین سهم از زیرکونیوم استخراج شده از سنگ زرگون برای ساخت تجهیزاتی به کاربرده می شود که باید در برابر دمای بالا از خود مقاومت نشان دهند.

به همین دلیل از اکسید این فلز یعنی دی اکسید زیرکونیوم با فرمول شیمیایی ZrO_۲ برای تهیه و ساخت بوته های آزمایشگاهی و کوره های متالورژی به طور گسترده ای استفاده می شود.

تهیه انواع آلیاژ

بخش کمی از این فلز در حوزه آلیاژ مورد استفاده قرار می گیرد. این فلز به دلیل مقاومت بالای خود در برابر خوردگی برای تولید آلیاژ های فلزی که معمولاً در معرض عوامل خورنده دارند به کار می رود. از جمله لوازم فلزی که در ساخت آن ها از این دست آلیاژ ها استفاده می شود می توان به تجهیزات جراحی، رشته های فلزی درون لامپ ها و همچنین قاب ساعت های مچی اشاره کرد.

صنایع فضایی و هوانوردی

مواد شیمیایی ساخته شده از فلز زیرکونیوم و دی اکسید زیرکونیوم در ساخت فضاپیما و هواپیما هایی که باید در برابر حرارت مقاوم باشند مورد استفاده قرار می گیرند. قطعاتی از این وسایل نقلیه هوایی که در معرض حرارت بالا و احتراق قرار می گیرند مانند پره ها، پروانه ها، موتور های جت و توربین های گازی توسط لایه های نازک سرامیکی محافظت می شوند. این لایه های سرامیکی معمولاً از مخلوط زیرکونیوم و اکسید ایتریم تشکیل می شوند تا در برابر حرارت به خوبی مقاوم باشد.

از جمله دیگر کاربرد های این فلز در صنعت می توان به موارد زیر اشاره کرد:

• استفاده از دی اکسید زیرکونیوم برای ساخت جواهرات و زیورآلات
• ایجاد پوشش برای راکتور های هسته ای
• استفاده به عنوان اپسیفایر جهت ایجاد ظاهری مات و سفید برای مواد سرامیکی
• ساخت کاغذ و چرخ های سنباده
• استفاده در دوربین های پت اسکن مورد نیاز در پزشکی هسته ای
• تهیه تیغ و چاقوهای سرامیکی
• تولید مواد شیمیایی برای تولید جرقه در آغازگر ها

کاربرد زیرکونیوم در پزشکی

همانطور که پیش از نیز اشاره شد، برای این فلز نقش بیولوژیکی در مکانیسم های بدن شناخته نشده است؛ با این وجود این عنصر در دنیای پزشکی کاربرد های متعددی دارد. از جمله این کاربرد های می توان به کاشت دندان، جایگزینی زانو و مفصل ران، بازسازی استخوان گوش میانی، کمک به درمان بیماری های کلیوی، هایپرکالمی و… اشاره کرد.