Zirkonyum

Zirkonyum (Zr)
H Periyodik tablo He Li Be B C N O F Ne Na Mg Al Si P S Cl Ar K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe Cs Ba   Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn Fr Ra   Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Rg Cn Nh Fl Mc Lv Ts Og     La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu   Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr
Temel özellikleri
Atom numarası	40
Element serisi	Geçiş metalleri
Grup, periyot, blok	4, 5, d
Görünüş	gümüşi beyaz
Kütle numarası	91.224 g/mol
Elektron dizilimi	[Kr] 5s2 4d2
Enerji seviyesi başına Elektronlar	2, 8, 18, 10, 2
CAS kayıt numarası	7440-67-7
Fiziksel Özellikleri
Maddenin hâli	katı
Yoğunluk	6.52 g/cm³
Sıvı hâldeki yoğunluğu	5.8 g/cm³
Ergime noktası	2128 °K 1855 °C
Kaynama noktası	4682 °K 4409 °C
Ergime ısısı	14 kJ/mol
Buharlaşma ısısı	573 kJ/mol
Isı kapasitesi	25.36 J/(mol·K)
Atom özellikleri
Kristal yapısı	Heksanogal
Yükseltgenme seviyeleri	4, 3, 2, 1
Elektronegatifliği	1.33 Pauling ölçeği
İyonlaşma enerjisi	640.1 kJ/mol
Atom yarıçapı	160 pm
Atom yarıçapı (hes.)	pm
Kovalent yarıçapı	175±7 pm
Van der Waals yarıçapı	pm
Diğer özellikleri
Elektrik direnci	421 n nΩ·m (20°C'de)
Isıl iletkenlik	22.6 W/(m·K)
Isıl genleşme	5.7 µm/(m·K) (25°C'de)
Ses hızı	3800 m/s ('de)
Mohs sertliği	5.0
Vickers sertliği	903 MPa
Brinell sertliği	650 MPa

• Sembol: Zr
• Atom numarası: 40
• Atom ağırlığı: 91.224 g/mol
• Normal koşullarda (25 °C 298 K) gümüşümsü beyaz renkli katı
• Metal
• d-blok elementi

Zirkonyum kristali

Zirkonyum çubuğu

Zirkonyum metali ilk olarak 1789 yılında Martin Heinrich Klaproth tarafından keşfedilmiştir. 1824 yılında ise Jons Jakob Berzelius tarafından izole edilmiştir.

Bilinen mineralleri zirkon (ZrSiO₄) ve baddeleyit (ZrO₂) tir. Baddeleyit'in (1892’de Sri Lanka’da keşfeden Joseph Baddeley’in isminden) eşanlamlıları zirkonyum oksit, zirkonyum dioksit ve zirkonya'dır. Dolayısı ile kelime yapısı itibarı ile benzeşen, ancak farklı kimyasal komposizyonlar olan zirkon ve zirkonya birbirlerine karıştırılmamalıdır. Zirkonya sözcüğü, VITA firmasının tescilli markası olan “Zirconia” ile de karıştırılmamalıdır. Zirkonyumun başlıca elde edildiği kaynak zirkon (ZrSiO₄) madenleri olup, bunlar Avustralya, Brezilya, Hindistan, Rusya ve ABD’dedir. Zirkon içerisinde her zaman 50/1 oranında hafnium (Hf) elementi de bulunur. Zirkonyum heksagonal kristal formunda bir yapı gösterir. Sıcaklığa ve korozyona karşı çok dirençlidir. Birçok farklı bileşik halinde bulunabilir. Bunların en önemlisi zirkonya (ZrO₂) bileşiğidir.

Zirkonyum eldesi ZrCl₄ bileşiğinin magnezyum ile veya kalsiyum ile indirgenmesi ile elde edilir. Çok reaktif bir madde olup, havada ve sıvı içerisinde hemen oksitle kaplanır ve korozyona dirençli bir hale gelir. Metal olarak dökümü sırasında havadaki oksijen ve azot ile etkileşmemesi gerekmekte ve bu nedenle titanyum teknolojisinde olduğu gibi özel fırınlarda işlenilebilmektedir. Zirkonyum metali bombaların yapısında, flaşlarda ve nükleer sanayi gibi çok çeşitli alanlarda kullanılmaktadır. Diş hekimliğinde ise zirkonyum minerali olan zirkonyadan elde edilen zirkonya seramiği formu kullanılır. Blok şeklinde üretilen zirkonyum kalıplar CAD CAM sistemi ile bilgisayar destekli freze işlemi ile kazınarak kaplama diş altyapısı hazırlanır.

Baddeleyit mineralinin aşağıdaki reaksiyonu sonucunda ZrCl₄ bileşiği elde edilir. Ayrıca Diş hekimliğinde Kuron olarak adlandırılır.

ZrO₂ + 2 Cl₂ + 2 C (900 °C) → ZrCl₄ + 2 CO

ZrCl₄ + 2 Mg (1100 °C) → 2 MgCl₂ + Zr

Reaksiyon çelik kaplarda gerçekleştirilmelidir. Havadaki oksijen ve azot ile etkileşmemesi gerekmektedir.

Kullanım alanları

• Zirkonyum metali korozyona dayanıklılığı ve nötronlara karşı geçirgen olması nedeniyle nükleer reaktörlerin yapı malzemesi olarak,
• Yanıcı özelliğinden dolayı askeriyede,
• ZrO₂, erime noktasının yüksek olması nedeniyle ateşe dayanıklı malzemelerin yapımında, cam ve seramik endüstrisinde,
• Düşük sıcaklıklara süperiletken özelliği nedeniyle zirkonyum-niobyum alaşımları süperiletken mıknatısların yapımında,
• Korozyona dayanıklılığı nedeniyle birçok aletin yapımında,
• Rengi dolayısıyla estetik diş hekimliği uygulamalarında altyapı malzemesi olarak kullanılmaktadır.

Zirkonyumun reaksiyonları

• Hava ile reaksiyonu: Zirkonyum metalinin yüzeyini kaplayan oksit tabakası havaya karşı inaktif olmasına neden olur. Buna rağmen havada yakılması ile zirkonyum(IV) oksit bileşiğini oluşturur

(Zr (k) + O₂ (g) → ZrO₂ (k))

• Su ile reaksiyonu: Zirkonyum metali normal koşullar altında su ile reaksiyon vermez.
• Asit ile Reaksiyonu: Zirkonyum metalinin yüzeyini kaplayan oksit tabakası asitlere karşı inaktif olmasına neden olur. Sadece hidroflorik asit içerisinde çözünerek floro kompleksleri oluşturur.
• Baz ile Reaksiyonu: Zirkonyum metali normal koşullar altında alkali çözeltilerle reaksiyona girmez.