Диоксид циркония
Имена | |
---|---|
ИЮПАК имена
Диоксид циркония
Оксид циркония(IV) | |
Другие имена
Цирконий
Замена | |
Идентификаторы | |
3D model ( JSmol )
|
|
ХимическийПаук | |
Информационная карта ECHA | 100.013.844 |
Номер ЕС |
|
ПабХим CID
|
|
НЕКОТОРЫЙ | |
Панель управления CompTox ( EPA )
|
|
Характеристики | |
ЗрО 2 | |
Молярная масса | 123.218 g/mol |
Появление | белый порошок |
Плотность | 5,68 г/см 3 |
Температура плавления | 2715 ° C (4919 ° F; 2988 К) |
Точка кипения | 4300 ° C (7770 ° F; 4570 К) |
незначительный | |
Растворимость | растворим в HF и горячих Н 2 ТАК 4 |
Показатель преломления ( n D )
|
2.13 |
Термохимия | |
Стандартный моляр
энтропия ( S ⦵ 298 ) |
50,3 Дж К −1 моль −1 |
Стандартная энтальпия
образование (Δ f H ⦵ 298 ) |
-1080 кДж/моль |
Опасности | |
СГС Маркировка : | |
Предупреждение | |
Х315 , Х319 , Х335 | |
P261 , P264 , P271 , P280 , P302+P352 , P304+P340 , P305+P351+P338 , P312 , P321 , P332+P313, P337+P313 P362 , P403 , P301 , P403+P233 , P405, P5013 +P233, P405, P501, P501, P501 , , P362 , P403+P233, P3 | |
точка возгорания | Невоспламеняющийся |
Летальная доза или концентрация (LD, LC): | |
ЛД 50 ( средняя доза )
|
> 8,8 г/кг (перорально, крыса) |
Паспорт безопасности (SDS) | Паспорт безопасности |
Родственные соединения | |
Другие анионы
|
Дисульфид циркония |
Другие катионы
|
Диоксид титана Диоксид гафния |
Если не указано иное, данные приведены для материалов в стандартном состоянии (при 25 °C [77 °F], 100 кПа).
|
Диоксид циркония ( ZrO
2 ), иногда известный как цирконий не путать с цирконом ), представляет собой белый кристаллический оксид циркония ( . Его наиболее встречающаяся в природе форма с моноклинной кристаллической структурой — минерал бадделеит . допант [ нужны разъяснения ] стабилизированный цирконий с кубической структурой, кубический цирконий , синтезируется в различных цветах для использования в качестве драгоценного камня и имитатора алмаза . [ 1 ]
Производство, химические свойства, возникновение
[ редактировать ]Цирконий получают путем прокаливания соединений циркония с использованием его высокой термостабильности . [ 2 ]
Структура
[ редактировать ]Известны три фазы: моноклинная при температуре ниже 1170 °С, тетрагональная при температуре от 1170 до 2370 °С и кубическая при температуре выше 2370 °С. [ 3 ] Тенденция заключается в повышении симметрии при более высоких температурах, как это обычно бывает. Небольшой процент оксидов кальция или иттрия стабилизируется в кубической фазе. [ 2 ] Очень редкий минерал тажеранит . (Zr,Ti,Ca)O 2 имеет кубическую форму . В отличие от TiO 2 , который содержит шестикоординированный титан во всех фазах, моноклинный диоксид циркония состоит из семикоординированных циркониевых центров. Это различие объясняется большим размером атома циркония по сравнению с атомом титана. [ 4 ]
Химические реакции
[ редактировать ]Цирконий химически инертен. Медленно подвергается воздействию концентрированной плавиковой кислоты и серной кислоты . При нагревании с углеродом он превращается в карбид циркония . При нагревании с углеродом в присутствии хлора он превращается в хлорид циркония(IV) . Это преобразование является основой очистки металлического циркония и аналогично процессу Кролла .
Инженерные свойства
[ редактировать ]Диоксид циркония — один из наиболее изученных керамических материалов. ZrO 2 принимает моноклинную кристаллическую структуру при комнатной температуре и переходит в тетрагональную и кубическую при более высоких температурах. Изменение объема, вызванное переходом структуры от тетрагональной к моноклинной и кубической, вызывает большие напряжения, вызывающие растрескивание при охлаждении от высоких температур. [ 5 ] Когда диоксид циркония смешивается с некоторыми другими оксидами, тетрагональная и/или кубическая фазы стабилизируются. Эффективные легирующие добавки включают оксид магния (MgO), оксид иттрия ( Y 2 O 3 , иттрий), оксид кальция ( CaO ) и оксид церия(III) ( Се 2 О 3 ). [ 6 ]
Цирконий часто более полезен в его фазовом «стабилизированном» состоянии. При нагревании диоксид циркония претерпевает разрушительные фазовые изменения. Добавляя небольшое количество иттрия, эти фазовые изменения устраняются, и полученный материал имеет превосходные термические, механические и электрические свойства. В некоторых случаях тетрагональная фаза может быть метастабильной . Если присутствует достаточное количество метастабильной тетрагональной фазы, то приложенное напряжение, увеличенное концентрацией напряжений на вершине трещины, может привести к превращению тетрагональной фазы в моноклинную с соответствующим объемным расширением. Это фазовое превращение может затем привести к сжатию трещины, замедляя ее рост и повышая вязкость разрушения . Этот механизм, известный как трансформационное упрочнение , значительно увеличивает надежность и срок службы изделий, изготовленных из стабилизированного диоксида циркония. [ 6 ] [ 7 ]
The ZrO 2 Ширина запрещенной зоны зависит от фазы (кубическая, тетрагональная, моноклинная или аморфная) и методов получения, с типичными оценками 5–7 эВ. [ 8 ]
Особым случаем диоксида циркония является тетрагональный поликристалл диоксида циркония , или TZP, который указывает на поликристаллический диоксид циркония, состоящий только из метастабильной тетрагональной фазы.
Использование
[ редактировать ]Основное применение диоксида циркония – производство твердой керамики, например, в стоматологии. [ 9 ] для других целей, в том числе в качестве защитного покрытия на частицах пигментов диоксида титана , [ 2 ] в качестве огнеупорного материала, в изоляции , абразивах и эмалях .
Стабилизированный диоксид циркония используется в датчиках кислорода и мембранах топливных элементов , поскольку он обладает способностью позволять кислорода ионам свободно перемещаться через кристаллическую структуру при высоких температурах. Высокая ионная проводимость (и низкая электронная проводимость) делает ее одной из самых полезных электрокерамик . [ 2 ] Диоксид циркония также используется в качестве твердого электролита в электрохромных устройствах .
Цирконий является предшественником электрокерамического цирконата-титаната свинца ( PZT ), который представляет собой диэлектрик с высоким κ, который встречается во множестве компонентов.
Нишевое использование
[ редактировать ]Очень низкая теплопроводность кубической фазы диоксида циркония также привела к ее использованию в качестве термобарьерного покрытия (ТБП) в реактивных и дизельных двигателях , позволяющего работать при более высоких температурах. [ 10 ] С термодинамической точки зрения, чем выше рабочая температура двигателя, тем выше возможный КПД . Другое применение с низкой теплопроводностью — изоляция из керамического волокна для печей для выращивания кристаллов, батарей топливных элементов и систем инфракрасного отопления.
Этот материал также используется в стоматологии при изготовлении каркасов для изготовления зубных реставраций, таких как коронки и мосты , которые затем по эстетическим соображениям облицовываются обычным полевошпатовым фарфором , или прочных, чрезвычайно долговечных зубных протезов, полностью изготовленных из монолитного диоксида циркония. , с ограниченной, но постоянно улучшающейся эстетикой. [ 11 ] [ 12 ] Цирконий, стабилизированный иттрием (оксидом иттрия), известный как стабилизированный иттрием диоксид циркония , может использоваться в качестве прочного базового материала в некоторых цельнокерамических реставрациях коронок. [ 12 ] [ 13 ]
Трансформационно-упрочненный диоксид циркония используется для изготовления керамических ножей . Благодаря своей твердости столовые приборы с керамической кромкой остаются острыми дольше, чем изделия со стальной кромкой. [ 14 ]
Из-за своей тугоплавкости и яркого свечения при лампе накаливания его использовали в качестве ингредиента палочек для освещения . [ нужна ссылка ]
Было предложено использовать цирконий для электролиза монооксида углерода и кислорода из атмосферы Марса, чтобы получить как топливо, так и окислитель, который можно было бы использовать в качестве хранилища химической энергии для использования при наземном транспорте на Марсе. Двигатели на основе угарного газа/кислорода были предложены для раннего использования наземного транспорта, поскольку и угарный газ, и кислород могут быть напрямую получены электролизом диоксида циркония, не требуя использования каких-либо марсианских водных ресурсов для получения водорода, который понадобится для производства метана. или любое топливо на основе водорода. [ 15 ]
Цирконий можно использовать в качестве фотокатализатора. [ 16 ] поскольку у него большая запрещенная зона (~ 5 эВ) [ 17 ] позволяет генерировать высокоэнергетические электроны и дырки. Некоторые исследования продемонстрировали активность легированного диоксида циркония (с целью увеличения поглощения видимого света) в разложении органических соединений. [ 18 ] [ 19 ] и снижение Cr(VI) из сточных вод. [ 20 ]
Цирконий также является потенциальным диэлектрическим материалом с высоким κ, который потенциально может применяться в качестве изолятора в транзисторах .
Цирконий также используется при нанесении оптических покрытий ; это материал с высоким индексом, который можно использовать в диапазоне от ближнего УФ до среднего ИК диапазона из-за его низкого поглощения в этой спектральной области. В таких случаях он обычно наносится методом PVD . [ 21 ]
В ювелирном деле корпуса некоторых часов рекламируются как «черный оксид циркония». [ 22 ] В 2015 году Omega выпустила полностью Часы ZrO 2 под названием «Темная сторона Луны». [ 23 ] с керамическим корпусом, безелем, кнопками и застежкой, что говорит о том, что они в четыре раза прочнее нержавеющей стали и, следовательно, гораздо более устойчивы к царапинам при повседневном использовании.
При газовой вольфрамовой дуговой сварке вольфрамовые электроды, содержащие 1% оксида циркония (он же диоксид циркония ) вместо 2% тория, имеют хорошее зажигание дуги и токовую мощность, а также не радиоактивны. [ 24 ]
Имитация алмаза
[ редактировать ]Монокристаллы кубической фазы циркония широко используются в качестве имитатора алмаза в ювелирных изделиях . Как и алмаз, кубический цирконий имеет кубическую кристаллическую структуру и высокий показатель преломления . Визуально отличить драгоценный камень фианита хорошего качества от бриллианта сложно, и у большинства ювелиров есть тестер теплопроводности, позволяющий идентифицировать фианит по его низкой теплопроводности (алмаз является очень хорошим проводником тепла). называют это состояние циркония кубическим цирконием , CZ или цирконом Ювелиры обычно , но последнее название химически неточно. Циркон на самом деле является минеральным названием встречающегося в природе силиката циркония (IV) ( ZrSiO 4 ).
См. также
[ редактировать ]- закалка
- Спекание
- Звезда S-типа , излучающая спектральные линии монооксида циркония.
- Цирконий, стабилизированный иттрием
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Ван, Сан-Франциско; Чжан, Дж.; Луо, Д.В.; Гу, Ф.; Тан, ДЮ; Донг, ЗЛ; Тан, ГЭБ; Que, WX; Чжан, ТС; Ли, С.; Конг, LB (01 мая 2013 г.). «Прозрачная керамика: обработка, материалы и применение». Прогресс в химии твердого тела . 41 (1): 20–54. doi : 10.1016/j.progsolidstchem.2012.12.002 . ISSN 0079-6786 .
- ^ Перейти обратно: а б с д Ральф Нильсен «Цирконий и соединения циркония» в Энциклопедии промышленной химии Ульмана, 2005, Wiley-VCH, Вайнхайм. два : 10.1002/14356007.a28_543
- ^ Р. Стивенс, 1986. Введение в цирконий. Магний Электрон Публикация № 113
- ^ Гринвуд, Нью-Йорк; и Эрншоу, А. (1997). Химия элементов (2-е изд.), Оксфорд: Баттерворт-Хайнеманн. ISBN 0-7506-3365-4
- ^ Платт, П.; Франкель, П.; Гасс, М.; Хауэллс, Р.; Пройсс, М. (ноябрь 2014 г.). «Конечно-элементный анализ фазового превращения от тетрагонального к моноклинному при окислении циркониевых сплавов» . Журнал ядерных материалов . 454 (1–3): 290–297. Бибкод : 2014JNuM..454..290P . дои : 10.1016/j.jnucmat.2014.08.020 .
- ^ Перейти обратно: а б Эванс, АГ; Кэннон, РМ (1986). «Упрочнение хрупких тел мартенситными превращениями» . Акта Металл . 34 : 761. дои : 10.1016/0001-6160(86)90052-0 .
- ^ Портер, Д.Л.; Эванс, АГ; Хойер, А.Х. (1979). «Ужесточение трансформации в ПСЗ». Акта Металл . 27 : 1649. doi : 10.1016/0001-6160(79)90046-4 .
- ^ Чанг, Джейн П.; Ю-Шэн Линь; Карен Чу (2001). «Быстрое термохимическое осаждение из паровой фазы оксида циркония для применения полевых транзисторов металл-оксид-полупроводник». Журнал вакуумной науки и техники Б. 19 (5): 1782–1787. Бибкод : 2001JVSTB..19.1782C . дои : 10.1116/1.1396639 .
- ^ Гамбоги, Джозеф. «Статистика и информация по цирконию и гафнию» . Национальный информационный центр полезных ископаемых Геологической службы США . Архивировано из оригинала 18 февраля 2018 года . Проверено 5 мая 2018 г.
- ^ «Термобарьерные покрытия для повышения эффективности газотурбинных двигателей» . Studylib.net . Проверено 6 августа 2018 г.
- ^ Папаспиридакос, Панос; Кунал Лал (2008). «Полная реабилитация имплантатов дуги с использованием субтрактивного быстрого прототипирования и протеза из фарфора, сплавленного с диоксидом циркония: клинический отчет» . Журнал ортопедической стоматологии . 100 (3): 165–172. дои : 10.1016/S0022-3913(08)00110-8 . ПМИД 18762028 .
- ^ Перейти обратно: а б Кастыль, Ярослав; Хлуп, Зденек; Стастный, Пржемысл; Трунец, Мартин (17 августа 2020 г.). «Обрабатываемость и свойства циркониевой керамики, полученной методом гель-литья» . Достижения прикладной керамики . 119 (5–6): 252–260. Бибкод : 2020AdApC.119..252K . дои : 10.1080/17436753.2019.1675402 . hdl : 11012/181089 . ISSN 1743-6753 . S2CID 210795876 .
- ^ Шен, Джеймс, изд. (2013). Передовая керамика для стоматологии (1-е изд.). Амстердам: Эльзевир/БХ. п. 271. ИСБН 978-0123946195 .
- ^ «Керамические кухонные ножи и инструменты с зубчатым лезвием диаметром 12 см» . Керамические кухонные ножи и инструменты | Kyocera Азиатско-Тихоокеанский регион . Проверено 4 августа 2021 г.
- ^ Лэндис, Джеффри А.; Линн, Дайан Л. (2001). «Марсианская ракета, использующая топливо на месте». Журнал космических кораблей и ракет . 38 (5): 730–35. Бибкод : 2001JSpRo..38..730L . дои : 10.2514/2.3739 .
- ^ Коно, Ёсиуми; Танака, Цунэхиро; Фунабики, Такудзо; Ёсида, Сатохиро (1998). «Идентификация и реакционная способность поверхностного промежуточного продукта фотовосстановления CO2 H2 над ZrO2». Журнал Химического общества, Faraday Transactions . 94 (13): 1875–1880. дои : 10.1039/a801055b .
- ^ Джионко, Кьяра; Паганини, Мария К.; Джамелло, Элио; Берджесс, Робертсон; Ди Валентин, Кристиана; Паччиони, Джанфранко (15 января 2014 г.). «Диоксид циркония, легированный церием, светочувствительный фотоактивный материал третьего поколения». Журнал физической химии . 5 (3): 447–451. дои : 10.1021/jz402731s . hdl : 2318/141649 . ПМИД 26276590 .
- ^ Юань, Цюань; Лю, Ян; Ли, Ле-Ле; Ли, Чжэнь-Син; Фанг, Чен-Цзе; Дуань, Вэнь-Тао; Ли, Син-Го; Ян, Чун-Хуа (август 2009 г.). «Высокоупорядоченный мезопористый фотокатализатор диоксида титана и циркония для применения в разложении родамина-B и выделении водорода». Микропористые и мезопористые материалы . 124 (1–3): 169–178. Бибкод : 2009MicMM.124..169Y . дои : 10.1016/j.micromeso.2009.05.006 .
- ^ Бортот Коэльо, Фабрисио; Джионко, Кьяра; Паганини, Мария; Кальца, Паола; Маньякка, Джулиана (3 апреля 2019 г.). «Контроль мембранного загрязнения при фильтрации органических веществ с использованием циркония, легированного церием, и видимого света» . Наноматериалы . 9 (4): 534. дои : 10.3390/nano9040534 . ПМК 6523972 . ПМИД 30987140 .
- ^ Бортот Коэльо, Фабрисио Эдуардо; Канделарио, Виктор М.; АРАУЖО, Эстеван Маньо Родригес; МИРАНДА, Таня Люсия Сантос; Маньякка, Джулиана (18 апреля 2020 г.). «Фотокаталитическое восстановление Cr(VI) в присутствии влажной кислоты с использованием иммобилизованного Ce–ZrO2 в видимом свете» . Наноматериалы . 10 (4): 779. дои : 10.3390/nano10040779 . ISSN 2079-4991 . ПМЦ 7221772 . ПМИД 32325680 .
- ^ «Оксид циркония Zr02 для оптического покрытия» . Материон . Архивировано из оригинала 20 октября 2013 года . Проверено 30 апреля 2013 г.
- ^ «Коаксиальный хронограф Omega 44,25 мм» . Часы ОМЕГА . Архивировано из оригинала 26 марта 2016 г. Проверено 27 марта 2016 г.
- ^ «Speedmaster Moonwatch: Темная сторона Луны | ОМЕГА» . Омега . Архивировано из оригинала 9 февраля 2018 г. Проверено 8 февраля 2018 г.
- ^ «Выбор вольфрама» (PDF) . Arc-Zone.com . Карлсбад, Калифорния . 2009 . Проверено 15 июня 2015 г.
Дальнейшее чтение
[ редактировать ]- Грин, диджей; Ханнинк, Р.; Суэйн, М.В. (1989). Трансформационное упрочнение керамики . Бока-Ратон: CRC Press. ISBN 0-8493-6594-5 .
- Хойер, АХ; Хоббс, Л.В., ред. (1981). Наука и технология циркония . Достижения в керамике. Том. 3. Колумбус, Огайо: Американское керамическое общество. п. 475.
- Клауссен, Н.; Рюле, М.; Хойер, А.Х., ред. (1984). Учеб. 2-я Международная конференция. по науке и технологии циркония . Достижения в керамике. Том. 11. Колумбус, Огайо: Американское керамическое общество.