Zirkonium (Zr), elemen kimia, logam Grup 4 (IVb) dari tabel periodik, digunakan sebagai bahan struktural untuk reaktor nuklir.
Properti Elemen
| nomor atom | 40 |
|---|---|
| berat atom | 91.22 |
| titik lebur | 1,852 ° C (3,366 ° F) |
| titik didih | 3,578 ° C (6,472 ° F) |
| berat jenis | 6.49 pada 20 ° C (68 ° F) |
| keadaan oksidasi | +4 |
| konfigurasi elektron | [Kr] 4d 2 5s 2 |
Properti, kemunculan, dan penggunaan
Zirkonium, tidak jelas sebelum akhir 1940-an, menjadi bahan rekayasa yang signifikan untuk aplikasi energi nuklir karena sangat transparan untuk neutron. Unsur itu diidentifikasi (1789) dalam zirkon, ZrSiO 4 (zirkonium orthosilicate), dari oksida oleh ahli kimia Jerman Martin Heinrich Klaproth, dan logam diisolasi (1824) dalam bentuk tidak murni oleh ahli kimia Swedia Jöns Jacob Berzelius. Logam yang tidak murni, meskipun 99 persen murni, keras dan rapuh. Logam putih, lunak, lunak, dan ulet dengan kemurnian lebih tinggi pertama kali diproduksi dalam jumlah (1925) oleh ahli kimia Belanda Anton E. van Arkel dan JH de Boer oleh dekomposisi termal zirconium tetraiodide, ZrI 4. Pada awal 1940-an, William Justin Kroll dari Luxembourg mengembangkan proses pembuatan logam yang lebih murah berdasarkan pengurangan zirkonium tetraklorida, ZrCl 4, oleh magnesium. Pada awal abad ke-21, produsen zirkonium terkemuka termasuk Australia, Afrika Selatan, Cina, dan Indonesia; Mozambik, India, dan Sri Lanka adalah produsen tambahan.
Zirkonium relatif berlimpah di kerak bumi, tetapi tidak dalam endapan pekat, dan secara khas diamati pada bintang tipe-S. Zirkon mineral, yang umumnya ditemukan di endapan aluvial di dasar aliran, pantai lautan, atau dasar danau tua, adalah satu-satunya sumber komersial zirkonium. Baddeleyite, yang pada dasarnya adalah zirkonium dioksida murni, ZrO 2, adalah satu-satunya mineral zirkonium penting lainnya, tetapi produk komersial lebih murah diperoleh dari zirkon. Zirkonium diproduksi oleh proses yang sama seperti yang digunakan untuk titanium. Mineral zirkonium ini umumnya memiliki kandungan hafnium yang bervariasi dari beberapa persepuluh dari satu persen hingga beberapa persen. Untuk beberapa tujuan, pemisahan kedua elemen itu tidak penting: zirkonium yang mengandung sekitar 1 persen hafnium dapat diterima seperti zirkonium murni.
Penggunaan zirkonium yang paling penting adalah dalam reaktor nuklir untuk kelongsong batang bahan bakar, untuk paduan dengan uranium, dan untuk struktur teras reaktor karena kombinasi sifat-sifatnya yang unik. Zirkonium memiliki kekuatan yang baik pada suhu tinggi, tahan korosi dari cairan pendingin yang beredar dengan cepat, tidak membentuk isotop yang sangat radioaktif, dan tahan terhadap kerusakan mekanis akibat pengeboman neutron. Hafnium, hadir dalam semua bijih zirkonium, harus dengan hati-hati dihilangkan dari logam yang dimaksudkan untuk penggunaan reaktor karena hafnium sangat menyerap neutron termal.
Pemisahan hafnium dan zirkonium umumnya dilakukan dengan prosedur ekstraksi arus-cair-cair. Dalam prosedur ini, minyak mentah zirkonium tetraklorida dilarutkan dalam larutan amonium tiosianat, dan metil isobutil keton dilewatkan secara berlawanan dengan campuran berair, dengan hasil bahwa hafnium tetraklorida diekstraksi secara istimewa.
Radius atom zirkonium dan hafnium masing-masing adalah 1,45 dan 1,44 Å, sedangkan jari-jari ion adalah Zr 4+, 0,74 Å, dan Hf 4+, 0,75 Å. Identitas virtual ukuran atom dan ion, yang dihasilkan dari kontraksi lantanoid, memiliki efek membuat perilaku kimia kedua elemen ini lebih mirip daripada pasangan elemen lainnya yang diketahui. Meskipun kimia hafnium telah dipelajari kurang dari zirkonium, keduanya sangat mirip sehingga hanya perbedaan kuantitatif yang sangat kecil - misalnya, dalam kelarutan dan volatilitas senyawa - yang diharapkan dalam kasus yang belum benar-benar diselidiki.
Zirkonium menyerap oksigen, nitrogen, dan hidrogen dalam jumlah yang mencengangkan. Pada sekitar 800 ° C (1.500 ° F) ia menggabungkan secara kimia dengan oksigen untuk menghasilkan oksida, ZrO 2. Zirkonium mengurangi bahan wadah tahan api seperti oksida magnesium, berilium, dan thorium. Afinitas yang kuat untuk oksigen dan gas-gas lain ini menjelaskan penggunaannya sebagai pengambil untuk menghilangkan gas residu dalam tabung elektron. Pada suhu normal di udara, zirkonium bersifat pasif karena pembentukan lapisan pelindung oksida atau nitrida. Bahkan tanpa film ini, logam ini tahan terhadap aksi asam lemah dan garam asam. Paling baik dilarutkan dalam asam hidrofluorik, di mana prosedur pembentukan kompleks fluoro anionik penting dalam menstabilkan larutan. Pada suhu normal itu tidak terlalu reaktif tetapi menjadi sangat reaktif dengan berbagai bukan logam pada suhu tinggi. Karena ketahanannya terhadap korosi yang tinggi, zirkonium telah banyak digunakan dalam pembuatan pompa, katup, dan penukar panas. Zirkonium juga digunakan sebagai agen paduan dalam produksi beberapa paduan magnesium dan sebagai aditif dalam pembuatan baja tertentu.
Zirkonium alami adalah campuran dari lima isotop stabil: zirkonium-90 (51,46 persen), zirkonium-91 (11,23 persen), zirkonium-92 (17,11 persen), zirkonium-94 (17,40 persen), zirkonium-96 (2,80 persen). Ada dua alotrop: di bawah 862 ° C (1.584 ° F) struktur padat heksagonal, di atas suhu itu kubik berpusat pada tubuh.
