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Circonio

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Posición del circonio en la tabla periódica; grupo 4, periodo 5
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Nombre, símbolo, Z: Circonio, Zr, 40
Serie química: Metales de transición
Grupo, periodo, bloque: 4, 5 , d
Configuración electrónica: [Kr] 4d2 5s2
Propiedades atómicas
Masa atómica: 91,224 uma
Radio atómico: 206 pm
 - Medio 155 pm
 - Covalente 148 pm
 - De Van der Waals Sin datos
Nº de oxidación (óxido): 4 (anfótero)
Electronegatividad: 1,33 (Pauling)
Potencial de ionización (kJ/mol)
 - 1.º = 640,1
 - 2.º = 1270
 - 3.º = 2218
 - 4.º = 3313
 - 5.º = 7752
 - 6.º = 9500

† Calculado a partir de distintas longitudes de enlace covalente, metálico o iónico.

Propiedades físicas
Estado: Sólido
Estructura cristalina: Hexagonal
Color: Blanco grisáceo
Densidad: 6511 (kg/)
Dureza: 5 (Mohs)
Conductividad eléctrica: 2,36×106 S/m
Conductividad térmica: 22,7 W/(m·K)
Calor específico: 0,27 J/kg·K
Punto de fusión: 2128 K
Entalpía de fusión: 16,9 kJ/mol
Punto de ebullición: 4682 K
Entalpía de vaporización: 58,2 kJ/mol
Presión de vapor: 1,68×10-3 Pa a 2125 K
Velocidad del sonido: 3800 m/s a 293,15 K
Isótopos más estables
Iso. AN (%) Vida media MD ED (MeV) PD
90Zr 51,45 El Zr es estable con 50 neutrones
91Zr 11,22 El Zr es estable con 51 neutrones
92Zr 17,15 El Zr es estable con 52 neutrones
93Zr Sintético 1,53E6 a β- 0,091 93Nb
94Zr 17,38 El Zr es estable con 54 neutrones
96Zr 2,8 >3,8E19 a β- 3,350 96Mo
Valores en el SI y en condiciones normales (0 ºC y 1 atm), salvo indicación en contra.

El circonio (o zirconio) es un elemento químico de número atómico 40 situado en el grupo 4 de la tabla periódica y su símbolo es Zr. Es uno de los pocos materiales que se consume en su mayoría en forma de compuesto, el circón para arenas de moldeo

Los minerales más importantes en los que se encuentra son el circón y la badeleyita, aunque debido al gran parecido entre el circonio y el hafnio (no hay otros elementos que se parezcan tanto entre sí) realmente estos minerales son mezclas de los dos sin que los procesos geológicos hayan sido capaces de separarlos. Se utiliza sobre todo en reactores nucleares (por su baja sección de captura de neutrones) y como elemento de aleación para incrementar la resistencia a la corrosión.

Características principales

Es un metal blanco grisáceo, brillante, duro y muy resistente a la corrosión. Es más ligero que el acero con una dureza similar a la del cobre. Cuando está finamente dividido puede arder espontáneamente en contacto con el aire (reacciona antes con el nitrógeno que con el oxígeno), especialmente a altas temperaturas. Es un metal resistente frente a ácidos, pero se puede disolver con ácido fluorhídrico (HF), seguramente formando complejos con los fluoruros. Sus estados de oxidación más comunes son +2, +3 y +4.

Aplicaciones

  • En torno al 70% del circonio total consumido es en forma de circón para arenas de moldeo.
  • El circonio metal se usa principalmente (en torno a un 90% del consumido) como recubrimiento en reactores nucleares, debido a que su sección de captura de neutrones es muy baja. La sección de captura del hafnio es alta, por lo que es necesario separarlos para esta aplicación (para otras, no es necesario), generalmente mediante un proceso de extracción con dos disolventes no miscibles, o bien empleando resinas de intercambio iónico.
  • Se utiliza como aditivo en aceros obteniéndose materiales muy resistentes. También se emplean aleaciones con níquel en la industria química por su resistencia frente a sustancias corrosivas.
  • El óxido de circonio impuro se emplea para fabricar crisoles de laboratorio (que soportan cambios bruscos de temperatura), recubrimiento de hornos y como material refractario en industrias cerámicas y de vidrio.
  • El metal es bien tolerado por los tejidos humanos, por lo que puede emplearse en articulaciones artificiales.
  • También se emplea en intercambiadores de calor, tubos de vacío y filamentos de bombillas.
  • Algunas de sus sales se emplean para la fabricación de antitranspirantes.
  • Con fines militares se emplea como agente incendiario.
  • Aleado con niobio presenta superconductividad a bajas temperaturas, por lo que se puede emplear para hacer imanes superconductores. Por otra parte, la aleación con zinc es magnética por debajo de los 35 K.
  • El óxido de circonio se usa en joyería; es una gema artificial denominada circonita que imita al diamante.

Historia

El circonio (del árabe “zargun”, que significa “color dorado”) fue descubierto en 1789 por Martin Klaproth a partir del circón. En 1824 Jöns Jacob Berzelius lo aisló en estado impuro; hasta 1914 no se obtuvo el metal puro.

En algunas escrituras bíblicas se menciona el mineral circón que contiene circonio o alguna de sus variaciones (jargón, jacinto, etc.). No se sabía que el mineral contenía un nuevo elemento hasta que Klaproth analizó un jargón procedente de Ceilán, en el océano Índico, denominando al nuevo elemento como circonia. Berzelius lo aisló impuro calentando una mezcla de potasio y fluoruro de potasio y circonio en un proceso de descomposición en un tubo de hierro.

Círculo con línea gruesa diagonal en zig-zag Símbolo químico empleado por Dalton para el circonio.

Abundancia y obtención

El circonio no se encuentra en la naturaleza como metal libre, pero sí formando parte de numerosos minerales. La principal fuente de circonio se obtiene del mineral circón (silicato de circonio), que se encuentra en depósitos en Australia, Brasil, India, Rusia y Estados Unidos. El circón se obtiene como subproducto de la minería y procesado de minerales de metales pesados de titanio (ilmenita y rutilo) y de estaño. El circonio y el hafnio se encuentran en el circón en una relación de 50 a 1 y es muy difícil separarlos. También se encuentra en otros minerales, como la badeleyita.

El metal se obtiene principalmente mediante el proceso Kroll, por reducción del tetracloruro de circonio con magnesio. En procesos semi-industriales se puede emplear la electrólisis de sales fundidas, obteniéndose el circonio en polvo que se utiliza posteriormente en pulvimetalurgia.

Para la obtención del metal con mayor pureza se sigue el proceso Van Arkel basado en la disociación del yoduro de circonio, obteniéndose una esponja de circonio metal denominada crystal-bar. Tanto en este caso, como en el anterior, la esponja obtenida se funde para obtener el lingote.

También es abundante en las estrellas de tipo S y se ha detectado en el Sol y en meteoritos. Además, se ha encontrado una alta cantidad en óxido de circonio (en comparación con la presente en la corteza terrestre) en muestras lunares.

Isótopos

En la naturaleza se encuentran cuatro isótopos estables y un radioisótopo de muy larga vida (Zr-96). El radioisótopo que le sigue en estabilidad es el Zr-93 que tiene un periodo de semidesintegración de 1,53 millones de años. Se han caracterizado otros dieciocho radioisótopos; la mayoría con vida media menor que un día, excepto el Zr-95 (64,02 días), Zr-88 (63,4 días) y Zr-89 (78,41 horas). El principal modo de desintegración de los isótopos más ligeros que el Zr-92 es la captura electrónica y para isótopos más pesados la desintegración beta.

Precauciones

No son muy comunes los compuestos que contengan circonio, y su toxicidad inherente es baja. El polvo metálico puede arder en contacto con el aire, por lo que hay que considerarlo como un agente de riesgo de fuego o explosión. Las esponjas o el polvo de circonio se deben almacenar en atmósfera inerte. No se conoce ningún papel biológico de este elemento.

Referencias

H   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 Uub Uut Uuq Uup Uuh  
  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


Otras fuentes de información

Notas