เซอร์โคเนียม Zirconium (Zr)

เซอร์โคเนียม

ตารางธาตุ เซอร์โคเนียม

เซอร์โคเนียม สัญลักษณ์ Zr เลขอะตอม 40 เป็นธาตุที่ 2 ของหมู่ IV B ในตารางธาตุ จัดเป็นโลหะทรานซิชัน น้ำหนักอะตอม 91.22 amu จุดหลอมเหลว 1850 °c จุดเดือด 4377 °c

ความหนาแน่น 6.506 g/cc ที่ 20 °c เลขออกซิเดชันสามัญ +2, +3, +4 ลักษณะ มีสีขาวเทาคล้ายไทเทเนียม สถานะปกติ (ณ อุณหภูมิห้อง) ของแข็ง การจัดเรียงอะตอม [Kr]4d25s2 เซอร์โคเนียมพบอยู่ในรูปของแร่เซอร์คอน (ZrSiO4) เกิดตามแหล่งแร่ดีบุก ทนต่อการกัดกร่อนมาก จัดเป็นธาตุที่ค่อนข้างว่องไวต่อปฏิกิริยาเคมี ณ อุณหภูมิสูง ความไวต่อไนโตรเจนและออกซิเจนของธาตุนี้เป็นประมาณ 3 เท่าเมื่อเปรียบเทียบกับไทเทเนียม

โครงสร้างอะตอม อิเล็กตรอนต่อระดับพลังงาน 2, 8, 18, 10, 2

การค้นพบ เซอร์โคเนียมในรูปของออกไซด์ค้นพบโดย N.H. Klaproth ในปี ค.ศ. 1ขณะที่ทำการศึกษาแร่ zircon ซึ่งเป็นซิลิเกตของเซอร์โคเนียม (ZrSiO4) ในรูปของพลอย (gemstone) จากซีลอน พลอย zircon มีชื่อมาจากภาษาอาหรับ zargum หมายถึงสีทองคำ และ Klaproth ตั้งชื่อธาตุนี้ว่า zirconium ในปี ค.ศ. 1824 J.J. Berzelius สามารถสกัดธาตุนี้ได้ในรูปธาตุอิสระจากการนำ K2ZrF6 มา รีดิวซ์ด้วยโพแทสเซียม (K)

แร่เซอร์คอน (ZrSiO4)         แร่เซอร์คอน (zircon) หรือเพทาย สูตรเคมี ZrSiO4 มี ZrO2 67.2% และ SiO2 32.8% มีรูปผลึกระบบเททราโกนาล ลักษณะเป็นแท่งยาวมียอดแหลมปิดหัวและท้าย แข็ง วาวแบบเพชร ใสไม่มีสี หรืออาจมีสีน้ำตาล เทา เขียว แดง ผงละเอียดไม่มีสี ปกติจะแสดงคุณสมบัติโปร่งแสงแต่บางครั้งก็โปร่งใส

การกำเนิด แร่เซอร์คอน เป็นแร่รองในหินอัคนีแทรกซอนแทบทุกชนิด โดยเฉพาะชนิดกรด เช่น หินแกรนิต แกรโนไดโอไรต์ ไซอีไนต์ พบมากในหินเนฟิลีนไซอิไนต์ เซอร์คอนเป็นแร่ซิลิเกตตัวแรกที่ตกผลึกจากหินหนืดที่เย็นตัว นอกจากนี้ยังอาจพบได้ใน หินไนส์ ชีสต์ หรือพบเป็นเมล็ดกลม ๆ หรือผลึกเล็กๆ ตามลำธารและชายฝั่งทะเล แหล่งที่พบในประเทศไทย ในประเทศไทย แร่เซอร์คอนชนิดผลึกละเอียดพบในเหมืองลานแร่ดีบุกทุกแห่ง และตามชายทะเลฝั่งทะเลทั่วไป ที่สำคัญได้แก่ ชายทะเลที่ ระยอง ประจวบคีรีขันธ์ และชุมพรส่วนชนิดที่เป็นรัตนชาติหรือผลึกโตๆ พบเกิดร่วมกับหินภูเขาไฟ ชนิดหินบะซอลต์ที่จังหวัดจันทบุรี ตราด อุบลราชธานีศรีสะเกษ และแพร่

การถลุงเซอร์โคเนียม แร่ zircon 1. นำหางแร่ดีบุกที่ได้จากการทำเหมืองแร่ดีบุกซึ่งมีเซอร์คอนอยู่ ไปถลุงที่ 800-1000 °c โดยใช้คาร์บอนเป็นตัวรีดิวส์ จะได้โลหะ เซอร์โคเนียมที่ไม่บริสุทธิ์ 2. นำโลหะเซอร์โคเนียมมาเผาที่ 500 °c โดยพ่นก๊าชคลอรีน ตลอดเวลา จะได้ไอของ ZrCl4 นำไปผ่านเครื่องควบแน่นจะได้ ผลึก ZrCl4 นำไปทำปฏิกิริยากับแมกนีเซียมหลอมเหลวภายใต้ บรรยากาศก๊าซฮีเลียม (ก๊าซเฉื่อย) จะได้โลหะเซอร์โคเนียมปน อยู่กับแมกนีเซียมคลอไรด์และแมกนีเซียมเหลวที่ทำปฏิกิริยาไม่หมด แร่ zircon

การถลุงเซอร์โคเนียม ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นดังสมการ ZrCl4 (s) + 6Mg(l) Zr(s) + 2MgCl2(s) 3. แยก Mg และ MgCl2 โดยเผาในภาวะที่เป็นสุญญากาศที่ 900 °c 4. และนำโลหะเซอร์โคเนียมไปหลอมในเตาสุญญากาศ เพื่อให้ได้โลหะที่บริสุทธิ์ขึ้น (แต่จะต้องทำในสุญญากาศเพื่อป้องกันมิให้เกิดการเจือปนก๊าซออกซิเจนหรือไนโตรเจน)

การผลิตเซอร์โคเนียมไดออกไซด์ 1. ทำได้โดยนำแร่เซอร์คอนมาหลอมรวมกับ Na2O ได้โซเดียมเซอร์โคเนียมซิลิเกต (Na2ZrSiO3) 2. นำมาทำปฏิกิริยากับน้ำร้อนเพื่อแยก Na2SiO3 ซึ่งเป็นสารปนเปื้อนออกแล้วจึงนำไปทำปฏิกิริยากับ H2So4 ได้สารประกอบเซอร์โคเนียมซัลเฟต (Zr(SO4)2) 3. ทำให้เป็นกลางโดยการเติมสารละลาย NH3 จะได้สารประกอบเซอร์โคเนียมไฮดรอกไซด์ (Zr(OH)4) 4. นำไปเผาที่ 900 oC จะได้ ZrO2 ซึ่งเมื่อนำมาทำปฏิกิริยากับ Y2O3 จะได้ Partially Stabilized Zirconia (PSZ) ซึ่งเป็นผงสีขาว จุดหลอมเหลว 2700 oC

การนำไปใช้ประโยชน์ โลหะเซอร์โคเนียมบริสุทธิ์ มีสีเทาเงิน อ่อนและเหนียว มีจุดหลอมเหลว 1852 °c - ใช้ทำโลหะผสมเพื่อหุ้มแท่งเชื้อเพลิงยูเรเนียม - ใช้เป็นโลหะในโครงสร้างแกนเตาสำหรับเตาปฏิกรณ์นิวเคลียร์ ซึ่งใช้ในรูปของโลหะเจือ เรียกว่า zircaloy ซึ่งมีหลายชนิด เช่น Zircaloy II ประกอบด้วย ดีบุก (Sn) 1.46 %, เหล็ก (Fe) 0.124 % และโครเมียม (Cr) 0.104 % (ที่เหลือเป็นเซอร์โคเนียม) ส่วน Zirrcaloy III ประกอบด้วย ดีบุก 0.25 %,เหล็ก 0.25 %, โครเมียม 0.5 % และนิกเกิล 0.5 % - ใช้เป็นวัสดุเคลือบเซรามิกส์ - เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาในการกลั่นน้ำมัน - ใช้ในรูปของโลหะเจือ เพื่อช่วยทำให้ความสามารถในการต้านทานการผุกร่อนของโลหะเจือที่ได้ดีขึ้น

2. เซอร์โคเนียมออกไซด์ (ZrO2) มีลักษณะเป็นผงสีขาว มีจุดหลอมเหลว 2700 °c มีความแข็งมาก - ใช้เป็นผงขัดและวัสดุทนไฟ - ใช้เป็นองค์ประกอบของแก้วและเซรามิกส์ที่ทนกรดและเบส - ใช้ทำสีและสารเพิ่มความทึบสำหรับเคลือบเครื่องปั้นดินเผาและผลิตภัณ์เซรามิกส์ 3. เซอร์โคเนียมเตตระคลอไรด์ (ZrCl4) - ใช้เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาในกระบวนการกลั่นน้ำมัน - เป็นวัตถุดิบในการสังเคราะห์สารประกอบอินทรีย์ของเซอร์โคเนียม

4. ประโยชน์อื่นๆ - เซอร์โคเนียมไฮดรอกซีคลอไรด์ใช้เป็นยาระงับกลิ่นกาย - ใช้เป็นชิ้นส่วนของเครื่องยนต์ไอพ่นและจรวด - ทำฉนวนกันไฟฟ้าแรงสูง - เพทาย หรือ เซอร์โคเนียมซิลิเกต ใช้เป็นเครื่องประดับ - ทำส่วนประกอบของเครื่องอิเล็กทรอนิกส์ - ทำชิ้นส่วนของหัวเทียนรถยนต์

การเป็นพิษ โลหะเซอร์โคเนียมไม่ปรากฎความเป็นพิษ แต่ในการถลุงแร่บางชนิดจะมีกากแร่ที่เป็นสารพิษเกิดขึ้นด้วย เช่น   - กากแคดเมียม (Cd) ซึ่งเป็นโลหะทรานซิสชั่นสีขาว-ฟ้าเป็นธาตุมีพิษ                - การย่างแร่ ทองแดง สังกะสี และพลวง จะได้แก๊ส SO2  ซึ่งเป็นแก๊สที่มีกำมะถันเป็นองค์ประกอบ ซึ่งเป็นอันตรายอย่างมาก - การเกิดฝุ่นโลหะที่ปะปนออกมาในขณะที่ถลุงแร่จะเป็นอันตรายอย่างมาก  

หนังสืออ้างอิง เซอร์โคเนียม.[ออนไลน์].เข้าถึงได้จาก : http://www.lks.ac.th/student/kroo_su/chem3/Zr.htm. (วันที่ค้นข้อมูล : 6 ธันวาคม 2553). เซอร์โคเนียม.[ออนไลน์].เข้าถึงได้จาก : http://202.44.68.33/node/12580. เซอร์โคเนียม.[ออนไลน์].เข้าถึงได้จาก:https://www.myfirstbrain.com/student_view.aspx?ID=69090.

สมาชิกในกลุ่ม 1.นางสาวชนิสรา เมฆหมอก เลขที่ 29 2.นางสาวประภาพร วิคบำเพิง เลขที่ 37 3.นางสาวรัตนาภรณ์ สุวรรณภาค เลขที่ 42 ชั้นมัธยมศึกษาปีที่ 5/4

ขอบคุณที่ชมการนำเสนอ