Кіріспе
Цирконий мен сутегінің қорытпасы
цирконий сутегінің қорытпасы
the zirconium hydrogen alloy
Цирконий гидриді – цирконий мен сутегіні біріктіру арқылы алынатын қорытпаны сипаттайды. Сутек қатайтқыш ретінде әрекет етеді, цирконий атомдарының кристалдық торларындағы дислокациялардың бір-бірінен жылжуына кедерес жасайды. Цирконий гидридінде сутегінің мөлшерін және оның күйін (тұнба фаза) өзгерту арқылы, алынған цирконий гидридінің қаттылығы, пластикалық деформацияға қабілеттілігі және созу беріктігі сияқты қасиеттерін басқаруға болады. Сутегінің жоғары мөлшеріндегі цирконий гидриді, цирконийге қарағанда қаттырақ және мықтырақ болуы мүмкін, бірақ мұндай цирконий гидриді цирконийге қарағанда пластикалық деформацияға нашар қабілетті.
Материалдық қасиеттері
Цирконий Жер қыртысында тек кен түрінде кездеседі, әдетте цирконий силикаты, мысалы, циркон. Цирконий рудасынан оттегі мен кремнийді алып тастау арқылы цирконий алынады. Бұл процесс Кролл процесі деп аталады және алғаш рет титанға қолданылды. Кролл процесі гафнийі бар қорытпаны береді. Гафний және басқа да қоспалар кейіннен алынады. Тазартылған цирконийді сутекпен біріктіру арқылы цирконий гидриді жасалады. Титан сияқты, қатты цирконий да сутекті оңай ерітеді. Цирконий гидридінің тығыздығы сутек мөлшеріне байланысты және 5,56–6,52 г/см³ аралығында өзгереді. Цирконий гидридін құрайтын концентрациялардың тар диапазонында да сутек пен цирконийдың қоспалары әртүрлі қасиеттері бар әртүрлі құрылымдарды құрауы мүмкін. Мұндай қасиеттерді түсіну сапалы цирконий гидридін жасау үшін маңызды. Бөлме температурасында цирконийдің ең тұрақты түрі – гексагональды тығыз құрылымды (ГТҚ) α-цирконий. Бұл жұмсақ металл материал, 550 °C температурада 0,069 салмақтық пайызға дейін сутекті еріте алады. Егер цирконий гидриді цирконий гидридін жасау температурасында 0,069%-дан астам сутегін қамтыса, ол денеге орталықтанған кубтық (BCC) құрылымды β-цирконийге айналады. Ол 900 °C жоғары температурада 1,2%-дан астам сутекті еріте алады. 0,7%-дан аз сутегі бар цирконий гидридтері, гипоэвтектоидты цирконий гидриді деп аталады, β-фазадан салқындатылғанда α-фазаға қайта оралуға тырысады, нәтижесінде сутегінің артық мөлшері пайда болады. Тағы бір полиморфтық түрі – γ-фаза, ол әдетте метастабильді фаза деп есептеледі.
Zirconium hydrides are odorless, dark gray to black metallic powders. They behave as usual metals in terms of electrical conductivity and magnetic properties (paramagnetic, unless contaminated with ferromagnetic impurities). Their structure and composition is stable at ambient conditions. Similar to other metal hydrides, different crystalline phases of zirconium hydrides are conventionally labeled with Greek letters, and α is reserved for the metal. The known ZrHx phases are γ (x = 1), δ (x = 1.5–1.65) and ε (x = 1.75–2). Fractional x values often correspond to mixtures, so the compositions with x = 0.8–1.5 usually contain a mixture of α, γ and δ phases, and δ and ε phases coexist for x = 1.65–1.75. As a function of increasing x, the transition between δ Zr and ε Zr is observed as a gradual distortion of the face centered cubic δ (fluorite type) to face centered tetragonal ε lattice. This distortion is accompanied by a rapid decrease in Vickers hardness, which is constant at 260 HV for x < 1.6, linearly decreases to 160 HV for 1.6 < x < 1.75 and stabilizes at about 160 HV for 1.75 < x < 2.0. This hardness decrease is accompanied by the decrease in magnetic susceptibility. When prepared as thin films, the crystal structure can be improved and surface oxidation minimized. Zirconium hydrides are soluble in hydrofluoric acid or alcohol; they react violently with water, acids, oxidizers or halogenated compounds. The rods are cooled by streaming water which gradually oxidizes zirconium, liberating hydrogen. In Fukushima reactors, the reactor cooling system failed because of the tsunami. The resulting temperature increase accelerated chemical reactions and caused accumulation of significant amounts of hydrogen, which exploded upon reaction with oxygen when the gas was released to the atmosphere. In regular operation, most hydrogen is safely neutralized in the reactor systems; however, a fraction of 5 20% diffuses into the Zircaloy rods forming zirconium hydrides. As a pure powder, zirconium hydrides are used as hydrogenation catalysts, in powder metallurgy, and as getters in the vacuum tube industry. ZrH2 is used in powder metallurgy, as a hydrogenation catalyst, and as a reducing agent, vacuum tube getter, and a foaming agent in production of metal foams. Other uses include acting as a fuel in pyrotechnic compositions, namely pyrotechnic initiators.
Шамамен формуласы CAS нөмірі Молекулалық салмағы Тығыздығы (г/см³) Симметрия Ғарыштық тобы № Пирсон символы ZrH 13940 37 992,232 5,9 Орторомбтық Cccm 66 oS8 ZrH1,6 5,66 Кубтық Fmm225 cF12 ZrH2 7704 99 693,240 5,56 Тетрагональді I4/mmm 139 tI6 ZrH4 15457 96 295,256
Zirconium hydrides are odorless, dark gray to black metallic powders. They behave as usual metals in terms of electrical conductivity and magnetic properties (paramagnetic, unless contaminated with ferromagnetic impurities). Their structure and composition is stable at ambient conditions. Similar to other metal hydrides, different crystalline phases of zirconium hydrides are conventionally labeled with Greek letters, and α is reserved for the metal. The known ZrHx phases are γ (x = 1), δ (x = 1.5–1.65) and ε (x = 1.75–2). Fractional x values often correspond to mixtures, so the compositions with x = 0.8–1.5 usually contain a mixture of α, γ and δ phases, and δ and ε phases coexist for x = 1.65–1.75. As a function of increasing x, the transition between δ Zr and ε Zr is observed as a gradual distortion of the face centered cubic δ (fluorite type) to face centered tetragonal ε lattice. This distortion is accompanied by a rapid decrease in Vickers hardness, which is constant at 260 HV for x < 1.6, linearly decreases to 160 HV for 1.6 < x < 1.75 and stabilizes at about 160 HV for 1.75 < x < 2.0. This hardness decrease is accompanied by the decrease in magnetic susceptibility. When prepared as thin films, the crystal structure can be improved and surface oxidation minimized. Zirconium hydrides are soluble in hydrofluoric acid or alcohol; they react violently with water, acids, oxidizers or halogenated compounds. The rods are cooled by streaming water which gradually oxidizes zirconium, liberating hydrogen. In Fukushima reactors, the reactor cooling system failed because of the tsunami. The resulting temperature increase accelerated chemical reactions and caused accumulation of significant amounts of hydrogen, which exploded upon reaction with oxygen when the gas was released to the atmosphere. In regular operation, most hydrogen is safely neutralized in the reactor systems; however, a fraction of 5 20% diffuses into the Zircaloy rods forming zirconium hydrides. As a pure powder, zirconium hydrides are used as hydrogenation catalysts, in powder metallurgy, and as getters in the vacuum tube industry. ZrH2 is used in powder metallurgy, as a hydrogenation catalyst, and as a reducing agent, vacuum tube getter, and a foaming agent in production of metal foams. Other uses include acting as a fuel in pyrotechnic compositions, namely pyrotechnic initiators.
Цирконий гидридтері иіссіз, қою сұрдан қара түсті металл ұнтақтары. Олар электр өткізгіштігі және магниттік қасиеттері жағынан әдеттегі металдар сияқты мінез-құлық танытады (парамагниттік, егер ферромагниттік қоспалармен ластанбаса). Олардың құрылымы мен құрамы бөлме температурасында тұрақты. Басқа металл гидридтері сияқты, цирконий гидридтерінің әртүрлі кристалдық фазалары грек әріптерімен белгіленеді, ал α металл үшін резервтелген. Белгілі ZrHx фазалары: γ (x = 1), δ (x = 1,5–1,65) және ε (x = 1,75–2). Фракциялық x мәндері көбінесе қоспаларды көрсетеді, сондықтан x = 0,8–1,5 құрамында әдетте α, γ және δ фазаларының қоспасы болады, ал δ және ε фазалары x = 1,65–1,75 үшін бірге өмір сүреді. x-тің артуына байланысты δ Zr және ε Zr арасындағы өту бетке орталықтанған кубтық δ (флюорит түрі) тордың бетке орталықтанған тетрагональды ε торға біртіндеп бұрмалануы ретінде байқалады. Бұл бұрмалау Викерс қаттылығының тез төмендеуімен бірге жүреді, ол x < 1,6 үшін 260 HV тұрақты, 1,6 < x < 1,75 үшін 160 HV дейін сызықтық түрде төмендейді және 1,75 < x < 2,0 үшін шамамен 160 HV-да тұрақтанады. Қаттылықтың төмендеуі магниттік сезімталдықтың төмендеуімен бірге жүреді. Жұқа пленкалар түрінде дайындалғанда кристалдық құрылымды жақсартуға және беткі тотығуды азайтуға болады. Цирконий гидридтері фторсутек қышқылында немесе спиртте ериді; олар сумен, қышқылдармен, тотықтырғыштармен немесе галогенді қосылыстармен күшті реакцияға түседі. Сабақтарды цирконийді біртіндеп тотықтыратын сумен салқындату арқылы суытады, нәтижесінде сутек бөлінеді. Фукусима реакторларында цунами салдарынан реакторларды салқындату жүйесі істен шықты. Соның салдарынан температураның көтерілуі химиялық реакцияларды жеделдетіп, сутегінің көп мөлшерінің жиналуына әкелді, ол газ атмосфераға шығарылғанда оттегімен реакцияға түсіп жарылды. Қалыпты жұмыс кезінде сутегінің көп бөлігі реактор жүйелерінде қауіпсіз түрде бейтараптандырылады; алайда, 5–20% фракциясы цирконий гидридтерін құрайтын цирконий таяқшаларына диффузияланады. Таза ұнтақ ретінде цирконий гидридтері сутекті катализатор ретінде, ұнтақ металлургиясында және вакуумдық түтік өнеркәсібінде сорғыштар ретінде қолданылады. ZrH2 ұнтақ металлургиясында, сутекті катализатор ретінде, сондай-ақ редукциялау агенті, вакуумдық түтік сорғышы және металл көбіктерін өндіруде көбік түзеткіш ретінде қолданылады. Басқа қолданыстар пиротехникалық композицияларда отын ретінде, атап айтқанда пиротехникалық инициаторларда қолдануды қамтиды.
Zirconium hydrides are odorless, dark gray to black metallic powders. They behave as usual metals in terms of electrical conductivity and magnetic properties (paramagnetic, unless contaminated with ferromagnetic impurities). Their structure and composition is stable at ambient conditions. Similar to other metal hydrides, different crystalline phases of zirconium hydrides are conventionally labeled with Greek letters, and α is reserved for the metal. The known ZrHx phases are γ (x = 1), δ (x = 1.5–1.65) and ε (x = 1.75–2). Fractional x values often correspond to mixtures, so the compositions with x = 0.8–1.5 usually contain a mixture of α, γ and δ phases, and δ and ε phases coexist for x = 1.65–1.75. As a function of increasing x, the transition between δ Zr and ε Zr is observed as a gradual distortion of the face centered cubic δ (fluorite type) to face centered tetragonal ε lattice. This distortion is accompanied by a rapid decrease in Vickers hardness, which is constant at 260 HV for x < 1.6, linearly decreases to 160 HV for 1.6 < x < 1.75 and stabilizes at about 160 HV for 1.75 < x < 2.0. This hardness decrease is accompanied by the decrease in magnetic susceptibility. When prepared as thin films, the crystal structure can be improved and surface oxidation minimized. Zirconium hydrides are soluble in hydrofluoric acid or alcohol; they react violently with water, acids, oxidizers or halogenated compounds. The rods are cooled by streaming water which gradually oxidizes zirconium, liberating hydrogen. In Fukushima reactors, the reactor cooling system failed because of the tsunami. The resulting temperature increase accelerated chemical reactions and caused accumulation of significant amounts of hydrogen, which exploded upon reaction with oxygen when the gas was released to the atmosphere. In regular operation, most hydrogen is safely neutralized in the reactor systems; however, a fraction of 5 20% diffuses into the Zircaloy rods forming zirconium hydrides. As a pure powder, zirconium hydrides are used as hydrogenation catalysts, in powder metallurgy, and as getters in the vacuum tube industry. ZrH2 is used in powder metallurgy, as a hydrogenation catalyst, and as a reducing agent, vacuum tube getter, and a foaming agent in production of metal foams. Other uses include acting as a fuel in pyrotechnic compositions, namely pyrotechnic initiators.
Қауіпсіздік
Ұнтақталған цирконий гидридтері өртке қабылады және қыздыру, от немесе ұшқындарға ұшыраса тұтанып, жарылуы мүмкін. 300°C-тан жоғары температурада қыздырылғанда олар ыдырайды, соның салдарынан өртке қабылатын сутегі газы бөлінеді.