Zirkonyum; sembolü Zr, atom numarası 40 ve atom ağırlığı 91.224 g/mol olan kimyasal bir elementtir. İlk olarak 1789 yılında Martin Heinrich Klaproth tarafından keşfedilen Zirkonyum, 1824 yılında ise Jons Jakob Berzelius tarafından izole edilmiştir.İsmini Pers toplumu tarafından Zargun diye bilinmekte olan ve o dilde altın gibi manasına gelen Zirkon metalinden almıştır. Hafniyuma ve az miktarda Titanyuma benzeyen parlak ve gri-beyaz renginde olan kuvvetli bir geçiş metalidir. Işık kırıcı ve opaklaştırıcı olarak kullanılmaktadır ancak aşınmaya karşı yüksek dirençli olmasından dolayı metal alaşımların vazgeçilmez parçalarından olmuştur. Zirkonyumu zirkonyum dioksit ve zirkonosen diklorür gibi inorganik ve organometalik bileşikler oluşturmaktadır. Zirkonyum bileşiklerinin bilinen biyolojik bir rolü olmasının dışında üçü stabil olan beş izotoptan oluşmaktadır.
Zirkonyum Elementinin Özellikleri
Oda sıcaklığında katı halde bulunan parlak, beyazımsı gri renkte, genleşebilen ve dövülebilen bir metal olmasıyla birlikte saflığının az olduğu halinde ise sert ve kırılgan olabilmektedir. Toz formunda olduğunda oldukça yanıcı bir element olan zirkonyum, katı formundaki halinde ise daha az yanıcı olmaktadır. Zirkonyum asitlere, tuzlu sulara, alkalilere karşı oldukça dayanıklıdır ve bu yüzden genellikle diş kaplama işlemlerinde kullanılmaktadır.
Erime noktası 1855 derece olan zirkonyumun kaynama noktası ise 4371 derecedir. Pauling ölçeğinde ise 1,33’lük elektronegatifliğe sahip olmaktadır. Hafniyum, itriyum, lantanum ve aktinyumdan sonra beşinci en düşük elektronegatifliğe sahip olan elementler arasındadır.
Zirkonyum doğal olarak meydana gelmekte ve toplam beş izotoptan oluşmaktadır. Sabit olan izotopları ise 90Zr, 91Zr ve 92Zr izotoplarıdır. En yaygın olanı 90Zr olanıdır ve zirkonyumun %51’lik kısmını oluşturmaktadır.En az yaygın olan izotop ise 96Zr izotopudur.
Zirkonyum yer kabuğunda 130 mg/kg ve deniz suyunda 0.026 µg/L konsantrasyonuna sahiptir. Dünyada en çok bulunduğu bölge Avusturalya topraklarıdır. Avusturalya’nın yanı sıra Brezilya, Rusya, Güney Afrika ve Amerika Birleşik Devletleri topraklarında da yer aldığı bilinmektedir. Zirkon madenciliğinin yaklaşık %75’e varan kısmı Avusturalya ve Güney Afrika ülkelerinde yapılmaktadır. Dünya’da yaklaşık 60 milyon ton zirkonyum olduğu tahmin edilmektedir. Dünya’nın bir yıllık zirkonyum üretimi ise 900.000 ton olarak bilinmektedir.
Dünya üzerinde bulunan zirkonyumun yanı sıra, S-tipi yıldızlarda bulunduğu da bilinmektedir. Meteor parçalarında zirkonyum parçalarına da rastlanmıştır. Apollo projesi kapsamında dünyaya getirilen numunelerin içlerinde zirkonyum oksit içeriğine rastlanmıştır.
Zirkonyum Nasıl Üretilir?
Zirkonyum titanyum minerallerinden olan ilmenit ve rutilinin yanı sıra kalay madenciliğinin ve işlenmesinin bir yan ürünü olarak üretilmektedir. Deniz kıyı sularından toplanan Zirkon yatakları, daha hafif malzemeleri çıkarmak için spiral konsantratörler tarafından ayrıştırılır. Ayrıştırılanlar daha sonra plaj kumunun doğal bileşenleri oldukları için suya geri gönderilir. Manyetik ayırma kullanılır, titanyum cevherleri ilmenit ve rutil çıkarılarak zirkonyum elde edilir.
Çoğu zirkon doğrudan ticari uygulamalarda kullanılır, sadece küçük bir bölümü metale dönüştürülür. Çoğu ZR metali, Kroll işleminde zirkonyum(IV) klorürün magnezyum metali ile azaltılması ile üretilir. Elde edilen metal, metal işleme için yeterince esnek olana kadar sinterlenir.
Zirkonyum Nerelerde Kullanılır?
Alaşım
Çoğu zirkon direkt olarak yüksek dereceli uygulamalarda bileşen olarak kullanılmaktadır.Kimyasal saldırılara ve tehlikelere refrakter özellik göstermesi ve katı olmasından dolayı alaşım maddesi olarak tercih edilmektedir.
Metal
Zirkonyumların çoğu korozyona karşı mükemmel direne sahip olması nedeniyle, genellikle cerrahi aletler, hafif filamentler ve saat kutuları gibi agresif ortamlara maruz kalan malzemelerde bir alaşım maddesi olarak kullanılır. Zirkonyumun yüksek sıcaklıklarda oksijen ile yüksek reaktivitesi, patlayıcı primerler ve vakum tüplerindeki alıcılar gibi bazı özel uygulamalarda kullanılır. Aynı özellik, BLU-97/B kombine efekt bombası gibi patlayıcı silahlarda ZR nanopartiküllerin piroforik malzeme olarak dahil edilmesinin de amacıdır. Yanan zirkonyum, bazı fotografik flaş ampullerde ışık kaynağı olarak kullanılmaktadır. 10 ila 80 arasında bir ağ boyutuna sahip zirkonyum tozu, bazen kıvılcım üretmek için piroteknik bileşimlerde kullanılır. Zirkonyumun yüksek reaktivitesi parlak beyaz kıvılcımlara yol açar.
Nükleer Uygulamalar
Zirkonyum tedariğinin %1’lik kısmı nükleer reaktörlerin kaplaması için kullanılmaktadır.
Uzay ve Havacılık Sanayi
Zirkonyum metali ısıya direncin gerekli olduğu uzay araçlarında kullanılır. Jet motorlarında ve sabit gaz türbinlerinde yakıcılar, bıçaklar ve kanatlar gibi yüksek sıcaklık parçaları, genellikle zirkonya ve itriyum karışımından oluşan ince seramik tabakalar tarafından daha fazla korunduğu için tercih edilmektedir.
Biyomedikal
Zirkonyum taşıyan bileşikler, Diş implantları ve kronlar, diz ve kalça protezleri, orta kulak kemikçik zincir rekonstrüksiyonu ve diğer restoratif ve protez cihazlar da dahil olmak üzere birçok biyomedikal uygulamada kullanılır. Son zamanlarda diş kaplama işlemlerinde adını sık sık duymakta olduğumuz zirkonyum, dayanıklı olmasından dolayı oldukça da tercih edilmektedir.