Oxid zirkoničitý

Z Wikipedie, otevřené encyklopedie
Skočit na: Navigace, Hledání
Oxid zirkoničitý
práškovitý oxid zirkoničitý bílý briliant
Obecné
Systematický název Oxid zirkoničitý
Triviální název Zirkonia
Anglický název Zirconium dioxide
Německý název Zirconium(IV)-oxid
Sumární vzorec ZrO2
Vzhled bílé krystalky nebo prášek
Identifikace
Vlastnosti
Molární hmotnost 123,22 g/mol
Teplota tání 2 700 °C
Teplota varu ≈ 4 500 °C
Teplota změny krystalové modifikace 1 175 °C (α → β)
2 350 °C (β → γ)
Hustota 5,73 g/cm3
Index lomu nDa= 2,13
nDb= 2,19
nDc= 2,20
Tvrdost 6,5 - 7
Relativní permitivita εr 12,5
Součinitel tepelné vodivosti 1,95 Wm-1K-1 (100 °C)
Měrná magnetická susceptibilita 1,407·10-6 cm3g-1
Měrný elektrický odpor 10 000 Ώm (385 °C)
220 Ώm (700 °C)
3,6 Ώm (1 200 °C)
Struktura
Krystalová struktura jednoklonná (α)
čtverečná (β)
krychlová (γ)
Hrana krystalové mřížky α - modifikace
a= 514,5 pm
b= 520,8 pm
c= 531,1 pm
β= 99°23´
β - modifikace
a= 495 pm
c= 516 pm
Termodynamické vlastnosti
Standardní slučovací entalpie ΔHf° −1 081,0 kJ/mol
Standardní molární entropie S° 50,35 JK−1mol−1
Standardní slučovací Gibbsova energie ΔGf° -1 022,4 kJ/mol
Izobarické měrné teplo cp 0,456 JK-1g-1
Bezpečnost
R-věty žádné nejsou
S-věty S22
NFPA 704
Není-li uvedeno jinak, jsou použity jednotky
SI a STP (25 °C, 100 kPa).

Oxid zirkoničitý ZrO2, někdy označovaný jako zirkonia, je bílá krystalická látka s hustotou 5,73 g/cm3. Pokud neobsahuje příliš příměsí má při pokojové teplotě jednoklonnou (monoklinickou) krystalovou strukturu – tak jako vzácně se vyskytující minerál baddeleyit. Při vyšších teplotách (1 175 °C) dochází k fázové přeměně na čtverečnou (tetragonální) strukturu (typu rutilu) a při velmi vysokých teplotách (2 350 °C) se stává stabilní krychlová (kubická) struktura (typu fluoritu), která taje až při 2 700 °C.

Výroba[editovat | editovat zdroj]

Oxid zirkoničitý patří do skupiny oxidové keramiky a jeho výchozí surovinou je minerál zirkon, který je chemicky křemičitanem zirkoničitým ZrSiO4. Jeden z postupů výroby ZrO2 ze ZrSiO4 spočívá v odkřemičitění (desilikatizaci) zirkonu žíháním se směsí CaO/MgO při cca 1 500 °C.[1]

Při 1700 °C probíhá rozklad na jednoduché oxidy:

ZrSiO4(s) + 4 C(s) → SiO(s) + ZrC(s) + 3 CO(s)

ZrC(s) + 2 O2(g) → ZrO2(s) + CO2(s)

Využití[editovat | editovat zdroj]

Keramika[editovat | editovat zdroj]

Příměs oxidu vápenatého CaO či oxidu hořečnatého MgO či oxidu yttritého Y2O3 nebo oxidu ceritého Ce2O3 a dalších způsobuje, že příslušný tuhý roztok oxidu zirkoničitého s příslušnou příměsí (například v molárním poměru 47:3) si zachovává kubickou strukturu při všech teplotách, takže při změnách teploty nedochází k fázovým přeměnám a příslušná („stabilizovaná“) keramika (například ve formě kelímků či trubic) neztrácí pevnost. Používá se ve sklárnách a slévárnách jako velmi kvalitní žáruvzdorný materiál pro tavicí nádoby (pánve) a vnitřní stěny tavicích pecí, který je však ve srovnání s klasickými žáruvzdornými materiály výrazně dražší.

Stabilizující příměsi CaO, MgO či Y2O3 v krystalové mřížce ZrO2 jsou příčinou značné koncentrace vakancí v aniontové podmřížce, takže tento materiál je při vyšších teplotách elektricky vodivý a může sloužit jako tuhý elektrolyt.

Značné elektrické vodivosti této keramiky využil již na konci 19. století (1897) Walther Nernst, který zkonstruoval bíle svítící lampu, v níž namísto kovového vlákna (která září v dnešních žárovkách) byla zdrojem světla zářící tzv. Nernstova tyčinka ze ZrO2 (je třeba si uvědomit, že vynález Nernstovy tyčinky časově předcházel objevu výroby tažných wolframových vláken v roce 1908.[2])

Elektrochemické vlastnosti této keramiky využili K. Kiukolla a C. Wagner[3] k sestavení koncentračních elektrochemických článků, ve kterých hrál kubický ZrO2 s 15% CaO roli tuhého elektrolytu. Tyto galvanické články umožňují určovat hodnotu chemického potenciálu kyslíku v různých chemických soustavách.

V současné době je tato zirkonoxidová keramika součástí kyslíkových čidel (sond), které detekují obsah kyslíku ve zplodinách spalovacích zařízení a signál těchto čidel je využíván pro automatickou regulaci – optimalizaci procesu spalování. Pro své elektrochemické vlastnosti je stabilizovaný ZrO2 vhodný také jako elektrolyt pro palivové články.

Šperkařství[editovat | editovat zdroj]

Významné je také využití kubické (stabilizované) formy oxidu zirkoničitého ve šperkařství jako náhrady diamantu (briliantů). Kubický ZrO2 se diamantu podobá jednak vysokým indexem lomu a tvrdostí (v Mohsově stupnici 8,5 oproti 10 u diamantu), avšak výrazně se liší v hustotě (5,6-6,0 g/cm3 oproti 3,5 g/cm3 u diamantu).

Odkazy[editovat | editovat zdroj]

Reference[editovat | editovat zdroj]

  1. http://www.ingentaconnect.com/content/mksg/sjm/2004/00000033/00000003/art00006
  2. http://www.materialmoments.org/top100.html
  3. J. Electrochem. Soc. 104 (1957) 308, 379

Literatura[editovat | editovat zdroj]

  • VOHLÍDAL, Jiří; ŠTULÍK, Karel; JULÁK, Alois. Chemické a analytické tabulky. 1. vyd. Praha : Grada Publishing, 1999. ISBN 80-7169-855-5.  

Související články[editovat | editovat zdroj]