ઝર્કોનિયમ

ઝર્કોનિયમ : આવર્તક કોષ્ટકના 4થા (અગાઉના IVA) સમૂહમાં આવેલું રાસાયણિક ધાતુતત્વ. સંજ્ઞા Zr. જર્મન રાસાયણવિદ ક્લેપ્રોથે 1789માં તેની શોધ કરી હતી. હાલ ઝર્કોન તરીકે ઓળખાતા કીમતી પથ્થર માટેના અરબી શબ્દ zargun (સોનેરી રંગનું) ઉપરથી ઝર્કોનિયમ નામ પડ્યું છે. 1824માં બર્ઝેલિયસે અશુદ્ધ અને 1914માં લેલી અને હૅમ્બર્ગરે ~100 % શુદ્ધ ઝર્કોનિયમ મેળવ્યું હતું. વિશ્વમાં તેનું સૌથી વધુ ઉત્પાદન ઑસ્ટ્રેલિયામાં થાય છે. તે પછી દક્ષિણ આફ્રિકા અને અમેરિકા આવે છે.

પ્રાપ્તિસ્થાન : Zr પૃથ્વીના પોપડામાં વિસ્તૃત રીતે વહેંચાયેલું છે. રાસાયણિક રીતે તે સક્રિય છે અને મહદંશે ઑક્સિજન સાથેનાં સંયોજનો રૂપે મળી આવે છે. તેનાં ખનિજોમાં બૅડલિઆઇટ (ZrO₂) (80 %થી 85 % ZrO₂), ઝર્કોન (ZrO₂·SiO₂), એલ્પિડાઇટ (Na₂ Zr Si₆O₁₅ · 3H₂O) અને યુડાયાલાઇટ[Na₁₃ (Ca, Fe)₆ (Zr, Si)₂₀ O₅₂Cl]ને ગણાવી શકાય. આ ઉપરાંત ઝર્કોનેટ તરીકે તે ઝર્કેલાઇટ (50 % ZrO₂) અને યુલિગાઇટ(33 % ZrO₂)માં પણ મળી આવે છે. તેનાં ખનિજો પૈકી ઝર્કોન ઔદ્યોગિક રીતે અગત્યનું છે. Zr અને હેફનિયમ(Hf)ના ગુણધર્મો સરખા હોઈ Zr સાથે તેના 2 % જેટલું  Hf પણ મળી આવે છે. ઝર્કોન ન્યૂસાઉથ વેલ્સ, પશ્ચિમ ઑસ્ટ્રેલિયા, ફ્લૉરિડા (જૅક્સનવિલે), બ્રાઝિલ, સિલોન અને મ્યાનમારમાં મળી આવે છે. ભારતમાં તે કેરળમાં મળી આવે છે.

ઉત્પાદનપદ્ધતિઓ : Zr મેળવવા માટે મુખ્ય 2 રીતો છે.

(ક) ક્રોલ (Kroll) પદ્ધતિ : ઝર્કોનિયમ ટેટ્રાક્લોરાઇડ(ZrCl₄)ની બાષ્પનું રિડક્શન કરવાથી Zr મળે છે. સૌપ્રથમ ઝર્કોન ખનિજને ચાપભઠ્ઠી (arc-furnace)માં કાર્બન સાથે ગરમ કરીને ઝર્કોનિયમ સાયનોનાઇટ્રાઇડ મેળવવામાં આવે છે. ખનિજમાંનું સિલિકોન તત્વ સિલિકોન મૉનૉક્સાઇડ રૂપે બાષ્પીભવન થઈ ઊડી જાય છે. ગરમ સાયનોનાઇટ્રાઇડની ક્લોરિનના પ્રવાહ સાથે પ્રક્રિયા કરવાથી બાષ્પીય ZrCl₄ બને છે, જેનું નિષ્ક્રિય વાતાવરણમાં પુન: ઊર્ધ્વીકરણ કરવાથી શુદ્ધ ટેટ્રાક્લોરાઇડ મળે છે. જો આ શુદ્ધીકરણ ન કરવામાં આવે તો ધાતુની તન્યતા ઘટી જાય છે. ZrCl₄ની બાષ્પને પાણી, ઑક્સિજન અને નાઇટ્રોજનની ગેરહાજરીમાં પ્રવાહી મૅગ્નેશિયમ રાખેલા ઓરડામાં પસાર કરવામાં આવે છે. પ્રક્રિયા વખતના સંજોગોનું યોગ્ય રીતે નિયંત્રણ કરવાથી ચૂર્ણરૂપને બદલે છિદ્રાળુ ધાતુ મળે છે. ઉપપેદાશ તરીકે મળતા મૅગ્નેશિયમ ક્લોરાઇડને પિગાળી-નિતારી અલગ કરવામાં આવે છે. છિદ્રાળુ Zrને ભાંગી દબાણ આપી તેના સળિયા બનાવવામાં આવે છે. આ સળિયાનું નિષ્ક્રિય વાતાવરણમાં ચાપગલન કરી મળતા પિગાળને ઢાળકા-(ingots)માં ફેરવવામાં આવે છે. તેની ગુણવત્તા કઠિનતા-કસોટી દ્વારા નક્કી કરવામાં આવે છે.

(ખ) વાન આર્કેલ – દ બોઅર પદ્ધતિ (1924) : અશુદ્ધ ઝર્કોનિયમમાં ઑક્સિજનનું પ્રમાણ વધારે હોય તો તેની ઉપર પ્રક્રિયા થઈ શકતી નથી. આથી અશુદ્ધ ઝર્કોનિયમમાંથી ઑક્સિજન અને નાઇટ્રોજન દૂર કરવાનું ખાસ જરૂરી હોય ત્યાં આ પદ્ધતિ વધુ વપરાય છે. તેમાં અશુદ્ધ ઝર્કોનિયમને નિર્વાતિત પાત્રમાં થોડા આયોડિન સાથે 200^o સે. તાપમાને ગરમ કરવામાં આવે છે. આથી બાષ્પીય ZrI₄ ઉત્પન્ન થાય છે. સાથે સાથે ટંગસ્ટન કે Zr જેવી ઉચ્ચ તાપસહ ધાતુના તારને વિદ્યુતીય રીતે ~1300^o સે. સુધી ગરમ કરવામાં આવે છે. આથી ZrI₄નું વિઘટન થઈ તાર ઉપર શુદ્ધ Zr ધાતુ જમા થાય છે. આ પદ્ધતિથી અતિ શુદ્ધ ધાતુ પ્રાપ્ત થાય છે.

ગુણધર્મો : ઝર્કોનિયમ ચાંદી જેવી ચળકતી ધાતુ છે. તેના ભૌતિક ગુણધર્મો નીચે પ્રમાણે છે :

પરમાણુભાર	91.224
પરમાણુ-ક્રમાંક	40
ઇલેક્ટ્રૉનીય સંરચના	2, 8, 18, 10, 2 અથવા (Kr)4d25s2
ઘનતા(ગ્રા./ઘ. સેમી.) (20o સે.)	6.49
ગલનબિંદુ (o સે.)	1857
ઉત્કલનબિંદુ (o સે.)	4200
વિ. ઉષ્મા (કૅલરી/ગ્રા.–1K–1)	0.068
લિથોસ્ફિયરમાં વિપુલતા	0.022 %
કઠિનતા (મોઝ માપક્રમ)	4.0 થી 5.0
વિદ્યુત-અવરોધ(μΩ – સેમી.)(0o સે.)	40
ઉષ્મીય ન્યૂટ્રૉન અવશોષણ આડછેદ બાર્ન	0.18
ઑક્સિડેશન-અવસ્થા	+2, +3, +4

તેની સપાટી ઉપર ઑક્સાઇડનું અભેદ્ય પડ લાગી જતું હોવાથી સામાન્ય તાપમાને તે નિષ્ક્રિય રહે છે; પણ ઊંચા તાપમાને અધાતુ તત્વો અને ઘણી ધાતુઓ સાથે સંયોજનો બનાવે છે. દા.ત., 700^o સે.એ ધાતુમાં 30  પરમાણુ ટકા ઑક્સિજન, 20 પરમાણુ ટકા નાઇટ્રોજન અને 50 પરમાણુ ટકા હાઇડ્રોજન ઓગળે છે. બારીક ચૂર્ણ અથવા પતરી સ્વરૂપે તે જ્વલનશીલ (pyrophoric) હોય છે. ક્ષારણ સામે તે અસરકારક અવરોધ ધરાવે છે. ઘણા ઍસિડ, બેઝ અને ક્ષારોનાં જલીય દ્રાવણોમાં તેનો પ્રતિવર્ષ ક્ષારણ દર 1 મિલ (1 ઇંચનો હજારમો ભાગ) જેટલો હોય છે. હાઇડ્રોક્લોરિક ઍસિડ સામે તે ટકી શકતું નથી.

સંયોજનો : Zrનાં અગત્યનાં સંયોજનોમાં ડાયૉક્સાઇડ (ZrO₂), ટેટ્રાક્લોરાઇડ (ZrCl₄) અને સલ્ફેટ[Zr(SO₄)₂·4H₂O]ને ગણાવી શકાય. ZrO₂ એ કઠણ અને સફેદ અથવા પીળાશ પડતા તપખીરિયા રંગનો હોય છે. તેનું ગલનબિંદુ 2700^o સે. જેટલું ઊંચું હોય છે. તે સામાન્ય રીતે અપઘર્ષક તરીકે, ઉચ્ચતાપસહ્ય પદાર્થ તરીકે તેમજ  ઍસિડ અને આલ્કલીરોધક કાચ બનાવવા માટે અને બળતણકોષોના ઘટક તરીકે વપરાય છે. ZrCl₄ એ ઝર્કોનિયમ કાર્બાઇડ કે નાઇટ્રાઇડના ક્લોરિનીકરણ દ્વારા બનાવવામાં આવે છે. તેનો  ઉપયોગ કાર્બનિક-ઝર્કોનિયમ સંયોજનો બનાવવામાં તેમજ પેટ્રોલિયમના ભંજન (cracking) તથા ઇથિલીનના બહુલીકરણ (polymerization) જેવી પ્રક્રિયાઓમાં થાય છે. ઝર્કોનિયમ હાઇડ્રૉક્સાઇડ [Zr(OH)₄] ઉપર સલ્ફ્યુરિક ઍસિડ પ્રક્રિયા વડે Zr સલ્ફેટ મેળવી શકાય છે. તે  ઊંજણદ્રવ્ય (lubricant) તરીકે તથા ચામડાં કમાવવાના ઉદ્યોગમાં વપરાય છે. ZrB, ZrC અને ZrNએ બિનઑક્સિકારક (nonoxidizing) પર્યાવરણમાં વપરાતા ઉચ્ચતાપમાનસહ પદાર્થો છે.

ઝર્કોનિયમ ઑક્સિક્લોરાઇડ(ZrOCl₂)માંથી મેળવાતા ડાઇએસિટેટોઝર્કોનિક ઍસિડ (ઝર્કોનિયમ એસિટેટ [HZrOOH (C₂H₃O₂)₂] અને ડાયસલ્ફેટોઝર્કોનિક ઍસિડ (ઝર્કોનિયમ સલ્ફેટ) [H₂ZrO(SO₄)₂ ર 3H₂O] ચામડું કમાવવા માટે ખૂબ ઉપયોગી છે. એમોનિયમ કાર્બોનેટો-ઝર્કોનેટ (NH₄)₃ · ZrOH (CO₃)₃ · 2H₂O] સ્ટાર્ચ જેવા બહુલકોના તિર્યક્-જોડાણ(crosslinking)માં વપરાય છે, જ્યારે સોડિયમ લૅક્ટોઝર્કોનેટ  [Na₂HZrOH(CH₃CHOCO₂)₃] શરીર-ગંધહારક તરીકે ઉપયોગમાં લેવાય છે.

તેનાં કાર્બનિક સંયોજનોમાં ઝર્કોસિન ડાયક્લોરાઇડ [(pi-C₆H₅)₂ ZrCl₂], સાયક્લોઑક્ટાટેટ્રાઇન અને સિગ્મા બંધવાળાં ટેટ્રાબેન્ઝાઇલ ઝર્કોનિયમ બનાવી શકાયાં છે.

ઉપયોગ : ઝર્કોનિયમ પોલાદની બનાવટમાં ઑક્સિહારક (deoxydizer) તથા ગંધક અને નાઇટ્રોજનના અપમાર્જક (scavenger) તરીકે અને ઇલેક્ટ્રૉનિક નળીઓમાંથી વાયુ દૂર કરવા માટે ગૅસગ્રાહી (getter) તરીકે વપરાય છે. તે ફોટોફ્લૅશ બલ્બમાં અને વાઢકાપનાં સાધનોમાં પણ ઉપયોગમાં લેવાય છે. તેના ઉપયોગથી ભરતર લોખંડની યંત્રસુકાર્યતા(machinability)માં સુધારો થાય છે; જ્યારે મૅગ્નેશિયમની મિશ્રધાતુઓની કઠોરતા અને પ્રતન્યતા (ductility) વધે છે. ઍલ્યુમિનિયમમાં Zr ઉમેરવાથી તેના ઉપર દરિયાના પાણીની અસર ઓછી થાય છે. દારૂગોળામાં Zrનો ભૂકો પ્રાઇમર અથવા ડિટોનેટર તરીકે વપરાય છે.

નાભિકીય ઊર્જા સંયંત્રો(plants)માં ગરમ પાણી અને વરાળ સામે તેનો પ્રતિરોધ સંતોષકારક નહિ હોવાથી આ કામ માટે ઝર્કેલૉય-2 (1.5 % Sn, 0.12 % Fe, 0.05 % Ni અને 0.10 % Cr ધરાવતી ઝર્કોનિયમની મિશ્રધાતુ) વપરાય છે. ઓછું નિકલ ધરાવતી ઝર્કેલૉય-4 પણ આ માટે વાપરી શકાય છે. Zrનો ઉષ્મીય ન્યુટ્રૉન અવશોષણ આડછેદ ઘણો ઓછો હોવાથી તે બળતણ એકમોના યુરેનિયમના સળિયાના અસ્તર કે જૅકેટ તરીકે વપરાય છે. જોકે સામાન્ય Zrમાં રહેલ હેફનિયમનો આ આડછેદ 600ગણો વધુ હોવાથી Zr શુદ્ધ હોવું જરૂરી છે. નિયોબિયમની માફક Zr પણ નીચા તાપમાને અતિવાહક (superconducting) બનતું હોવાથી વીજશક્તિના ઉત્પાદન માટેનાં ચુંબકો બનાવવામાં તે વાપરી શકાય છે.

વિશ્લેષણ : ઝર્કોનિયમ એક એવું તત્વ છે કે જેનું હાઇડ્રોક્લોરિક ઍસિડમય દ્રાવણમાંથી મેન્ડેલિક ઍસિડ વડે અવક્ષેપન થઈ શકે છે. 10 %થી 20 % સલ્ફ્યુરિક ઍસિડમય દ્રાવણમાંથી ફૉસ્ફૉરિક ઍસિડ વડે તેનું અવક્ષેપન થઈ શકે છે.  હાઇડ્રસ ઝર્કોનિયાનું 2.5 pH મૂલ્યે અવક્ષેપન થાય છે અને તે કેટલાંક રંજકો (dyes), દા. ત., એલિઝરિન, β-નાઇટ્રોસો – α-નેફ્થોલ, મોરિન સાથે લાક્ષણિક રંગ આપે છે. આર્સિનેઝો III, કેટેચોલ વાયોલેટ, એરિયોક્રોમ સાયનિન R, નિયોથોરિન અને ઝાયલિનોલ ઑરેન્જ વડે ઝર્કોનિયમની પરખ અને તેનું સ્પેક્ટ્રૉફોટોમિતીય માપન થઈ શકે છે.

જ. દા. તલાટી