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지르코늄은 1기압에서 두가지의 동소체 형태로 존재한다. 862℃앟의 온도에서는 조밀육방구조 α상으로 존재하고 그 이상의 온도에서는 체심입방구조 β상으로 존재한다. 표1에 지르코늄의 일반적인 성질을 나타내었다.
표1, 지르코늄의 일반적인 성질
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지르코늄(Zirconium) |
value
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원소기호(Symbol) |
Zr
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원자번호(Atomic Number) |
40
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원자량(Atomic weight) |
91.224
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산화수(Oxidation States) |
+4
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전기음성도(Electronegativity) |
1.4
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열전도도(W/m℃) |
21.1
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열팽창계수(/℃) |
5.5X10-6
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영률(MPa) |
1X105
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녹는점(K) |
2125
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끓는점(K) |
4650
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4족 원소로 이루어진 다른 금속의 성질과 유사하게, 지르코늄은 가스 상태의 산소, 수소, 질소에 강한 친화력을 가지며, 이러한 원소들과 결합하여, 침입형 고용체 뿐 아니라 산화물 수소화물, 질소화물을 형성한다. 이러한 원소 및 수소 원자의 존재는 지르코늄 합금의 구조적인 성질에 많은 영향을 준다.
산소 원자는 α상 지르코늄에 대한 용해도가 높다. 흔히 α상 지르코늄의 조밀육방격자에 내부격자를 차지하고 있으며, Zr-O 구조는 30 at.%의 산소 농도를 가진 동질 고용체로서 존재할 수 있다.
산소의 농도는 순수 지르코늄에서 1000ppm정도의 수치로 이 함유량은 더 증가할 수 있다. 실제로, 이 산소원자의 함유량은 낮은 혹은 중간 단계의 온도에서 지르코늄의 강도에 영향을 미치는 주 원인중의 하나이다(예로, 상온 400~500-600MPa의 압력 범위에서 0.05wt.%에서 0.13wt.%의 산소 함유량의 증가는 강도를 증가시킨다).
주기율표 제4족에 속하는 금속원소. 1789년 M.H.클라프로트가 보석으로서 알려져 있던 광물 지르콘에서 발견하여, 지르코늄이라고 명명했다. 그 후 1824년 J.J.베르셀리우스가 K2ZrF6를 금속칼륨으로 환원시켜 처음으로 금속지르코늄을 분리시켰다.
(1) 존재 : 천연자원으로는 비교적 풍부하게 존재하며, 클라트수(지각의 평균함유량)가 165ppm으로 자원중 20번째로 많다. 주요 광물로는 지르콘(ZrSiO4), 바데라이트(ZrO2) 등이 있으며, 이밖에 티탄, 토륨, 희토류원소 등의 광물 속에 부성분으로서 함유되어 있고, 화성암 속에도 널리 분포하고 있다.
(2) 성질 : 은백색 또는 회백색의 광택이 나는 금속으로 육방정계에 속한다. 무정형인 것은 흑색 분말이며, 분말은 발화점이 낮아 산화제와 섞으면 폭발하기 쉽다. 상온에서는 산화되기 쉬우며, 고온에서는 산화지르코늄이 되기 쉽다. 산 및 알칼리에는 잘 녹지 않으며, 왕수(王水) 및 플루오르화 수소산에만 녹는다. 성질은 티타늄과 비슷하며, 특히 화학적 성질이 하프늄과 흡사하다. 녹는점은 티타늄보다 높으나, 내열성은 티타늄보다 약해 400℃ 이상에서 항장력(杭張力)이 작아진다.
(3) 제조법 : 공업적으로는 크롤법이 이용되고 있다. 즉, 원료 광석을 아크로에서 환원시켜 탄소화물과 질소화물을 만들고, 이것을 염소화한 다음 증류 정제하여 순수한 ZrCl4를 얻는다. 이것을 증기로 하여 약 800℃에서 마그네슘과 반응시켜 금속으로 만들고, 이어서 비활성기체 속에서 융해하여 지금(地金)으로 만든다. Plate, wire 등으로 가공하는 순도가 높은 금속(99.8%이상)은 요오드화지르코늄의 열분해, 염화지르코늄의 융해염 전기분해 등에 의해서 만든다. 시판되는 제품은 원래 공존해 있던 동족인 하프늄이 분리되지 않고, 2~3% 정도 함유되어 있다.
(4) 용도 : 열중성자에 대한 흡수단면적이 금속재료 중에서 최소이고, 내식성이 매우 좋기 때문에 원자로의 재료로서 수요가 많다. 다만, 하프늄을 함유하지 않는 것이 필요하므로, 아세틸아세톤 유도체에 의해서 킬레이트 화합물을 만들고, 하프늄을 분리시킨 다음 야금(冶金) 정제한다. 이밖에 진공관의 게터, 사진용 섬광전구 등에 사용되고 철강업에서는 탈산, 탈황 등에 사용되며, 또 합금으로서 내산재료 등에 사용된다. 산화물은 백색안료, 내화재료 등으로 사용된다.
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