ઝિર્કોનિયમનો પરિચય
ઝિર્કોનિયમ, જે રાસાયણિક પ્રતીક Zr અને પરમાણુ ક્રમાંક 40 દ્વારા રજૂ થાય છે, તે એક ચળકતી, ચાંદી-ગ્રે રંગની સંક્રાંતિ ધાતુ છે. તે સામાન્ય રીતે પૃથ્વીના પોપડામાં જોવા મળે છે, મુખ્યત્વે ખનિજ ઝિર્કોન (ઝિર્કોનિયમ સિલિકેટ, ZrSiO₄) તરીકે. આ ખનિજ વિશ્વના વિવિધ ભાગોમાં ખોદવામાં આવે છે, જેમાં ભારતના દરિયાકાંઠાના પ્રદેશો જેમ કે કેરળનો સમાવેશ થાય છે, જ્યાં દરિયાકિનારાની રેતી ભારે ખનિજોથી સમૃદ્ધ છે. ઝિર્કોનિયમના અનન્ય ગુણધર્મો તેને પરમાણુ રિએક્ટરથી લઈને સિરામિક્સ અને સર્જિકલ સાધનો સુધીના વિવિધ ઔદ્યોગિક કાર્યક્રમોમાં મૂલ્યવાન બનાવે છે.
ઝિર્કોનિયમની રાસાયણિક પ્રતિક્રિયાશીલતા
ઝિર્કોનિયમ મધ્યમ રાસાયણિક પ્રતિક્રિયાશીલતા દર્શાવે છે, જે ઓક્સિજન પ્રત્યે તેની મજબૂત આકર્ષણ અને રક્ષણાત્મક ઓક્સાઇડ સ્તરની રચના દ્વારા મોટાભાગે પ્રભાવિત થાય છે.
હવા સાથે પ્રતિક્રિયા
ઓરડાના તાપમાને, બલ્ક ઝિર્કોનિયમ ધાતુ હવા સાથે સરળતાથી પ્રતિક્રિયા કરતી નથી. તે તેની સપાટી પર ઝિર્કોનિયમ ડાયોક્સાઇડ (ZrO₂) નું પાતળું, ગાઢ અને મજબૂત સ્તર ઝડપથી બનાવે છે. આ નિષ્ક્રિય ઓક્સાઇડ સ્તર અંતર્ગત ધાતુને વધુ ઓક્સિડેશનથી બચાવે છે. જો કે, ઊંચા તાપમાને, ખાસ કરીને 200°C થી ઉપર, ઝિર્કોનિયમ હવામાંના ઓક્સિજન સાથે સક્રિય રીતે પ્રતિક્રિયા કરીને ઝિર્કોનિયમ ડાયોક્સાઇડ બનાવે છે. પાવડર સ્વરૂપમાં, ઝિર્કોનિયમ વધુ પ્રતિક્રિયાશીલ હોય છે અને તેની ઊંચી સપાટી વિસ્તારને કારણે હવામાં આપમેળે સળગી શકે છે (પાયરોફોરિક).
પાણી સાથે પ્રતિક્રિયા
હવા સાથેની તેની પ્રતિક્રિયાની જેમ, બલ્ક ઝિર્કોનિયમ ધાતુ આસપાસના તાપમાને પાણી દ્વારા કાટ પ્રત્યે ઉચ્ચ પ્રતિકાર દર્શાવે છે. રક્ષણાત્મક ઝિર્કોનિયમ ડાયોક્સાઇડ સ્તર નોંધપાત્ર પ્રતિક્રિયા અટકાવે છે. જો કે, ઊંચા તાપમાને, ખાસ કરીને વરાળ સાથે, ઝિર્કોનિયમ ઉષ્માક્ષેપક રીતે પ્રતિક્રિયા કરીને ઝિર્કોનિયમ ડાયોક્સાઇડ અને હાઇડ્રોજન ગેસ ઉત્પન્ન કરે છે. આ પ્રતિક્રિયા અમુક ઔદ્યોગિક કાર્યક્રમોમાં ખાસ કરીને મહત્વપૂર્ણ છે.
સુરક્ષા અને ગુણધર્મો
ઝિર્કોનિયમની સુરક્ષા પ્રોફાઇલ તેના સ્વરૂપ અને પર્યાવરણીય પરિસ્થિતિઓ પર આધાર રાખે છે.
ઝેરીપણું
ધાત્વિક ઝિર્કોનિયમ સામાન્ય રીતે બિન-ઝેરી માનવામાં આવે છે. તે બાયોકોમ્પેટીબલ છે, એટલે કે તે જીવંત પેશીઓમાં હાનિકારક અથવા દાહક પ્રતિક્રિયાનું કારણ નથી બનતું, તેથી જ તેનો ઉપયોગ તબીબી પ્રત્યારોપણમાં થાય છે. મોટાભાગના ઝિર્કોનિયમ સંયોજનો પણ ઓછી ઝેરીતા દર્શાવે છે. જો કે, લાંબા સમય સુધી ઝિર્કોનિયમ ધૂળ અથવા ધૂમ્રપાન શ્વાસમાં લેવાથી શ્વસનતંત્રમાં બળતરા થઈ શકે છે.
કિરણોત્સર્ગીતા
કુદરતી રીતે બનતું ઝિર્કોનિયમ કિરણોત્સર્ગી નથી. તેના પાંચ સ્થિર આઇસોટોપ્સ (⁹⁰Zr, ⁹¹Zr, ⁹²Zr, ⁹⁴Zr, ⁹⁶Zr) બધા બિન-કિરણોત્સર્ગી છે. કુદરતી રીતે બનતા ઝિર્કોનિયમને ઝિર્કોનિયમના અમુક કિરણોત્સર્ગી આઇસોટોપ્સ (દા.ત., ઝિર્કોનિયમ-93) થી અલગ પાડવું મહત્વપૂર્ણ છે, જે પરમાણુ રિએક્ટરમાં વિભાજન ઉત્પાદનો તરીકે ઉત્પન્ન થઈ શકે છે પરંતુ કુદરતી રીતે જોવા મળતા નથી.
જ્વલનશીલતા
જ્યારે બલ્ક ઝિર્કોનિયમ ધાતુને સામાન્ય પરિસ્થિતિઓમાં જ્વલનશીલ માનવામાં આવતી નથી અને તેનું ગલનબિંદુ ઊંચું (1855°C) હોય છે, ત્યારે બારીક પાવડર સ્વરૂપમાં ઝિર્કોનિયમ અત્યંત જ્વલનશીલ અને પાયરોફોરિક હોય છે. આનો અર્થ એ છે કે તે ઓરડાના તાપમાને હવામાં આપમેળે સળગી શકે છે. ઝિર્કોનિયમ પાવડર સંડોવતા આગને ઓલવવી પડકારજનક છે અને તેને વિશિષ્ટ અગ્નિશામક એજન્ટોની જરૂર પડે છે, કારણ કે પાણી અને ઘણા સામાન્ય અગ્નિશામક બળતી ધાતુ સાથે પ્રતિક્રિયા કરી શકે છે, સંભવતઃ આગને તીવ્ર બનાવી શકે છે અથવા હાઇડ્રોજન ગેસ ઉત્પન્ન કરી શકે છે.
એક મુખ્ય રાસાયણિક પ્રતિક્રિયા
ઝિર્કોનિયમ સાથે સંકળાયેલી સૌથી પ્રખ્યાત અને અત્યંત મહત્વપૂર્ણ રાસાયણિક પ્રતિક્રિયાઓમાંની એક છે તેની ઊંચા તાપમાનની વરાળ સાથેની પ્રતિક્રિયા. આ પ્રતિક્રિયા ખાસ કરીને પરમાણુ ઉર્જા ઉત્પાદનમાં સુસંગત છે, જ્યાં ઝિર્કોનિયમ એલોય (ઝિર્કેલોય તરીકે ઓળખાય છે) યુરેનિયમ ઇંધણ સળિયા માટે ક્લેડિંગ તરીકે ઉપયોગમાં લેવાય છે.
પ્રતિક્રિયા છે: Zr(s) + 2H₂O(g) → ZrO₂(s) + 2H₂(g)
સામાન્ય સંચાલન પરિસ્થિતિઓમાં, ઝિર્કેલોય ક્લેડિંગ પરનું રક્ષણાત્મક ઓક્સાઇડ સ્તર ઠંડક પાણી સાથે નોંધપાત્ર પ્રતિક્રિયા અટકાવે છે. જો કે, જો પરમાણુ રિએક્ટર અતિશય ગરમીની ઘટનાનો અનુભવ કરે છે, તો ક્લેડિંગ ઊંચા તાપમાને પહોંચી શકે છે જ્યાં તે વરાળ સાથે ઝડપથી પ્રતિક્રિયા આપે છે, ઝિર્કોનિયમ ડાયોક્સાઇડ અને મોટી માત્રામાં અત્યંત જ્વલનશીલ હાઇડ્રોજન ગેસ ઉત્પન્ન કરે છે. હાઇડ્રોજન ગેસનો સંગ્રહ આવા સંજોગોમાં ગંભીર સુરક્ષા ચિંતા ઊભી કરે છે, જેમ કે ફુકુશિમા દાઇચી પરમાણુ દુર્ઘટના જેવી ઘટનાઓમાં જોવા મળ્યું હતું.