معلومات وحقائق عن عنصر الزركونيوم

الزركونيوم هو معدن انتقالي، يتميز بلونه الرمادي الفضي، وهو نوع من العناصر المرنة القابلة للتشكيل، كما أنه يدخل في تكوين العديد من المركبات الثابتة، ويتميز الزركونيوم بمقاومته العالية للتآكل، وقد استخدم الزّركونيوم وسبائكه لعدة قرون في مجموعة متنوعة من التطبيقات.

يُستخدم عادة في البيئات المسببة للتآكل؛ إذ يمكن العثور على سبائك الزركونيوم في الأنابيب والتجهيزات والمبادلات الحرارية، هذا وفقًا لموقعChemicool ؛ كما يستخدم الزركونيوم في سبائك الصلب، والزجاج الملون، والطوب والسيراميك، والمواد الكاشطة، والمصابيح الكهربائية وخيوط المصباح، والأحجار الكريمة الاصطناعية، وبعض مزيلات التعرق، وهذا وفقًا لائتلاف “Minerals Education Coalition”.

وتشمل الاستخدامات الأخرى للزركونيوم المحولات الحفازة، الطوب المستخدم في الأفران، وبواتق المختبرات، والأدوات الجراحية، وزجاج التلفاز، كما يستخدم في إزالة الغازات المتبقية من الأنابيب المفرغة، وعاملًا للتصلب في السبائك مثل سبيكة الصلب، هذا وفقًا لشركة لينتيك “Lenntech”.

أيضًا، يُستخدم مركب كربونات الزركونيوم لعلاج مرض اللبلاب السام (وهو مرض تحسسي ينتج نتيجة التعرض للزيوت الموجودة في نبات اللبلاب)، هذا وفقًا لمختبر جيفرسون.

خام الزركون (من الأحجار الكريمة) وهو المصدر الرئيس لعنصر الزركونيوم

عُثِر على الزّركونيوم في النجوم من نوع (S) والشمس والنيازك والصخور القمرية، وهذا وفقًا لمختبر لوس ألاموس الوطني، ويبدو أن الصخور القمرية تحوي نسبة عالية من الزركون بشكل مثير للدهشة مقارنة بالصخور الأرضية، وفقًا لتحليل عينات صخور القمر من بعثات أبولو المختلفة.

على الأرض، يُعد معدن الزركون في المقام الأول ثم مركب الباديليت (baddeleyite) أو ثاني أكسيد الزركونيوم هما أهم مصادر الزركونيوم، وتُستخرج تلك المعادن في الولايات المتحدة وأستراليا والبرازيل وجنوب أفريقيا وروسيا وسريلانكا، هذا وفقًا لائتلاف “Minerals Education Coalition” وتبلغ الوفرة الطبيعية لعنصر الزركونيوم في القشرة الأرضية 165 جزءًا في المليون حسب الوزن، وهذا وفقًا لموقع Chemicool .
حقائق عن الزركونيوم:

• العدد الذري (عدد البروتونات في النواة): 40
• الرمز الذري (في الجدول الدوري للعناصر): Zr
• الوزن الذري (متوسط كتلة الذرة): 91.22
• الكثافة: 3.77 أونصة لكل بوصة مكعبة (6.52 غرام لكل سم مكعب)
• حالته في درجة حرارة الغرفة: صلب
• درجة الانصهار: 3،362 درجة فهرنهايت (1،850 درجة مئوية)
• درجة الغليان: 7،952 فهرنهايت (4،400 درجة مئوية)
• عدد النظائر الطبيعية (ذرات من نفس العنصر مع عدد مختلف من النيوترونات): خمسة. وهناك أيضًا 20 نظيرًا اصطناعيًّا قام العلماء بتكوينهم في المختبر.
• النظائر الأكثر شيوعًا: Zr-90, Zr-94، Zr-92، Zr-91, Zr- 96.

التركيب الإلكتروني لنواة الزركونيوم
تاريخ العنصر


يتميز معدن الزركون، وهو من الأحجار الكريمة، باللون الأزرق والأصفر والأخضر والبني والبرتقالي والأحمر وأحيانًا الأرجواني.

تُشتق الكلمة من اللفظ الفارسي “zargun” :أو اللون الذهبي، وقد استخدم الزركون في المجوهرات وغيرها من الزخارف لعدة قرون، هذا وفقا للمؤرخ الهولندي بيتر فان دير كروجت ” Peter van der Krogt”.

إنه الأقرب شبهًا إلى الماس من أي جوهرة طبيعية أخرى، وفقا لموقع .Minerals.net

خلال القرون الوسطى، كان يعتقد بأن الزركون يساعد على النوم، ويعزز الثروة والشرف والحكمة، ويقضي على الأوبئة والأرواح الشريرة.

اكتشف الزركونيوم الكيميائي الألماني مارتن هاينريش كلابروث عام 1789، وذلك في عينة من الزركون اُستخرجت من سريلانكا، هذا وفقًا لموقع Chemicool.

وجد أن تركيبة العينة هي 25% من السليكا، وأكسيد الحديد بنسبة 0.5 %، وأكسيد جديد بنسبة 70% سماه زركونيرد (zirconerde) أو”زركون الأرض”.

فيما بعد وجد كلابروث هذا الأكسيد في الياقوت الأكهب، وكان عبارة عن مجموعة متنوعة من الزركون باللون الأصفر الشاحب، غير أنّه لم يستطع فصل المعدن حينها، وفقا للمؤرخ فان دير كروجت.

حاول السير همفري ديفي، الكيميائي الإنجليزي، فصل الزركونيرد للحصول على الزركونيوم النقي في عام 1808 باستخدام التحليل الكهربائي، لكنه لم ينجح وفقًا لما ذكره موقعChemicool ؛ ومع ذلك، فإنه اقترح اسم الزركونيوم للمعدن نفسه وفقًا لموقعvanderkrogt.net .

استطاع فيما بعد الكيميائي السويدي جونس برزيليوس ” Jons J. Berzelius” عزل عنصر الزركونيوم في عام 1824. قام بإنتاج عنصر الزركونيوم مسحوقًا أسود ناتجًا عن تسخين أنبوب حديدي يحتوي على خليط من عنصر البوتاسيوم ومركب فلوريد بوتاسيوم الزركونيوم ((Kr2ZrF6.

أنتج كل من أنطون إدوارد فان أركل ويان هندريك دي بوير، الكيميائيين الهولنديين، الزركونيوم النقي في عام 1925 عن طريق تسخين رباعي كلوريد الزركونيوم (ZrCl4) مع المغنيسيوم، هذا وفقًا للجمعية الملكية للكيمياء، وبفضل هذه الطريقة أُنتج شريط كريستال الزركونيوم النقي، وفقًا لموقع كيميكول.
هل تعلم؟


أحيانًا يحدث الخلط بين الزركون وأكسيد الزركونيوم البلوري؛ وهو محاكاة اصطناعيّة للماس وغير مكلفة،

ومع ذلك وفقًا لمصادر Minerals.net فإن المادتين منفصلتان تمامًا، وليست لهما علاقة ببعض؛ فيما عدا احتوائهما على عنصر الزركونيوم في الهيكل الكيميائي.

وفقًا لـ :Lenntech يُنتج ما يقرب من 7000 طن من معدن الزركونيوم سنويّا.

يتحد الزركونيوم مع السيليكات لينتج حجر الزركون الطبيعي الشبه نفيس، وفقًا لموقع كيميكول.

يتحد الزركونيوم مع ثنائي أكسيد الكربون لينتج الزركونيا البلورية، والتي تستخدم بديلًا معتادًا للماس.

لعنصر الزّركونيوم سُمّية منخفضة للغاية، إذ يقدر ما يتناوله البشر بحوالي 50 ميكروغرام يوميّا، ومعظمها يمر عبر الجهاز الهضمي دون أن يُمتص.

يمثل الزركونيوم حوالي 0.000001% (واحد من المليون بالمئة) من تكوين جسم الإنسان، بحسب Minerals Education Coalition.

قد يكون استخدام زركونيوم الليثيوم مفيدًا في امتصاص غاز ثاني أكسيد الكربون الزائد في الغلاف الجوي وفقًا لكيميكول.

يعود تاريخ الصخور المحتوية على الزركون والتي اكتشفت في أستراليا عام 2000 إلى 4.4 مليار سنة، وقد تبين من نسبة نظائر الأكسجين (O16 / O18) أن الحياة قد بدأت على الأرض قبل 500 مليون سنة تقريبًا قبل ما كان يُعتقد سابقًا، وفقًا لمقالٍ كتبه العالم جون إيمسلي؛ نُشر في مجلة نيتشر عام 2014.

يمكن لبودرة الزركونيوم أن تشتعل تلقائيًّا في الهواء؛ وفقا لموقع كيميكول، وبسبب هذه الخاصية، يستخدم الزركونيوم المجفف في بعض الأحيان في الأجهزة المتفجرة، وهذا وفقًا لإيمسلي.

وفقا لمراكز السيطرة على الأمراض والوقاية منها، يمكن أن يسبب مسحوق الزركونيوم تهيجًا للعين عند التعرض له على المدى القصير؛ ويمكن أيضًا أن يسبب ضررًا للرئتين بعد التعرض له على المدى الطويل أو بصورة متكررة.
البحوث الجارية


بسبب قدرته العالية على مقاومة التآكل وقوته الهائلة، يتواجد الزركونيوم في العديد من المركبات في مختلف الاستخدامات الطبية.

بدأ استخدام مركبات الزركونيوم في الطب عام 1969 عندما اُستخدم لتصنيع الأطراف الصناعية الوركية، تطوير الأطراف الصناعية من مركبات الزركونيوم كان بديلًا للتيتانيوم والصلب والألومنيوم، وقد ثبت أنها أكثر مرونة وتوافقية حيوية biocompatibility-؛ لم يُظهر ما يقرب من 300.000 مريض على مدى العقود الأربعة الماضية مع الأطراف الاصطناعية من الزركونيوم أية ردود سلبية.

كما يستخدم الزركونيا على نطاق واسع في ترميم الأسنان، هذا وفقًا لشركة زركونيا كونسبت، وعادة ما يستقر مع مركب اليتريا(ZrO2Y2O3) ؛ إذ يتمتع مركب (اليتريا- زركونيا) بالعديد من الفوائد؛ وهذا مقارنةً مع المواد الأخرى، إنه أكثر توافقًا مع جسم الإنسان، ولديه ضعف قوة الانثناء وأربعة أضعاف مقاومة الانضغاط بالنسبة للفولاذ، كما أن لديه مقاومة أكبر لقواعد الأحماض الموجودة في العديد من الأطعمة.

هناك أفكار جديدة أخرى لاستخدام سبائك الزركونيوم في المجال الطبي تشمل براءة الاختراع التي قُدمت عام 1999 من قِبل المخترعين الأمريكيين جيمس دافيدسون ولي تيونبرج؛ لقد أنتجا سبيكة تحتوي على النيوبيوم، والتيتانيوم، والزركونيوم والموليبدينوم (NbTiZrMo) كي تستخدم في أجهزة طب الأسنان وغيره من المجالات الطبية، إذ يمنح الزركونيوم الموجود في السبائك خصائص ميكانيكية أعلى؛ ويقلل من درجة حرارة الانصهار (مع التيتانيوم) ويزيد من استقرار السبيكة، ويحسن مقاومة التآكل.

قدم العلماء اليابانيون (Shuichi Miyazaki, Heeyoung Kim, Yosuke Sato) براءة اختراع أخرى في عام 2012؛ أنتج العلماء سبيكة الزركونيوم بخصائص مرنة فائقة يمكن استخدامها في المجالات البيولوجية والطبية؛ إذ قاموا بخلط الزركونيوم مع عناصر التيتانيوم والنيوبيوم مع القصدير أو الألومنيوم أو كليهما؛ وتشبه العظام البشرية في المُرونة، وذلك وفقا للقيم والمعايير التي قدمتها معامل يونغ، مما يجعلها مادة مثالية للاستخدامات داخل جسم الإنسان بما في ذلك العظام والمفاصل، والأسنان الاصطناعية والأسلاك التقويمية، والدعامات، ولوحات العظام، والزراعات الطبية الأخرى.

على الرغم من كون الزركونيوم وعناصر أخرى في السبائك لاستخدامات الطب وطب الأسنان هي عناصر غير سامة، إلا أنه لا تزال هناك دراسات مستمرة للتأكد من أن تلك المواد ليست لها آثار جانبية سلبية على المدى الطويل، وقد كشفت إحدى الدراسات التي أجرتها مجموعة علماء في إيطاليا – نُشرت في دورية PLOS One عام 2016- على مجموعة من المشاركين ذوي البدانة أنه قد يكون هناك ارتباط بين غرسات الزركونيوم وبعض المشاكل الصحية، مثل الالتهابات والاضطرابات النسيجية الضامة والهيكلية، كانت كمية التغير في بعض العلامات البيولوجية (miRNAs) صغيرة جدًا؛ ويُعتقد أنها تتراكم بمرور الوقت، مما يجعل من الصعب تحديد السبب بدقة، في حين أن هناك حاجة إلى مزيد من البحوث، فإن الدراسة قد ساعدت في فهم العلاقة بين جسم الإنسان والأجهزة الطبية المزروعة، والهدف من هذا، وفقًا للمؤلفين؛ هو الاستفادة من الأحماض النووية الريبية الدقيقة (miRNAs) للمساعدة في التئام الجروح واندماج الغرسات مع الأنسجة المضيفة host-implant integration-.