Zirkonia

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
Registrační číslo CAS	1314-23-4
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
	Není-li uvedeno jinak, jsou použity; jednotky SI a STP (25 °C, 100 kPa). Některá data mohou pocházet z datové položky.

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

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:

ZrSiO_4(s) + 4 C_(s) → SiO_(s) + ZrC_(s) + 3 CO_(s)

ZrC_(s) + 2 O_2(g) → ZrO_2(s) + CO_2(s)

Využití

Keramika

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.

Z oxidu zirkoničitého se vyrábějí čepele keramických nožů.

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

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).