Энциклопедия Брокгауза и Ефрона - цирконий и торий

Цирконий (Zirconium, нем. Zircon; Zr = 90,7 при О = 16) и торий (Thorium нем. Thor; Th = 232,5) принадлежат к числу довольно редких металлических элементов. По своей химической натуре они аналогичны с титаном (см.). Ц. есть четвертый член второго большого периода системы элементов, начинающегося с рубидия, а торий занимает соответствующее место в последнем большом периоде, щелочной металл которого еще не открыт. Ц. и торий так же расположены в IV-й группе периодической системы, как молибден и уран в VI-й; промежуточному между Mo и U вольфраму отвечает в IV-й группе церий (см. Церитовые металлы). Подобно титану, Ц. и торий с кислородом дают двуокиси, ZrO2 и ThO2. Но окисей типа R2O3 они не дают, что отличает эти металлы от титана и церия. Но и двуокиси, благодаря высокому атомному весу Ц. и тория, обладают основным характером, особенно ThO2; ZrO2 менее основной окисел, так как дает со щелочами разлагаемые водой цирконаты [Кристаллическая масса цирконата натрия, Na4ZrO4, получается при сплавлении ZrO2 с содой; продукт разлагается водой вполне. Нагревание весьма сильное, добела, с избытком соды приводит к ортоцирконату Na4ZrO4, который при обработке водой превращается в шестиугольной формы таблицы состава Na2O.8ZrO2 12H2O.]. Главнейшие минералы, в виде которых встречается Ц. и торий в природе, представляют их ортосиликаты, именно гиацинт и циркон (см.), ZrSiO4, и оранжит и торит (см.), ThSiO4 — минералы, изоморфные между собою, а также с рутилом (см.) и оловянным камнем (см.), TiO2 и SnO2. В более или менее значительных количествах встречается торий нередко и в монацитах (см.), каков, напр., монацит из Ильменских гор — фосфат тория, церия и лантана (с небольшим содержанием олова, марганца и кальция):

----------------------------------------------------------

| Р2O5   | 28,50%  |

| ThO2  | 17,95  |

| SnO2  | 2,10 |

| Се2O3  | 26,00  |

| La2O3  | 23,40  |

| MnO | 1,86 |

| CaO | 1,68 |

| Сумма | 101,49% |

----------------------------------------------------------

Ц. открыт Клапротом (1789). Чтобы приготовить ZrO2, разлагают ZrSiO4 путем прокаливания с кислым фтористым калием, HKF2, или с таковым же сульфатом его, HKSO4. В первом случае получается растворимый фтороцирконат калия K2ZrF4; его разлагают при нагревании серной кислотой и из раствора сульфата Ц. осаждают аммиаком гидрат двуокиси, Zr(OH)4, в виде белого объемистого осадка. Во втором случае продукт прокаливания сплавляют в серебряном тигле с едким натром и сплав извлекают водой; в остатке получается ZrO2, содержащая едкий натр; ее растворяют в горячей крепкой серной кислоте, раствор фильтруют и, по разбавлении, осаждают аммиаком. Zr(OH)4 несколько растворим в воде, сообщает ей способность окрашивать куркумовую бумажку в бурый цвет и при нагревании легко разлагается, превращаясь в безводную двуокись — с самораскаливанием. ZrO2 представляет белый, очень твердый порошок или кусочки с перламутровым блеском; в кристаллическом состоянии получается по сплавлении с бурой — изоморфна с рутилом, уд. вес 5,71. Как вещество трудноплавкое, ZrO2 идет на выделку "штифтов" для Друммондова света вместо окиси магния; такие штифты светят ярче (Zirconlicht) обычных; приготовление их сводится к прессованию смоченной раствором борной кислоты ZrO2 и прокаливанию после сушки. Соли Ц. принадлежат все к ряду двуокиси. Фтористый Ц., ZrF4, получается при нагревании ZrO2 с фтористым аммонием; легко растворим в воде, подкисленной плавиковой кислотой, и кристаллизуется из такого раствора в виде блестящих табличек состава ZrF4.3Н2O. Кроме упомянутой уже двойной соли K2ZrF6, получены, при избытке KF или NaF, и более сложный K3ZrF7, Na2ZrF10; все они хорошо растворимы в горячей воде и способны кристаллизоваться; известны и аммониевые двойные соли. При действии хлора или хлористого водорода на нагретый металлический Ц., или при нагревании в струе хлора смеси ZrO2 с углем, возникает хлористый Ц., ZrCl4, который кристалличен, летуч при 440° и обладает отвечающею формуле плотностью пара (Дерилль и Троост). Из раствора в крепкой соляной кислоте ZrCl4 может быть перекристаллизован, но при растворении в воде или разбавленной соляной кислоте подвергается гидролизу; из раствора может быть выкристаллизована затем хлорокись Ц., ZrCl2O.8H2O. Сульфат Ц., Zr(SO4)2, получается при растворении ZrO2 или Zr(OH)4 серной кислоте; по испарении раствора остаток осторожно прокаливают для удаления избытка серной кислоты, так как при красном калении уже происходит превращение в чистую ZrO2. Белая масса сульфата медленно растворяется в холодной воде и быстро — в горячей. Из кислых растворов сульфат может быть выкристаллизован в виде гидрата; средние растворы способны растворять ZrO2, причем образуется основной сульфат Ц. OZrSO4. Нитрат Ц., Zr(NO3)4 получен в виде желтой камедеобразной массы при испарении раствора ZrO2 в азотной кислоте. Если к раствору сульфата прибавить перекиси водорода и затем аммиака, то осаждается (Клеве) перекись Ц., OZrO2 в виде белого осадка; из нейтрального или слабокислого раствора выделяется перекись иного состава — Zr2O5.9H2O (Bailey). При нагревании ZrO2 с углем в электрической печи получены карбиды Ц. (Муассан) ZrC и ZrC2, не разлагаемые водой, даже горячей. Металлический Ц. — серый, очень тонкий, аморфный порошок — получается (Берцелиус) действием калия на K2ZrF6 при высокой температуре. Нагревая ту же соль при температуре плавления железа с алюминием, получают (Троост) кристаллический Ц. в виде широких пластинок с цветом сурьмы; удельный вес 4,15; теплоемкость 0,0666. Более чистый металл лучше всего готовить в электрической печи (Муассан, Троост, 1893), прокаливая ZrO2 с недостаточным количеством угля, чтобы избежать образования карбидов, или подвергая нагреванию смесь карбида с ZrO2; в первом случае продукт содержит некоторое количество кислорода. а во втором — угля; металл получается в форме комочков, способных чертить стекло и рубин; удельный вес 4,25. Ц. плавится труднее кремния и очень мало изменяется на воздухе, даже при нагревании; в водородо-кислородном пламени, однако, горит. Растворяется в расплавленном едком кали при выделении водорода, а из кислот — быстро реагирует с плавиковой кислотой (отличие от кремния) и с царской водкой. Аморфный Ц. легко горит на воздухе. Атомный вес Ц. определен из данных анализа K2ZrF6 (Marignac, 1860) и путем взвешивания ZrO2 из определенного веса сульфата (Bailey, 1890); найдено 90,75 и 90,67; в среднем 90,7.

Существование тория было установлено Берцелиусом (1828), который выделил двуокись тория из торита с острова Lövön в Норвегии; впервые получил самый металл (как и металлический Ц.) и назвал его в честь бога грома из скандинавской мифологии. Соединения тория, как по форме, так и по отношениям, подобны соединениям Ц.; только ThO2 есть более сильное основание, чем ZrO2. Фтористый торий, ThF4 получается при действии плавиковой кислоты на Th(OH)4 в виде тяжелого белого порошка — по выпаривании раствора; как нерастворимый в воде, он может быть получен и из растворов солей тория действием, например, фтористого аммония — осаждается студенистый гидрат ThF4.4Н2O. Фтороторат калия, тяжелый порошок — K2ThF6.4Н2O —образуется при кипячении крепкого раствора HKF2 с Th(OH)4; из раствора хлористого тория KF осаждает другую двойную соль — K2Th2F10.Н2O. Растворимый хлористый торий, ThCl4, может быть получен при нагревании в атмосфере хлора смеси ThO2 с углем; довольно трудно возгоняется выше чем при 440° в виде белых, блестящих, таблиц и при 1057 — 1102° обладает (Nilson и Pettersson) отвечающей формуле плотностью пара; на воздухе расплывается. При растворении Th(OH)4 в соляной кислоте получается ThCl4 в виде раствора и может быть выделен выпариванием; получается волокнистая кристаллическая масса гидрата, который при дальнейшем нагревании подвергается, до некоторой степени, гидролизу. Сульфат тория, Th(SO4)2, получается при растворении ThO2 в горячей концентрированной серной кислоте; избыток ее удаляют, испаряя при 500°. Сульфат легко растворим в воде при 0° (в 5 весовых частях), но уже при 20° такой раствор мутится, выделяет гидрат, очевидно, более бедный водой, а именно Th(SO4)2.9H2O, чем гидраты, существующие в растворе при 0°; при 43° получается еще менее богатый водой гидрат Th(SO4)2.4H2O — отношения, имеющие место и для церия, и многих других церитовых металлов. Двойная соль К4Th(SO4)4.2H2O легко растворима в воде и не растворима в растворе К2SO4. Нитрат тория — большие таблицы — Th(NOЗ)4.12H2O, легко растворим, расплывается на воздухе. При действии углекислого газа на разболтанный в воде Th(OH)4 получается основной карбонат тория (ThO2)2CO2; из растворов солей тория карбонаты щелочных металлов осаждают карбонат тория, растворимый в избытке реактива; известна двойная соль Na6Th(COЗ)5.12H2O; подобные соединения Ц. менее устойчивы. Карбид тория, ThC2 — кристаллическая масса, приготовленная из ThO2 обычным путем (Муасан, 1896); не поддается действию концентрированных кислот, но легко растворяется в разведенных и разлагается водою, выделяя смесь метана, этилена, ацетилена и водорода (отличие от Ц.). Чтобы получить двуокись тория, ThO2, белый порошок из торита, нагревают измельченный минерал с небольшим избытком слегка разбавленной серной кислоты; продукт измельчают, нагревают при 500° для удаления избытка серной кислоты, остаток обрабатывают холодной (0°) водой и отфильтровывают от кремнезема; фильтрат обрабатывают аммиаком, при нагревании осаждается Th(OH)4, который растворяют в соляной кислоте. Прибавляя щавелевой кислоты, осаждают оксалат тория; прокаливание осадка приводит наконец к ThO2, которая обыкновенно содержит еще окислы церия, иттрия, марганца. Для очищения ThO2 превращают в сульфат и пользуются, многократно, его способностью растворяться при 0° и осаждаться при 20°, о чем только что было упомянуто. В кристаллическом состоянии ThO2 получается сплавлением с бурой; она изоморфна с рутилом и оловянным камнем, удельный вес 12,2. Металлический торий может быть получен при нагревании ThCl4 с натрием или калием (Берцелиус). В чистом виде он был приготовлен (Нильсон, 1882) при прокаливании в железном цилиндре смеси ThCl4 и 2KCl с натрием; это — серый блестящий порошок, состоящий, как можно видеть под микроскопом, из тонких шестисторонних табличек с цветом и блеском серебра или никеля; удельный вес 11,1; теплоемкость 0,02759. При обыкновенной температуре, как и при 100° — 120°, торий постоянен на воздухе, но при более сильном нагревании воспламеняется и горит весьма ярко, превращаясь в снежно-белую двуокись. Торий трудно растворим в соляной кислоте и не реагирует с едкими щелочами; легко растворим в азотной кислой и в царской водке. Минералы, содержащие торий, особенно монацитовые пески из Бразилии, ныне служат материалом для фабричной обработки (способы обработки держатся в секрете), так как ThO2 является главною составною частью сеточек газокалильных ламп (см. Церий). Соединения тория, подобно урановым соединениям, оказались (Шмидт, г-жа Кюри) обладающими свойством радиоактивности (см. Уран). Новейшее определение атомного веса тория (Krüss и Nilson, 1887) из анализов сульфата дало в среднем 232,5. Металлический торий, как и Ц., могут быть получены из своих двуокисей при нагревании с порошком металлического магния и в момент образования способны соединяться с водородом, образуя ZrH2 и ThH2 (см. Водородистые металлы).

С. С. Колотов. Δ.

Энциклопедический словарь Ф.А. Брокгауза и И.А. Ефрона. — С.-Пб.: Брокгауз-Ефрон

1890—1907