رباعي كلوريد الزركونيوم ZrCl4

في الكيمياء إن مركب رباعي كلوريد الزركونيوم (كلوريد الزركونيوم (IV))، هو عبارة عن مركب كيميائي غير عضوي مع الصيغة الجزيئية الآتية: (ZrCl4)، يتواجد على شكل مادة صلبة بيضاء اللون، وهي عالية الذوبان تتحلل بسرعة في الهواء الرطب، ويعتبر كاشف رئيسي في كيمياء الزركونيوم.

رباعي كلوريد الزركونيوم

• رباعي كلوريد الزركونيوم عبارة عن كيان تنسيق من الزركونيوم يتكون من أربع ذرات كلور مرتبطة بذرة زركونيوم مركزية، وهو عبارة عن كلوريد غير عضوي، يتواجد على شكل بلورات بيضاء لامعة، تتسامى فوق 300 درجة مئوية، وهو قابل للذوبان في الكحول، ويتحلل في الماء.

• إن رباعي كلوريد الزركونيوم عبارة عن مادة صلبة بلورية بيضاء، يستخدم كمصدر للزركونيوم النقي، كعامل دباغة، وفي الكيمياء التحليلية وفي معالجة المنسوجات، يتحلل رابع كلوريد الزركونيوم بواسطة الماء، وهو مادة أكالة للمعادن في وجود الرطوبة والأنسجة.

• على عكس رباعي كلوريد التيتانيوم (TiCl4)، يتبنى رباعي كلوريد الزركونيوم (ZrCl4) بنية بوليمرية حيث يكون كل ذرة زركونيوم (Zr) منسق ثماني السطوح، علما أن الاختلاف في الهياكل البوليمرية مقابل الجزيئية مسؤول عن الاختلاف اللافت في خصائصهما.

• إذ أن أحدهما قابل للتقطير، والآخر مادة صلبة عالية الانصهار، في الحالة الصلبة يتبنى رباعي كلوريد الزركونيوم بنية بوليمرية خطية تشبه الشريط، نفس الهيكل المعتمد بواسطة (HfCl4)، ويتحلل هذا البوليمر بسهولة عند معالجته بقواعد لويس، التي تفكك روابط (Zr-Cl-Zr).

• إن رباعي كلوريد الزركونيوم عبارة عن وسيط في تحويل معادن الزركونيوم إلى زركونيوم معدني بواسطة عملية كرول، في الطبيعة توجد معادن الزركونيوم بشكل ثابت كأكاسيد، ومن أجل أن يتم تحويلها إلى معدن سائب، فإنه يتم أولاً تحويل هذه الأكاسيد المقاومة للصهر إلى رباعي كلوريد الزركونيوم.

• ومن الممكن أن يتم تقطير رباعي كلوريد الزركونيوم عند درجات حرارة عالية، إذ يستلزم هذا التحويل أن يتم معالجة الأكسيد باستخدام الكربون على أنه “جامع” الأكسيد والكلور، تبعا للتفاعل الكيميائي التالي:

ZrO2 + 2C + 2Cl2 → ZrCl4 + 2CO

• إن مركب رباعي كلوريد الزركونيوم هو عبارة عن مركب البداية الرئيسي من أجل عملية تخليق العديد من المركبات العضوية المعدنية من الزركونيوم، وبسبب تركيبته البوليمرية فإنه في العادة يتم تحويله إلى مركب جزيئي قبل الاستخدام، وهو يشكل مركبًا بنسبة 1: 2 مع رباعي هيدرو الفوران.

خصائص رباعي كلوريد الزركونيوم

الخواص الكيميائية لرباعي كلوريد الزركونيوم

• يشكل رباعي كلوريد الزركونيوم بلورات بيضاء لامعة أحادية الميل تذوب عند درجة حرارة مقدارها 437 درجة مئوي، وهو مسحوق أكال استرطابي، قابل للذوبان في كلا من الماء البارد والكحول، بالإضافة إلى الأثير وحمض الهيدروكلوريك المركز، كما ويتفاعل بقوة مع الماء مكونًا كلا من كلوريد الهيدروجين وأكسيد كلوريد الزركونيوم.

• عندما يكون رابع كلوريد الزركونيوم رطبًا فإنه يتفاعل مع المواد الشائعة من أجل تكوين حمض الهيدروكلوريك الذي يتسبب في تآكل العديد من المعادن، ومن خلال عملية التحلل المائي إلى حمض الهيدروكلوريك فإنه يمكن أن يؤدي رابع كلوريد الزركونيوم إلى حدوث تهيج للجهاز التنفسي والأسطح السطحية الأخرى للجسم عند التعرض له.

الخصائص الفيزيائية لرباعي كلوريد الزركونيوم

• رباعي كلوريد الزركونيوم بلورات أحادية الميل بيضاء، تمتلك كثافة 2.80 جم لكل سم مكعب عند 25 درجة مئوية، يتسامى عند 331 درجة مئوية (نقطة الغليان)، نقطة الانصهار 437 درجة مئوية، ضغط البخار 1 تور عند 190 درجة مئوية، درجة الحرارة الحرجة 504.85 درجة مئوية.

• يمتلك رباعي كلوريد الزركونيوم الضغط الحرج 56.95 وحدة ضغط جوية، الحجم الحرج 319 سم مكعب لكل مول، وله وزن جزيئي مقداره 233.04 غرام لكل مول، يتحلل بالماء، وهو قابل للذوبان في الكحول والأثير وحمض الهيدروكلوريك المركز، يحفظ في درجة حرارة أقل من 30 درجة مئوية.

تحضير رباعي كلوريد الزركونيوم

• يتم الحصول على مركب رباعي كلوريد الزركونيوم على صورة وسيط في استعادة معدن الزركونيوم من الزركون والمعادن الأخرى، ويتم الحصول على رابع كلوريد من خلال تسخين خليط من هيدروكسيد الزركونيوم بغاز الكلور، أيضًا يمكن صنع رباعي كلوريد الزركونيوم عن طريق تفاعل هيدروكسيد الزركونيوم مع حمض الهيدروكلوريك، تبعا للتفاعل التالي:

Zr(OH)4 + 4HCl → ZrCl4 + 4H2O

• ينتج رباعي كلوريد الزركونيوم عن طريق عملية الكلورة الكربونية للزركون أو الزركونيا أو من خلال تفاعل معدن الزركونيوم مع الكلور أو كلوريد الهيدروجين، وتعتبر الهيدروكربونات المكلورة خاصةً رباعي كلوريد الكربون أو الكلوروفورم أو سداسي كلورو الإيثان عوامل مكلورة مفيدة في المختبر.

• ومن الممكن أن يتم تكوين رابع كلوريد الزركونيوم عن طريق تفاعل فيروزركونيوم أو سيليزركونيوم مع كلوريد الحديد (II) عند درجة حرارة مرتفعة.

استخدامات رباعي كلوريد الزركونيوم

• يستخدم رباعي كلوريد الزركونيوم من أجل تشكيل طلاءات نيتريد الزركونيوم، وللتفاعل الكهروكيميائي من أجل تكوين الزركونيا في خلايا الوقود عالية الحرارة (لصنع خلايا وقود عالية الحرارة) وللتفاعل مع الكحوليات لتكوين ألكوكسيدات، كما ويستخدم لإنتاج مركبات الزركونيوم العضوية المعدنية.

• يتم اختزال رابع كلوريد الزركونيوم بواسطة معادن الأرض القلوية والقلوية المنصهرة، مما ينتج عنه معدن الزركونيوم، ويتم استخدام رباعي كلوريد الزركونيوم في المواد الحفازة والكواشف وفي صناعة المنسوجات المقاومة للماء والجلود ومركبات الزركونيوم الأخرى.

• يستخدم رباعي كلوريد الزركونيوم ككاشف كيميائي، ومركبات الزركونيوم الفلزية العضوية، ويستخدم من أجل دباغة الجلود ومعالجتها وفي المنسوجات (الطباعة والصباغة والتشطيب)، رباعي كلوريد الزركونيوم هو محفز حمض لويس، الذي يتمتع بسمية منخفضة، وهو مادة مقاومة للرطوبة يتم استخدامها كمحفز في التحولات العضوية.

• من الممكن أن يتم استخدام رباعي كلوريد الزركونيوم كمحفز لمجموعة متنوعة من التركيبات العضوية مثل تفاعل فريدل كرافتس (Friedel-Crafts) وتفاعل التكثيف وتفاعلات الاختزال الأخرى، ومحفز فريدل كرافتس مكون من محفزات من نوع زيجلر في تكثيف الإيثيلين.

• بداية المادة في تركيب عدد من المشتقات العضوية للزركونيوم مثل الألكوكسيدات والزركوسين، كما وقد ثبت أن الألكوكسيدات ذات قيمة في معالجة أغشية السيليكون البلاستيكية، ويُقال إن كربوكسيلات ألكوكسيركونيوم مفيدة في معالجة المنسوجات والمواد الليفية الأخرى بمقاومة الماء.

• يشيع استخدام رباعي كلوريد الزركونيوم كمحفز لحمض لويس في العديد من تفاعلات التخليق العضوي، وهو يعتبر مصدر مهم للمجمعات المعدنية العضوية من الزركونيوم، حيث يدخل في العديد من المجالات مثل الصناعة النووية وصناعة المعادن، والتصوير، والزجاج، وفي صناعة السيراميك.

• أما بالنسبة لتطبيقات رباعي كلوريد الزركونيوم في كيمياء الزركونيوم العضوي، فهي كالتالي: أولا أنه يقوم بتنشيط البيروليدينات من أجل تحسين التحويل عن طريق تفاعل (Bouveault) المعدل إلى (α ، α-dimethylamines)، وثانيا فإنه يستخدم رباعي كلوريد الزركونيوم كمحفز فعال في تفاعل التكثيف (Pechmann) للفينولات مع (‐ keto esters)، مما يؤدي إلى تكوين مشتقات الكومارين في عوائد جيدة تحت ظروف خالية من المذيبات.