Aktiv | Schule
Zirkonium – Superschutz
Zirkonium, ist ein chemisches Element mit dem Elementsymbol Zr und der Ordnungszahl 40. Im Periodensystem steht es in der 5. Periode, es ist das zweite Element der Titangruppe.
Eigenschaften: Zirkonium ist ein silbrig-glänzendes Schwermetall, es ähnelt äußerlich Stahl. Zirconium ist relativ weich und biegsam. Es lässt sich gut walzen, schmieden und hämmern. Durch geringe Verunreinigungen von Wasserstoff, Kohlenstoff oder Stickstoff im Metall wird es spröde und schwer zu verarbeiten. Die elektrische Leitfähigkeit ist nicht so gut wie die anderer Metalle. Im Gegensatz dazu ist das Element ein guter Wärmeleiter. Eine wichtige Eigenschaft, wegen der Zirkonium eine große Bedeutung im Reaktorbau erlangt hat, ist sein geringer Einfangquerschnitt für Neutronen. Zirkonium ist ein unedles Metall, das in der Hitze mit vielen Nichtmetallen reagiert. Vor allem als Pulver verbrennt es mit weißer Flamme zu Zirkoniumdioxid, bei Anwesenheit von Stickstoff auch zu Zirkoniumnitrid und Zirkoniumoxinitrid. Kompaktes Metall reagiert erst bei Weißglut mit Sauerstoff und Stickstoff. Bei erhöhtem Druck reagiert Zirkonium auch bei Raumtemperatur mit Sauerstoff, da das gebildete Zirconiumoxid im geschmolzenen Metall löslich ist. Zirkonium ist an der Luft durch eine dünne, sehr dichte Zirkoniumoxidschicht passiviert und deshalb reaktionsträge. Es ist darum in fast allen Säuren unlöslich.
Geschichte: Das wichtige zirkoniumhaltige Mineral Zirkon ist als Schmuckstein bereits seit der Antike bekannt. Zirconium als Element wurde 1789 von Martin Heinrich Klaproth in einer aus Ceylon stammenden Probe des Minerals Zirkon entdeckt und danach benannt. Die erste Herstellung des Elements wird Jöns Jakob Berzelius zugeschrieben: Er erhielt es 1824 durch Reduktion aus „flusssaurem Zirkon-Kali“ mit Kalium in einer Eisenröhre. Beim Abkühlen mit Wasser erhielt er das Zirconium in unreiner Pulverform. In der Folgezeit versuchten verschiedene Chemiker reineres und vor allem kompaktes Zirkonium herzustellen. 1925 entwickelten die niederländischen Chemiker Anton Eduard van Arkel und Jan Hendrik de Boer ein Verfahren zur Reindarstellung von Titan, Zirkonium und Hafnium, welches auf thermischer Zersetzung der flüchtigen Iodide an einem glühenden Draht beruht. Erst dadurch und durch die zuvor gelungene Abtrennung des 1922 entdeckten Hafniums, konnte reines Zirkonium gewonnen werden.
Vorkommen: Zirkonium kommt in der Erdkruste mit einem Gehalt von cirka 0,016 Prozent vor. In der nach Häufigkeit geordneten Liste der Elemente steht Zirkonium an 18. Stelle und ist häufiger als Chlor und Kupfer. Das Element findet sich meist nur in sehr geringen Mengen und in sehr kleinen Kristallen (typischerweise um 0,1 mm). Darum wurde Zirkonium in früherer Zeit als selten angesehen. Zirkonium wird vor allem in silikatischen Intrusivgesteinen wie Granit gefunden. Es kommt nicht gediegen, sondern nur in wenigen Mineralen, vor allem als Zirkon und Baddeleyit sowie dem selteneren roten Eudialyt gebunden vor. Es ist fast immer mit Hafnium vergesellschaftet, meist im typischen Verhältnis von 36:1.
Die wichtigsten Zirkonium-Lagerstätten liegen in Australien, den USA und Brasilien. Bei abbauwürdigen Reserven von 70 Millionen Tonnen lag die Weltjahresförderung von Zirkoniummineralen 2020 bei 1,2 Millionen Tonnen Bruttogewicht. Die Preise für Zirkon lagen 2012 bei 2.650 US-Dollar je Tonne und 2013 bei 1.050 US-Dollar je Tonne. Zirkonium steht in den USA auf der Liste kritischer Rohstoffe mit hohem Versorgungsrisiko, in der EU nicht.
Verwendung: Eine wichtige Verwendung für Zirkonium sind die aus Zirkalloy hergestellten Hüllen der Uran-Brennelemente in Kernkraftwerken. Der Grund dafür ist, dass das Element eine geringe Neutronenabsorption aufweist.
Die Korrosionsbeständigkeit des Elements führt zur Verwendung als Baumaterial für chemische Anlagen, vor allem für Ventile, Pumpen, Rohre und Wärmeaustauscher. Als Legierungszusatz zu Stahl erhöht es ebenfalls die Korrosionsbeständigkeit. Daraus werden unter anderem chirurgische Instrumente hergestellt.
Zirkonium wird als Haftvermittler in Lacken eingesetzt und erhöht die Widerstandsfähigkeit gegen äußere Einflüsse. Zudem hilft es, die UV-Beständigkeit zu erhöhen. Zirkoniumverbindungen können auch die Trockenzeit von Lacken optimieren und die Oberflächenhärte erhöhen, was zu einer besseren Abriebfestigkeit führt.
Da Zirkonium mit geringen Mengen Sauerstoff und Stickstoff reagiert, kann es als reaktives Material in Glühlampen und Vakuumanlagen zur Aufrechterhaltung des Vakuums genutzt werden. Diese Eigenschaft wird auch in der Metallurgie ausgenutzt, um Sauerstoff, Stickstoff und Schwefel aus Stahl zu entfernen.
Übrigens: Wegen seiner Eigenschaft, beim Verbrennen sehr helles Licht auszusenden, wurde es anfänglich in der Fotografie anfänglich als Blitzlichtpulver verwendet. Im Gegensatz zu Magnesium hat Zirkonium den Vorteil, rauchfrei zu sein. Diese Eigenschaft wird auch in Feuerwerkskörpern und Signallichtern ausgenutzt.
Mehr über Zirkonium im Videoclip.
Autor: Fabian Stetzler