Chemisches Zirkoniumelement

Zirkonium (Zr), chemisches Element, Metall der Gruppe 4 (IVb) des Periodensystems, das als Strukturmaterial für Kernreaktoren verwendet wird.

Elementeigenschaften

Ordnungszahl	40
atomares Gewicht	91,22
Schmelzpunkt	1.852 ° C (3.366 ° F)
Siedepunkt	3,578 ° C (6,472 ° F)
spezifisches Gewicht	6,49 bei 20 ° C (68 ° F)
Oxidationszustand	+4
Elektronenkonfiguration	[Kr] 4d 2 5s 2

Eigenschaften, Vorkommen und Verwendung

Zirkonium, das vor den späten 1940er Jahren dunkel war, wurde zu einem bedeutenden technischen Material für Kernenergieanwendungen, da es für Neutronen hochtransparent ist. Das Element wurde vom deutschen Chemiker Martin Heinrich Klaproth in Zirkon ZrSiO ₄ (Zirkoniumorthosilicat) aus seinem Oxid identifiziert (1789) und vom schwedischen Chemiker Jöns Jacob Berzelius in unreiner Form isoliert (1824). Das unreine Metall ist, selbst wenn es zu 99 Prozent rein ist, hart und spröde. Das weiße, weiche, formbare und duktile Metall höherer Reinheit wurde erstmals von den niederländischen Chemikern Anton E. van Arkel und JH de Boer durch thermische Zersetzung von Zirkoniumtetraiodid, ZrI _4, in großen Mengen (1925) hergestellt. In den frühen 1940er Jahren entwickelte William Justin Kroll aus Luxemburg sein billigeres Verfahren zur Herstellung des Metalls auf der Basis der Reduktion von Zirkoniumtetrachlorid, ZrCl ₄, durch Magnesium. Zu Beginn des 21. Jahrhunderts gehörten Australien, Südafrika, China und Indonesien zu den führenden Zirkoniumherstellern. Mosambik, Indien und Sri Lanka waren weitere Produzenten.

Zirkonium kommt in der Erdkruste relativ häufig vor, jedoch nicht in konzentrierten Ablagerungen, und wird charakteristischerweise in Sternen vom Typ S beobachtet. Das Mineral Zirkon, das im Allgemeinen in Schwemmlandvorkommen in Flussbetten, Meeresstränden oder alten Seeböden vorkommt, ist die einzige kommerzielle Zirkonquelle. Baddeleyit, das im Wesentlichen reines Zirkoniumdioxid, ZrO ₂, ist das einzige andere wichtige Zirkoniummineral, aber das kommerzielle Produkt wird billiger aus Zirkon gewonnen. Zirkonium wird nach dem gleichen Verfahren hergestellt wie Titan. Diese Zirkoniummineralien haben im Allgemeinen einen Hafniumgehalt, der von einigen Zehnteln von 1 Prozent bis zu mehreren Prozent variiert. Für einige Zwecke ist die Trennung der beiden Elemente nicht wichtig: Zirkonium, das etwa 1 Prozent Hafnium enthält, ist genauso akzeptabel wie reines Zirkonium.

Die wichtigste Verwendung von Zirkonium ist in Kernreaktoren zum Plattieren von Brennstäben, zum Legieren mit Uran und für Reaktor-Kern-Strukturen aufgrund seiner einzigartigen Kombination von Eigenschaften. Zirkonium hat bei erhöhten Temperaturen eine gute Festigkeit, widersteht Korrosion durch die schnell zirkulierenden Kühlmittel, bildet keine hochradioaktiven Isotope und widersteht mechanischen Schäden durch Neutronenbeschuss. Hafnium, das in allen Zirkoniumerzen enthalten ist, muss sorgfältig aus dem Metall entfernt werden, das für Reaktoranwendungen vorgesehen ist, da Hafnium thermische Neutronen stark absorbiert.

Die Trennung von Hafnium und Zirkonium wird im Allgemeinen durch ein Flüssig-Flüssig-Gegenstromextraktionsverfahren erreicht. Bei dem Verfahren wird rohes Zirkoniumtetrachlorid in einer wässrigen Lösung von Ammoniumthiocyanat gelöst und Methylisobutylketon wird im Gegenstrom zu dem wässrigen Gemisch geleitet, so dass das Hafniumtetrachlorid bevorzugt extrahiert wird.

Die Atomradien von Zirkonium und Hafnium betragen 1,45 bzw. 1,44 Å, während die Radien der Ionen Zr ⁴⁺, 0,74 Å und Hf ⁴⁺, 0,75 Å betragen. Die virtuelle Identität der Atom- und Ionengrößen, die sich aus der Lanthanoidkontraktion ergibt, bewirkt, dass das chemische Verhalten dieser beiden Elemente ähnlicher ist als bei jedem anderen bekannten Elementpaar. Obwohl die Chemie von Hafnium weniger untersucht wurde als die von Zirkonium, sind beide so ähnlich, dass in Fällen, die nicht tatsächlich untersucht wurden, nur sehr geringe quantitative Unterschiede zu erwarten sind - beispielsweise bei den Löslichkeiten und Flüchtigkeiten von Verbindungen.

Zirkonium absorbiert Sauerstoff, Stickstoff und Wasserstoff in erstaunlichen Mengen. Bei etwa 800 ° C (1.500 ° F) verbindet es sich chemisch mit Sauerstoff, um das Oxid ZrO _{2 zu ergeben}. Zirkonium reduziert feuerfeste Tiegelmaterialien wie die Oxide von Magnesium, Beryllium und Thorium. Diese starke Affinität zu Sauerstoff und anderen Gasen erklärt seine Verwendung als Getter zur Entfernung von Restgasen in Elektronenröhren. Bei normalen Lufttemperaturen ist Zirkonium aufgrund der Bildung eines Schutzfilms aus Oxid oder Nitrid passiv. Auch ohne diesen Film ist das Metall beständig gegen die Einwirkung schwacher Säuren und saurer Salze. Es wird am besten in Flusssäure gelöst, wobei bei diesem Verfahren die Bildung anionischer Fluorkomplexe für die Stabilisierung der Lösung wichtig ist. Bei normalen Temperaturen ist es nicht besonders reaktiv, wird jedoch bei erhöhten Temperaturen mit einer Vielzahl von Nichtmetallen ziemlich reaktiv. Aufgrund seiner hohen Korrosionsbeständigkeit hat Zirkonium eine weit verbreitete Verwendung bei der Herstellung von Pumpen, Ventilen und Wärmetauschern gefunden. Zirkonium wird auch als Legierungsmittel bei der Herstellung einiger Magnesiumlegierungen und als Additiv bei der Herstellung bestimmter Stähle verwendet.

Natürliches Zirkonium ist eine Mischung aus fünf stabilen Isotopen: Zirkonium-90 (51,46 Prozent), Zirkonium-91 (11,23 Prozent), Zirkonium-92 (17,11 Prozent), Zirkonium-94 (17,40 Prozent), Zirkonium-96 (2,80 Prozent). Es gibt zwei Allotrope: Unter 862 ° C (1.584 ° F) eine hexagonale dicht gepackte Struktur, oberhalb dieser Temperatur eine körperzentrierte Kubik.