| Zirconium 40Zr | ||||||
| engl. zirconium; nach dem Mineral Zirkon | ||||||
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| Physikalisch-chemische Eigenschaften |
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Zirconium (auch Zirkonium) ist ein
grau glänzendes Metall, das gut zu Blechen und Drähten verarbeitet werden kann. Im Vergleich zum Leichtmetall Titan besitzt Zirconium eine höhere Dichte, diese ist aber bei weitem nicht so hoch wie beim Hafnium. Das Element Zirconium hält einen Temperatur-Rekord: Beim
Verbrennen in reinem Sauerstoff
verbrennt Zirconiumpulver mit sehr hellem und weißem Licht zu Zirconium(IV)-oxid. Es entsteht die höchste
für Metallbrände erreichbare Temperatur um 4660 °C:
Zr + O2 
ZrO2 ΔHR = −1101 kJ/mol Bei der Verbrennung an der Luft entstehen durch eine Reaktion mit dem Luftstickstoff auch verschiedene Zirconiumnitride. Zirconiumpulver reagiert ausgesprochen gerne mit Sauerstoff und Stickstoff. Daher eignet es sich in Energiesparlampen und Leuchtstoffröhren als Getter zur Beseitigung von Sauerstoff, Stickstoff und weiteren Verunreinigungen, die die Lebensdauer der Lampe beeinträchtigen würden.
Während das
kompakte Metall in Luft und Wasser beständig
ist, kann sich pulverförmiges Zirconium schon durch
Reiben oder durch Erwärmen auf 100 °C entzünden.
Zirconiumbrände können
mit Wasser und mit Kohlenstoffdioxidlöschern nicht
gelöscht werden.
Mit Wasser erfolgt ähnlich wie bei Bränden mit Magnesium eine Explosion, weil sofort Wasserstoff entsteht. Das
Löschen eines offenen Brandes ist nur mit Sand oder Salz
möglich. Gerät das zirconiumhaltige Hüllmaterial an den
Brennstäben eines Kernreaktors in Brand, besteht höchste Gefahr.
Kompaktes Zirconium ist infolge einer Passivierung gegen die meisten konzentrierten Säuren widerstandsfähig. Flusssäure und Königswasser greifen das Metall jedoch an. Geschmolzenes Zirconium reagiert auch mit Chlor und mit Stickstoff: Zr + 2 Cl2
ZrCl4 ΔHR = −981 kJ/mol 2 Zr + N2
2 ZrN ΔHR = −730 kJ/mol
Zirconiumverbindungen treten bevorzugt in der Oxidationsstufe +4 auf. Das weiße Salz Zirconium(IV)-chlorid ZrCl4 zersetzt sich mit Wasser zu verschiedenen Hydroxo-Komplexen, deren Ionen im Wasser löslich sind. Für den analytischen Nachweis von Zirconium zu Testzwecken wird eine Lösung mit Zirconiumoxidchlorid Octahydrat ZrOCl2 • 8 H2O benutzt. Mit Ammoniak fällt aus dieser Lösung Zirconium(IV)-hydroxid aus, das man durch Glühen zu Zirconium(IV)-oxid umwandeln kann. Alizarin S fällt aus der salzsauren Lösung einen rotvioletten Farblack aus. Mit Beryllium-, Titan- oder Aluminiumverbindungen bildet sich der unlösliche Farblack nur in neutraler oder essigsaurer Lösung. |
| Toxikologie |
Das
elementare Zirconium und auch das Zirconium(IV)-oxid haben nur
ein
geringes toxisches Potenzial. Das Freisetzen und Einatmen von
Stäuben
ist aber auf jeden Fall zu vermeiden. Die Stäube sind
sehr reaktionsfähig und können sich durch Reibung
entzünden. |
| Vorkommen |
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Häufigkeit relativ häufig
Zirconium kommt in der Natur nicht elementar vor. Die beiden bekanntesten Minerale sind Zirkon und Eudialyt. Im Gegensatz zu dem Element werden die Zirconiumminerale in Anlehnung an die alte Schreibweise immer mit einem „k“ geschrieben! Klare und farbige Zirkonkristalle werden als Edelsteine gehandelt und zu Schmucksteinen verarbeitet. Bedeutende Erzvorkommen zur Zirconiumgewinnung liegen in Australien und in Südafrika. Das relativ harte Zirconiumoxid kommt im Baddeleyit vor. Dieses Oxid wird zur Herstellung des Schleifmittels Zirkonkorund verwendet. Der Mont Saint-Hilaire in Kanada ist für seine seltenen Zirconiumminerale berühmt.
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| Geschichte |
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Der Zirkon als Stein war schon im Altertum bekannt. In der Bibel wird er unter seinem alten Namen „Hyacinth“ erwähnt. Den heute gültigen Namen prägte der deutsche Mineraloge Abraham Gottlieb Werner (1749–1817) im Jahr 1783. Der Name bezieht sich auf das persische Wort azargun („goldfarben“).
Der deutsche Chemiker Martin Heinrich Klaproth (1743–1817) untersuchte 1789 in Berlin einen aus Ceylon (heute Sri Lanka) stammenden hellen „Jargon“ und stellte daraus eine bis dahin unbekannte „Erde“ (Oxid) her. Die Namensgebung des Elements erfolgte in Anlehnung an Werners Mineralname. 1795 untersuchte Klaproth einen Hyazinth aus Ceylon, den man bis dahin für ein anderes Mineral hielt. Klaproth konnte beweisen, dass die „Jargonerde“ und die „Hyazintherde“ aus dem gleichen Stoff bestehen. Die erste Herstellung des Elements wird J.J. Berzelius (1749–1848) zugeschrieben: Er erhielt es 1824 durch Reduktion aus „flusssaurem Zirkon-Kali“ K2[ZrF6] mit Kalium in einer winzigen Eisenröhre, die in einem Platintiegel platziert war. Beim Abkühlen mit Wasser erhielt er das Zirconium in unreiner Pulverform. In der Folgezeit versuchten verschiedene Chemiker reineres und vor allem kompaktes Zirconium herzustellen. 1914 präsentierten D. Lely und L. Hamburger in der Zeitschrift Anorganische Chemie ein Verfahren zur Produktion von hochreinem Zirconium. Sie erhitzten Zirconiumtetrachlorid und Natrium bei sehr hoher Hitze in einem Elektroofen. [Lit. 138]
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| Herstellung |
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Zirkonhaltige
Sande werden zunächst mit Natriumhydroxid geschmolzen und
zu Zirconium(IV)-oxid umgewandelt. Unter Zugabe von Kohle wird aus
diesem im Lichtbogen
Zirconiumcarbonitrid, das mit Chlor zu Zirconium(IV)-chlorid weiterreagiert. Dieses wird nach dem Kroll-Verfahren mit Magnesium bei hoher Temperatur zu Zirconium reduziert:
ZrCl4 + 2 Mg Zr +
2 MgCl2 Nach
dem Abdestillieren des Magnesiumchlorids und der Abtrennung von nicht verbrauchtem Magnesium wird das erhaltene Roh-Zirconium im Aufwachsverfahren gereinigt.
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| Verwendung |
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Zirconium ist sehr korrosionsbeständig. Es wird zum Bau für chemische Anlagen, zum Beispiel für Ventile, Pumpen oder Rührer verwendet. In der Elektronik dient es zur Herstellung von Vakuumröhren für die Röntgentechnik. Ferrosiliciumzirconium wird im Sauerstoffblasverfahren bei der Stahlherstellung zur Beseitigung von Verunreinigungen eingesetzt. Zirconiumlegierungen werden für chirurgische Instrumente verwendet. Sie finden auch als Hüllmaterialien in den Brennstäben von Kernkraftwerken Anwendung. Die Zirconiumlegierung Zircaloy ist besonders gut durchlässig für langsame Neutronen. Da das Element mit einer sehr hellen Flamme brennt, dient es auch zum Bau von Feuerwerkskörpern und Signallichtern. Rauchloses Blitzlichtpulver enthält heute nicht mehr Magnesium sondern Zirconium zur Erzeugung eines sehr hellen Lichts. Das Natriumazid im Airbag für Kraftfahrzeuge wird mit einer Zündmischung aus Zirconiumpulver und einem Oxidationsmittel gezündet. Pulvermischungen mit Nickel sind in Zündern für Sprengstoffe enthalten.
Zirconium(IV)-oxid (auch Zirconiumdioxid) wird als harter und chemisch beständiger Werkstoff für verschiedene Anwendungen benötigt. Als Pulver dient es in Autolacken zur Verbesserung der Kratzfestigkeit. Zirkonweiß ist ein weißes Pigment, das aus Zirconiumsilicat besteht. Dieses löst zunehmend Titandioxid als Weißpigment ab. Zirconiumoxid und Zirconiumsilicat eignen sich zur Herstellung von feuerfester Keramik, zum Beispiel für Auskleidungen in Tiegeln und Behältern. Bei hohen Temperaturen leitet Zirconiumoxid Sauerstoff-Ionen, daher wird es in Brennstoffzellen, in der Lambdasonde der Abgaskatalysatoren, sowie in weiteren Messgeräten – mit Lanthaniden dotiert – eingesetzt. Die Zahnmedizin benötigt es für den keramischen Zahnersatz. Einkristalle mit kubischem Zirconiumoxid sind aufgrund ihres sehr hohen Brechungsindexes diamantähnlich, sie werden zur Herstellung des künstlichen Edelsteins Zirkonia im Brillantschliff als Imitation des Diamants verwendet. Im Schleifmittel Zirkonkorund ist Zirconiumoxid mit bis zu 40 % Anteil enthalten.
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| Zirconiumverbindungen im Steckbrief | |||||
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| Zirconiumminerale |
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Gefahr
