Zirconium

1

Einleitung

Zirconium, chemisches Symbol Zr, metallisches Element mit der Ordnungszahl 40, das zusammen mit Titan, Hafnium und Rutherfordium in der vierten Nebengruppe des Periodensystems steht.

Zirconium zählt zu den Übergangsmetallen und wurde 1789 von dem deutschen Chemiker Martin Heinrich Klaproth entdeckt. 1824 gelang dem Schweden Jöns Jakob von Berzelius die Isolierung und Reindarstellung des Metalls. Der Name Zirconium ist von dem Mineral Zirkon abgeleitet. Zirconium wird vor allem für Legierungen verwendet.

2

Vorkommen und Eigenschaften

Zirconium kommt in Form von fünf natürlichen Isotopen vor; Zirconium 90 tritt am häufigsten auf, Zirconium 96 ist schwach radioaktiv. Daneben sind mehr als 25 künstliche Isotope von Zirconium bekannt, die alle radioaktiv sind und Halbwertszeiten zwischen wenigen Nanosekunden und 1,5 Millionen Jahren aufweisen. Unter den Elementen der Erdkruste steht Zirconium an 18. Stelle. Das Metall kommt in der Natur nicht elementar, sondern nur in gebundener Form vor, hauptsächlich als Silicat wie Zirkon oder Alvit (ZrSiO₄) und als Oxid wie Zirkonerde oder Baddeleyit (ZrO₂). Außerdem ist Zirconium in Erzen anderer Metalle enthalten, etwa in Rutil, Ilmenit und Magnetit.

Reines Zirconium ist ein verhältnismäßig weiches, duktiles und korrosionsbeständiges Metall, das sich zu Blechen auswalzen und zu Drähten ausziehen lässt. Elektrizität und Wärme leitet Zirconium relativ gut. Infolge seines sehr kleinen Einfangsquerschnitts nimmt es thermische Neutronen nur in geringen Mengen auf. Das Übergangsmetall schmilzt bei 1 852 °C und siedet bei 4 377 °C. Mit einer Dichte von 6,5 Gramm pro Kubikzentimeter zählt Zirconium zu den Schwermetallen; seine Atommasse beträgt 91,22 u. Es steht im Verdacht, Krebserkrankungen auszulösen.

Zirconiummetall überzieht sich an der Luft mit einer dünnen Oxidschicht, die es vor Korrosion schützt (siehe Passivierung), und wird erst im weißglühenden Zustand von Sauerstoff oxidiert. Dagegen kann sich Zirconiumpulver schon durch Reibung, einen Schlag oder elektrostatische Entladung entzünden. An der Luft verbrennt es zu Nitrid (ZrN), zu Oxiden (ZrO und ZrO₂) sowie zu Oxidnitrid (Zr₂ON₂). Bei hohen Temperaturen reagiert das Metall auch mit anderen Nichtmetallen, etwa Wasserstoff, Kohlenstoff und Halogenen. Salpetersäure, Salzsäure (siehe Chlorwasserstoff) und Schwefelsäure greifen Zirconium auch nach Erhitzen nur wenig an. Dagegen wirken Königswasser und Flusssäure (siehe Fluor) bereits bei Zimmertemperatur auf das Metall ein. In seinen chemischen und physikalischen Eigenschaften ist Zirconium dem Element Hafnium ähnlich.

3

Verbindungen

In seinen Verbindungen tritt Zirconium mit den Oxidationszahlen von -2 bis +4 auf; am häufigsten ist die Stufe +4. Die meisten Zirconium(IV)-verbindungen sind farblos oder weiß, etwa Zirconiumtetrachlorid (ZrCl₄) und Zirconiumdioxid (ZrO₂). Mit organischen Resten bildet Zirconium metallorganische Verbindungen, die an der Luft meist instabil sind. Außerdem vereint sich Zirconium, wie viele andere Übergangsmetalle auch, mit Liganden zu Komplexverbindungen (siehe Koordinationschemie).

4

Verwendung

Großtechnisch dient Zirconium zur Herstellung von Stahl, Gläsern, feuerfesten Keramiken und Nichteisenlegierungen. Da es bei hohen Temperaturen leicht mit Sauerstoff, Wasserstoff und Stickstoff reagiert, lassen sich mit ihm in Vakuumröhren letzte Spuren von Gasen entfernen. In der chemischen Industrie wird Zirconium als Korrosionsschutz eingesetzt. Das Metall eignet sich auch gut für wassermoderierte Kernreaktoren (siehe Kernenergie: Reaktortypen), weil es Neutronen nur schlecht absorbiert und außerdem bei mäßig hohen Temperaturen sehr korrosionsbeständig ist.