Zirconium – Steckbrief

Stellung im Periodensystem

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Vorkommen und Gewinnung

Zirconium ist in der Erdkruste häufiger als viele bekannte Metalle, kommt aber nie rein vor. Wichtigstes Mineral ist Zirkon, ein Zirconiumsilicat. Es steckt als kleine, sehr harte Körnchen in vielen Gesteinen und sammelt sich in Küstensanden. Dort wird es zusammen mit Titanmineralien abgebaut, vor allem in Australien und Südafrika. Ein zweites Erz ist Baddeleyit, ein natürliches Zirconiumoxid.

Entdeckt wurde das Element 1789 vom deutschen Chemiker Martin Heinrich Klaproth. Er untersuchte einen Zirkon aus Ceylon, dem heutigen Sri Lanka, und fand darin eine bis dahin unbekannte „Erde“, das Zirconiumoxid. Das Metall selbst konnte erst später als unreines Pulver gewonnen werden, und sehr reines Zirconium gelang im zwanzigsten Jahrhundert mit dem Iodidverfahren von van Arkel und de Boer.

Technisch gewinnt man das Metall heute mit dem Kroll-Verfahren. Dabei wird Zirkon oder Zirconiumoxid mit Chlor und Kohle zu Zirconiumtetrachlorid umgesetzt, und dieses wird mit flüssigem Magnesium zum Metall reduziert. Schwierig ist, dass Zirkon-Erze immer das chemisch fast identische Hafnium enthalten. Für Kernreaktoren muss man es abtrennen, denn Hafnium fängt Neutronen sehr gut ein, Zirconium dagegen kaum.

Eigenschaften und Reaktionen

Zirconium steht in Periode 5 und Gruppe 4, unter dem Titan. Seine Elektronenkonfiguration ist [Kr] 4d² 5s², die Elektronegativität beträgt 1,33. Das Metall hat eine Dichte von 6,52 g/cm³, schmilzt bei 1855 °C und siedet bei 4409 °C. Es ist zäh, gut verformbar und sehr hitzefest. In Verbindungen tritt es fast immer mit der Oxidationszahl plus vier auf.

Die Korrosionsbeständigkeit beruht auf einer hauchdünnen Oxidschicht. Sie bildet sich an der Luft sofort, haftet fest und schützt das Metall vor den meisten Säuren, vor Laugen und Meerwasser. Nur wenige Säuren wie Flusssäure greifen es an. Ein Stück Zirconium lässt sich daher kaum angreifen, solange die Schicht intakt ist. Anders ist es bei feinem Pulver oder Spänen: Sie sind leicht entzündlich und brennen heftig, deshalb ist Zirconiumpulver im Schulunterricht tabu.

Bei sehr hohen Temperaturen verliert das Metall seinen Schutz. Dann reagiert Zirconium mit Wasserdampf zu Zirconiumoxid und Wasserstoff. Das ist eine Reaktion, die man in einem Reaktor vermeiden will. Beim Unfall im japanischen Kernkraftwerk Fukushima Daiichi im Jahr 2011 entstand nach dem Ausfall der Kühlung vor allem auf diesem Weg Wasserstoff. Er sammelte sich in den Gebäuden und führte zu Explosionen. Seitdem wird die Reaktion in Sicherheitsanalysen sehr genau betrachtet.

Verwendung in Alltag und Technik

Der größte Anteil geht in die Kerntechnik. Brennstäbe bestehen aus Uranoxid-Tabletten in dünnen Rohren aus Zircaloy, einer Legierung aus Zirconium mit kleinen Mengen Zinn, Eisen und Chrom. Das Metall lässt die Neutronen der Kettenreaktion passieren, hält Hitze und heißem Wasser stand und trennt den Brennstoff vom Kühlwasser. Ein Reaktorkern enthält viele Tonnen davon.

Große Bedeutung hat auch das Oxid. Zirconiumdioxid ZrO₂ ist eine harte, hitzebeständige Keramik. Man verwendet sie für Zahnkronen und Zahnbrücken, für künstliche Hüftgelenke, für scharfe Keramikmesser und als Auskleidung von Schmelztiegeln und Öfen.

Verwechslungen gibt es bei den Schmucksteinen. Zirkon ist ein natürliches Mineral und ein Edelstein, den es in vielen Farben gibt, etwa farblos, braun, gelb oder durch Brennen blau. Zirkonia, genauer kubisches Zirconiumoxid, ist dagegen ein im Labor gezüchteter Kristall aus Zirconiumoxid, der durch Zusatz von Yttriumoxid stabilisiert wird. Er ähnelt Diamant im Glanz und ist sehr günstig, bleibt aber weicher.

Außerdem baut man Zirconium in chemischen Anlagen ein, wo Säuren Edelstahl angreifen würden, etwa in Wärmetauschern und Pumpen. Zirkon hilft zudem der Geologie: Er baut beim Wachsen Spuren von Uran ein, aber kaum Blei, und ist äußerst beständig. Aus dem Blei, das seither durch radioaktiven Zerfall entstanden ist, lässt sich sein Alter berechnen. Die ältesten bekannten Mineralkörner der Erde sind Zirkone, sie sind mehr als vier Milliarden Jahre alt.

Moleküle mit diesem Element

• Zirconiumdioxid ZrO₂3D ansehen
• Zirconiumsilicat ZrSiO₄3D ansehen
• Kaliumhexafluorozirconat K₂ZrF₆3D ansehen

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