ZIRKONIUM

Symbol: Zr
Kategorie: Übergangsmetalle
Ordnungszahl: 40

Relative Atommasse: 91,224
Schmelzpunkt: 2125 K
Siedepunkt: 4650 K
Dichte: 6,51 g cm-3
Elektronegativität: 1,2
Ionisierungsenergie: 6,84 eV
Konfiguration: [Kr] 4d² 5s²
Oxidationszahlen: 4, 3, 2, 1
Atomradius: 160 pm
Ionenradius: 87 pm (+4)

Der nachfolgende Artikel ist dem Lexikon der Chemie entnommen.

Zirconium, Symbol Zr, chem. Element aus der IV. Nebengruppe des Periodensystems, der Titangruppe, Schwermetall; Z 40, Massenzahlen der natürlichen Isotope 90 (51,46 %), 94 (17,40 %), 92 (17,11 %), 91 (11,23 %), 96 (2,80 %), Atommasse 91,22, Wertigkeit meist IV, seltener III, II, I, D. 6,508 g cm-3, F. 1857 °C, Kp. 4377 °C, elektrische Leitfähigkeit 2,3 Sm/mm2, Standardelektrodenpotential (Zr/ZrO2+) -1,43 V.

Eigenschaften von Zirkonium

Reines Z. ist ein hochglänzendes, stahlähnlich aussehendes, relativ weiches, biegsames und hämmerbares Metall. Es kristallisiert hexagonal und wandelt sich oberhalb 867 °C in eine kubisch-raumzentrierte β-Form um. Im Gegensatz zu Hafnium ist Z. durch einen sehr kleinen Neutronenabsorptionsquerschnitt charakterisiert. Das kompakte Metall ist infolge der Ausbildung einer dünnen, zusammenhängenden Oxidschicht passiviert, so dass es z.B. durch Sauerstoff erst bei Weißglut oxidiert wird. Wasser, Salz-, Salpeter- und Schwefelsäure sowie wäßrige Alkalien greifen Z. auch in der Wärme nicht oder nur wenig an. Dagegen löst es sich leicht in Königswasser, Flußsäure und geschmolzenen Alkalien. Chlor greift Z. bei dunkler Rotglut unter Bildung von Zirconium(IV)-chlorid an. Zirconiumpulver verbrennt an der Luft bei Rotglut unter Bildung der Zirconiumoxide ZrO und ZrO2, von Zirconiumnitrid ZrN und Zirconiumoxidnitrid Zr2ON2.

Feinverteiltes Z. liefert bei Verbrennung in einer Sauerstoffatmosphäre die für Metallflammen höchste Temperatur von etwa 4660 °C. Brennendes Z. kann nicht mit Wasser, Kohlendioxid- oder Tetrachlorkohlenstofflöschern gelöscht werden, es ist vielmehr mit trockenem Sand abzudecken. Pulverförmiges Z. neigt zur Aufnahme von Sauerstoff, Stickstoff und Wasserstoff. Mit verschiedenen Metallen bildet Z. Zirconiumlegierungen. Mit Leichtmetallen legiert, bewirkt Z. eine Gefügeverfeinerung und damit eine Härtung dieser Metalle.

Analytisches zu Zirkonium

Zum Nachweis von Z. werden vielfach organische Reagenzien, z.B. Tannin, Kupferron, Phenylarsonsäure, Oxim, Alizarin-S oder Xylenolorange, herangezogen. Auch die Überführung in das in charakteristischen dünnen Nadeln kristallisierende Zirconiumoxidchlorid ZrOCl2·8H2O wird empfohlen. Zur gravimetrischen Bestimmung wird Z. durch Ammoniakfällung in Zirconiumoxid-Hydrat übergeführt und zu ZrO2 verglüht.

Vorkommen
Z. ist am Aufbau der Erdkruste mit 1,4·10-2 % beteiligt. Es kommt als Zirkon ZrSiO4 und als Baddeleyit (Brazilit, Zirkonerde) ZrO2 vor. Z. ist ferner in Mineralen anderer Elemente, wie Rutil, Ilmenit, Apalit und Magnetit, mit Anteilen bis zu einigen Zehntelprozent vertreten. Andererseits enthalten Zirconiumminerale in der Regel 1 bis 5 % Hafniumoxid.

Gewinnung von Zirkonium

Ältere Verfahren zur Gewinnung von pulverförmigem Z. setzen die Reduktion von Kaliumhexafluorozirconat oder Zirconiumtetrachlorid mit Natrium ein. Die gegenwärtig betriebene technische Gewinnung geht von Zirkonsanden aus, die mit Natronlauge aufgeschlossen und in Zirconium(IV)-oxid übergeführt werden. Dieses wird mit Kohle im Lichtbogenofen in Zirconiumcarbonitrid umgewandelt, das dann mit Chlor zu Zirconium(IV)-chlorid weiter umgesetzt wird.

Die Reduktion mit Magnesium führt nach dem Kroll-Prozeß gemäß
ZrCl4 + 2 Mg → Zr + 2 MgCl2
zu Zirconiumschwamm, der nach Abdestillation von Magnesiumchlorid und nichtumgesetztem Magnesium im Vakuum schließlich im Elektrodenstrahlofen umgeschmolzen wird. Durch Anwendung des Aufwachsverfahrens kann eine weitere Reinigungsstufe angeschlossen werden. Zur Gewinnung des technisch wichtigen hafniumfreien Z. wird in die ersten nasschem. Arbeitsstufen ein Verfahrensschritt zur Abtrennung des Hafniums vor allem mit Hilfe der Flüssig-Flüssig-Extraktion (Hafnium) eingeschaltet.

Verwendung von Zirkonium

Hafniumfreies Z. wird heute vor allem unter Nutzung seines geringen Neutroneneinfangsquerschnittes als Werkstoff für Brennelementhüllen verwendet, wobei es in Form von Legierungen mit Zinn, Eisen, Chrom und Nickel eingesetzt wird. Die hohe Korrosionsbeständigkeit von Z. hat darüber hinaus zum Einsatz als Konstruktionswerkstoff im chem. Anlagenbau, vor allem für hochbeanspruchte Teile, wie Ventile, Pumpen, Rührer, Spinndüsen und Wärmeaustauscher, geführt. Weiterhin wird Z. als Werkstoff für hochbeanspruchte Bauteile von Elektronen- und Röntgenröhren verwendet; seine Aufnahmefähigkeit für Gase wie Stickstoff oder Sauerstoff wird durch Einsatz als Getter genutzt. In der Medizin verwendet man Z. in Form von chirurgischen Instrumenten sowie Klammern oder Schrauben. In der Pyrotechnik dient Zirconiumpulver zur Herstellung von Leuchtkugeln. Man verwendet es außerdem zur Herstellung von rauchlosem Blitzlichtpulver. In der Metallurgie wird Z. in Form von Ferrosiliciumzircon bei der Stahlherstellung sowie als Desoxidationsmittel beim Metallguß eingesetzt. Man verwendet es als Schweißfolie und Lötdraht beim Schweißen von Molybdän und Wolfram. Z. ist Bestandteil vieler Legierungen (Zirconiumlegierungen).

© Spektrum Akademischer Verlag