Zirconium

Zirconium (40) [Zr]

Chemische Formel: Zr
Ordnungszahl: 40
Serie: Metalle
Aussehen: silbrig glänzend
Masseanteil Erdhülle: ca. 165 ppm
Aggregatszustand: fest
Dichte: 6,51 g·cm⁻³
Schmelzpunkt: 1855 °C Siedepunkt: 4409 °C
Mohshärte: 5 Molares Volumen: 14,0 · 10⁻⁶ m³/mol Schmelzwärme: 21 kJ/mol
Verdampfungswärme: 580 kJ/mol
CAS: 7440-67-7
GHS Gefahrenstoffkennzeichnung:
H: 250 (bei Pulver)
P: 210-280-370+378-422
EU-Gefahrenstoffkennzeichnung:
R: 15-17 (bei Pulver)
S: 7/8-43

Warnhinweis gilt für Zirconium-Pulver:


Zirconium 3N

Zirconium 3N

Zirconium Metall (Reinheit 99,9%)
Zirconium metal (purity 99.9%)


CAS Nummer: 7440-67-7

 

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Geschichte

Zirconium wurde 1789 von dem deutschen Chemiker Martin Heinrich Klaproth entdeckt. Bei der Analyse des Minerals Zirkon (ZrSiO₄) aus Ceylon isolierte er das Oxid, das er zunächst „Zirkonerde“ nannte.
Das reine Metall stellte jedoch erst Jöns Jakob Berzelius 1824 her.
Der Name leitet sich vom persischen zargun (زرگون) ab, was „goldfarben“ bedeutet und auf das Mineral Zirkon zurückgeht. Obwohl Klaproth das Element bereits 1789 identifizierte, gelang die Herstellung hochreinen Zirconiums erst 1925 durch das Aufwachsverfahren von van Arkel und de Boer.
Die enge chemische Verwandtschaft zu Hafnium (Element 72) machte die vollständige Trennung der beiden Elemente lange Zeit sehr aufwendig.

Physikalische und Chemische Eigenschaften

Zirconium ist ein silberglänzendes, duktiles und hoch korrosionsbeständiges Übergangsmetall. Es kristallisiert in einer hexagonal-dichten Packung (α-Phase) und wandelt sich bei hohen Temperaturen in die kubisch-raumzentrierte β-Phase um.
Es ist chemisch sehr ähnlich zu Hafnium und bildet mit diesem feste Lösungen. Zirconium ist unedel, reagiert aber nur langsam mit Säuren und Laugen. An der Luft bildet sich eine stabile, passivierende Oxidschicht, die es extrem korrosionsbeständig macht. Mit Halogenen reagiert es bei erhöhten Temperaturen zu Halogeniden. Die Verbindungen ähneln stark denen des Hafniums, insbesondere Zirconiumdioxid (ZrO₂), das einen hohen Schmelzpunkt besitzt und sehr stabil ist.
Reines Zirconium ist mechanisch gut bearbeitbar. In fein verteilter Form (Pulver) ist es jedoch pyrophor und kann sich an der Luft selbst entzünden.

Verwendung

Zirconium wird aufgrund seiner hervorragenden Korrosionsbeständigkeit und seines niedrigen Neutroneneinfangquerschnitts vor allem in der Kerntechnik eingesetzt. Der Großteil des produzierten Zirconiums dient als Hüllmaterial (Cladding) für Brennstäbe in Kernreaktoren, da es Neutronen kaum absorbiert und gleichzeitig mechanisch stabil sowie korrosionsbeständig gegenüber Kühlmitteln ist. Für diesen Zweck muss das natürlicherweise enthaltene Hafnium fast vollständig entfernt werden.
Zirconiumdioxid (ZrO₂, Zirkonia) ist ein wichtiges keramisches Material mit hoher Schmelztemperatur und wird für Schmelztiegel, feuerfeste Auskleidungen, Zahnkronen und als Feststoffelektrolyt in Sauerstoffsensoren (Lambda-Sonden) verwendet. Weitere Anwendungen sind:
  • Legierungen mit hoher Korrosionsbeständigkeit in der chemischen Industrie (z. B. Pumpen, Ventile, Reaktoren)
  • Zirconiumcarbid und -nitrid in Schneidwerkzeugen und Beschichtungen
  • Getter-Material in Vakuumröhren
  • Legierungszusatz in Magnesium- und Aluminiumlegierungen
  • Pyrotechnik und Blitzlichtpulver (in fein verteilter Form)

Toxikologie und Gefahren

Elementares Zirconium und seine Verbindungen gelten als wenig toxisch. Es gibt keine Hinweise auf kanzerogene Wirkung beim Menschen, und das Metall ist nicht bioverfügbar.
Zirconiumpulver ist jedoch pyrophor und stellt eine Brand- und Explosionsgefahr dar – es kann sich spontan an der Luft entzünden, besonders bei erhöhten Temperaturen. Feiner Staub kann die Augen und Atemwege reizen. Bei der Handhabung von Pulver sind inerten Bedingungen und geeignete Schutzausrüstung erforderlich.
Zirconium reagiert mit starken Oxidationsmitteln und Säuren (z. B. Flusssäure) unter Wasserstoffentwicklung. Die Lagerung erfolgt getrennt von brennbaren Stoffen und Feuchtigkeit. In kerntechnischen Anwendungen ist eine sorgfältige Trennung vom neutronenabsorbierenden Hafnium essenziell.