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40 |
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Dichte (g/cm3): |
6,511 |
5 |
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91,224 |
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Atomradius (berechnet) in pm: |
155 (206) |
4 |
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1,33 |
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[Kr]4d25s2 |
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1855°C (2128 K) |
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4409°C (4682 K) |
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natürl. Häufigkeit: |
100 ppm |
Zirconium ist ein metallisches Element der 4. Nebengruppe des Periodensystems. Vom Zirconium gibt es eine Reihe natürlicher Isotope (90Zr bis 96Zr). Daneben kennt man noch zahlreiche künstliche Isotope und Isomere 82Zr bis 101Zr mit Halbwertszeiten zwischen 0,81 Sekunden und 1,5*106 Jahren. Geschmolzenes, reines, massives Zirconium ist stahlgraues glänzendes chemisches Element. Das Pulver ist dagegen schwarz. Unterhalb von 867°C kristallisiert das sogenannte α-Zr hexagonal, oberhalb des Umwandlungspunktes β-Zr kubisch in raumzentrierter Koordination. Chemisch reines Zirconium ist verhältnismäßig weich, biegsam und hämmerbar, es lässt sich zu Blechen auswalzen und zu Drähten von 0,03 mm Dicke ausziehen. Zirconium besitzt einen sehr kleinen Einfangquerschnitt für thermische Neutronen.
Zirconium-Schwamm und -Pulver sind bei Erwärmung an Luft leicht entzündlich und können bereits durch Reibung, Schlag oder Entladung statischer Elektrizität entzündet werden. Brennendes Zirconium kann nicht mit Wasser-, CO2- oder Chlorkohlenstoff-Löschern gelöscht werden (Gefahr des Verspritzens, bei Wasser auch der Explosivität), sondern es muss mit trockenem Sand oder Salz abgedeckt werden. Wegen der leichten Entzündlichkeit wird Zr-Schwamm unter Argon, Zr-Pulver oft unter Methanol aufbewahrt. Massives Zirconiumetall verbrennt im Sauerstoff-Strom bei Weißglut zu Zirconiumdioxid. Feinverteiltes Zirconium gibt bei der Verbrennung in O2 die für Metallflammen höchste Temperatur von ca. 4660°C.
Zirconium wird von Wasser, Salzsäure, Salpetersäure , Phosphorsäure und Laugen nicht angegriffen, dagegen wird es von Flusssäure, heißer konz. Schwefelsäure, geschmolzenen Ätzalkalien, Chlorwasserstoff (bei dunkler Rotglut), Chlor gelöst. In seinen chemischen Verbindungen tritt Zirconium in den Oxidationsstufen +1, +2, +3 u. +4 auf. Zr(IV)-Verbindungen überwiegen, sie sind in der Regel farblos.
Der menschliche Körper soll ca. 300 mg Zirconium enthalten. Seine physiologische Funktion ist unbekannt. Das Metall selbst gilt als nicht toxisch.
Der Anteil des Zirconium an der obersten Erdkruste wird auf 0,021% geschätzt. Damit steht Zirconium in der Häufigkeitsliste der Elemente an 20. Stelle zwischen Barium und Chrom, ist also wesentlich häufiger als Nickel, Kupfer, Zinn, Blei und die Edelmetalle. Trotzdem wurde Zirconium erst verhältnismäßig spät bekannt, da es nur in geringen Konzentrationen vorkommt und stärkere Anreicherungen in Erzen selten sind. Zirconium findet sich in der Natur hauptsächlich in silikatischer Form als Zirkon oder als Dioxid in der Zirkonerde. Häufig wird der Zirkonsand als Nebenprodukt beim Abbau der Titanerze Rutil und Ilmenit gefördert. Weitere, technisch weniger bedeutende Zirconium-Mineralien sind Baddeleyit, Zirkit (Mischgestein aus Zirkon und Baddeleyit), Zirkelit und Eudialyt. Zirconium ist in Pyroxenen und Amphibolen, Ägirinen, ferner in Rutil, Titanit, Magnetit, Ilmenit, Apatit bis zu einigen Zehntelprozent verbreitet. Von ca. 20 Zirconium-Erzen hat als Rohstoff jedoch nur der Zirkon in den Zirkonsanden technische Bedeutung.
Die Zirconium-Gewinnung erfolgt durch Aufschluss von Zirkon in einer Natriumhydroxid-Schmelze, wobei man ZrO2 erhält, oder mittels Kohle im Lichtbogenofen. In diesem Fall erhält man ein als Zirconiumcarbonitrid bezeichnetes Gemisch aus Zirconiumnitrid und Zirconiumcarbid, das durch Chlorierung in Zirconiumtetrachlorid übergeführt wird. Dieses wird – in Analogie zur Titan-Herstellung – nach einem von Kroll entwickelten Metallothermie-Verfahren in einer Helium-Atmosphäre durch Magnesium zu Zirconium reduziert. Das Reinstmetall ist nach dem van-Arkel-de-Boer-Verfahren erhältlich (thermische Zersetzung des Tetrajodids). Bei der Herstellung von sogenannten reactor grade-Zirconium als Hüllmaterial für Brennelemente von Kernreaktoren muss Hafnium vom Zirconium abgetrennt werden, da Hafnium einen hohen Neutroneneinfangquerschnitt hat.
Wegen seiner Korrosionsbeständigkeit eignet sich Zirconium als Konstruktionswerkstoff in der chemischen Industrie besonders zur Herstellung der Korrosion stark ausgesetzter Anlagenteile, z.B. Spinndüsen, Ventile, Pumpen, Rührer, Rohre in Verdampfern und Wärmeaustauschern ( Bsp.: Zirkalloy mit über 90 % Zr im chemischen Apparatebau). In der Elektrotechnik verwendet man Zirconium für Bauteile in Vakuum-Röhren (Herstellung von Glüh-Kathoden, Gittern und als Getter). In der Pyrotechnik dient Zirconium-Pulver zur Herstellung von Leuchtkugeln und Leuchtspurmunition. In der Metallurgie hat sich Zirconium zur Bindung von Sauerstoff, Stickstoff und Schwefel bewährt. Als Hüllmaterial für Kernbrennstoffe in Brennelementen von Kernreaktoren wird reactor grade-Zirconium im allgemeinen in Form von Zirconium-Legierungen mit Zinn, Eisen, Chrom und Nickel oder auch Niob-haltigen Legierungen eingesetzt. Zirkonium-Dioxid, ein weißes kristallines Pulver, wird als Weißpigment sowie wegen seiner chemischen und thermischen Beständigkeit zu Schmelztiegeln und Schalen für die chemische Analyse und Synthese verwendet.
Stark verunreinigtes ZrO2 wurde bereits 1789 von dem deutschen Chemiker Klaproth aus ceylonesischem Zirkon abgeschieden. Berzelius erhielt 1824 pulverförmiges, unreines Zirconium. Unter Zirkon verstand man schon früher einen Halbedelstein aus Zirconiumsilicat, dessen farbige Verunreinigungen nach dem Glühen verschwanden, so dass er wegen seines hohen Glanzes als "Diamant" verkauft werden konnte. Wegen dieser Verfälschung gab man ihm den französ. Namen Jargon (Kauderwelsch). Zirkon (Mineralname) und Zirconium (Elementname) sind also vielleicht von französ.: jargon herzuleiten, nach anderer Auffassung jedoch von pers.: zargun=goldfarben.
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