Zirconium

Eigenschaften des Elements

Einordnung in das Periodensystem
der Elemente und Eigenschaften
Atombau
Ordnungszahl: 4040 Protonen
40 Elektronen
5. Periode5 besetzte Elektronenschalen
IV. Nebengruppe4 Außenelektronen
Elektronenkonfiguration im GrundzustandKr 5s24d2
Elektronegativität1,4
Ionisierungsenergie in eV6,84
häufigste OxidationszahlenIV
Atommasse des Elements in u91,22
Atomradius in 10- 1 0m1,60
Ionenradius in 10- 1 0m0,87 (+4)
Aggregatzustand im Normalzustandfest

Stoffkonstanten und Häufigkeit des Vorkommens in der Natur

Dichte in Bild bei 25 °C6,49
Härte nach Mohs und nach Brinell7-8; 33,4 · 107
Schallgeschwindigkeit in Bild3810
Schmelztemperatur in °C1850
spezifische Schmelzwärme in Bild252,13
Siedetemperatur in °C3580
spezifische Verdampfungswärme in Bild6375,5
Standardentropie S0 in Bild39
Wärmeleitfähigkeit in Bild bei 27 °C22,7
spezifische Wärmekapazität in Bild0,278
Volumenausdehnungskoeffizient in 10- 3 Bild 
spez. elektrischer Widerstand in Bild0,4212
Anteil in der Erdhülle in % (Atmosphäre,
Wasser, Erdkruste bis 10 km Tiefe)
0,021

Isotope des Elements 

In der Natur findet man ein Gemisch aus vier stabilen und einem radioaktiven Isotop mit sehr langer Halbwertszeit. Daneben sind noch 23 weitere radioaktive Isotope künstlich hergestellt worden, von denen nur einige in der folgenden Tabelle aufgeführt sind.

Ordnungszahl ZMassenzahl AAtommasse in uHäufigkeit
in %
Art der Strahlung
und Energie in MeV
Halbwertszeit
409089,904 70051,5%  
 9190,905 64211,2%  
 9291,905 03117,1%  
 9392,906 450künstlichβ Bild: 0,06106 a
 9493,906 31317,4%  
 9595,908 035künstlichβ Bild: 0,465 d
 9695,908 2862,8%β Bild3,9 x 101 9a
 9796,910künstlichβ Bild: 1,917 h

Weitere Eigenschaften

Zirconium ist ein Element der sogenannten Titangruppe. In chemisch reiner Form ist es ein stahlgraues, hochglänzendes, dehnbares und relativ weiches Schwermetall. Es lässt sich leicht zu Blechen walzen und zu Drähten ziehen. Verunreinigungen erhöhen die Härte des Metalls. Ein Sauerstoffgehalt von 0,3 % kann die Härte beispielsweise verdreifachen. Zirconium tritt in zwei Modifikationen auf: dem α-Zr und dem β-Zr. Zirconium hat eine ziemlich hohe Schmelz- und Siedetemperatur. Unterhalb von -272 °C ist das Metall supraleitend. Das Metall bildet aufgrund seiner Stellung im PSE in seinen Verbindungen fast alle Oxidationsstufen von -II bis IV, wobei die Stufe IV die häufigste und beständigste ist. Die Stufen II und III liegen vor allem in den festen Halogeniden vor. Zirconium ist ein relativ unedles Metall. Es wird auch in kompakter Form bei höheren Temperaturen nicht von Luft und Wasser angegriffen. In Form von Pulver entzündet sich Zirconium an der Luft bereits durch Reibung, Schlag, elektrische Entladung oder durch Erwärmen über 100 °C. Es verbrennt unter Bildung der Zirconiumoxide ZrO, ZrO2, Zirconiumnitrid und Zirconiumnitridoxid. Pulverförmiges Zirconium verbrennt übrigens in Sauerstoffatmosphäre mit der für Metallflammen höchsten Temperatur von ca. 4 650 °C. Brennendes Zirconium kann nur mit trockenem Sand abgedeckt werden (nicht mit Wasser, Kohlenstoffdioxid oder Tetrachlorkohlenstoff). Aufgrund der Entzündungsgefahr wird Zirconium unter Argon bzw. Methan aufbewahrt. Kompaktes Zirconium wird aufgrund von Passivierung nicht von konzentrierten Säuren angegriffen, aber von Flusssäure und Königswasser. Zirconium bildet ein einziges Oxid, mehrere Chloride, die sich in Wasser zersetzen, ein in Wasser lösliches Sulfat, verschiedene Zirconiumoxidverbindungen.

Entdeckung

1789 entdeckte der deutsche Chemiker M.H.KLAPROTH bei der Untersuchung einer Probe des ceylonesischen Minerals Zirkon Zirconium. Es wurde allerdings als Dioxid isoliert, weil es stark verunreinigt war. KLAPROTH nannte es Zirkonerde, später wurde das der Erde zugehörige Metall Zirkonium (wiederum später Zirconium) genannt. Das Symbol Zr schlug wie bei vielen anderen Elementen BERZELIUS vor. Dem gelang auch die Herstellung von metallischem Zirconium. Erst 1925 wurde hochreines Zirconium in einem Aufwachsverfahren gewonnen, und zwar durch A.E. VAN ARKEL und J.H. de BOER.

Vorkommen/Herstellung

Zirconium kommt auf der Erde relativ häufig vor. Es steht an 19. Stelle der Elementhäufigkeit. Trotz seiner Häufigkeit wurde das Metall relativ spät entdeckt, was primär daran liegt, dass es nur in geringen Konzentrationen meist in Eruptivgesteinen und deren Verwitterungsprodukten vorkommt. In der Natur kommt Zirconium nie elementar vor. Zirkon findet sich vorwiegend in sekundären Lagerstätten, in Zirkonsanden an den Küsten Australiens, Südafrikas und in den USA. Die industrielle Herstellung erfolgt in der Regel aus den Zirkonsanden. Diese werden zunächst in einer Natriumhydroxidschmelze aufgeschlossen und dann in Zirconium(IV)-oxid überführt. Dieses wird wiederum mit Kohle im Lichtbogenofen in Zirconiumcarbonitrid umgewandelt und anschließend durch Chlorierung in Zr(IV)-chlorid überführt. Nach dem Kroll-Verfahren in inerter Heliumatmosphäre mit Magnesium erfolgt die Reduktion des Chlorids bei ca. 800 °C. Man erhält Zirconiumschwamm, der nach Abdestillation im Elektroofen umgeschmolzen wird. Zirconium wird als Schwamm oder Barren gehandelt.

Verwendung

Zirconium ist korrosionsbeständig, deshalb wird es im chemischen Anlagebau für hochbeanspruchte Teile wie Ventile, Spinndüsen, Wärmeaustauscher u. a. eingesetzt. In der Elektrotechnik wird es u. a. für die Herstellung von Glühkatoden und Gittern genutzt. In der Metallurgie findet es Einsatz bei der Stahlherstellung zur Bindung von Sauerstoff, Stickstoff und Schwefel. Leuchtfackeln und Leuchtkugeln werden in der Pyrotechnik mithilfe von Zirconium hergestellt, wegen der Aussendung sehr hellen Lichts.

Bau

Bild-Zirconium kristallisiert in einem hexagonal-dichtesten Metallgitter.

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