Zirconium Zr

Entdeckung

Zirkon wurde schon in der Antike als Edelstein geschätzt, doch das darin verborgene neue Element wurde erst 1789 erkannt, als der deutsche Chemiker Martin Heinrich Klaproth Zirkon aus Sri Lanka analysierte und ein neues Oxid, die Zirkonerde, identifizierte.

1824 gewann Jöns Jacob Berzelius unreines Zirconiummetall, indem er eine Zirconiumverbindung mit Kalium reduzierte. Das Metall nimmt leicht Sauerstoff und Stickstoff auf, weshalb reine Proben ein Jahrhundert lang unerreichbar blieben.

1925 stellten die niederländischen Wissenschaftler Anton Eduard van Arkel und Jan Hendrik de Boer hochreines Zirconium her, indem sie Zirconiumiodid-Dampf an einem glühenden Draht zersetzten – das „Kristallstab“- oder Van-Arkel-de-Boer-Verfahren. Mit dem Aufstieg der Kernenergie Mitte des 20. Jahrhunderts wurde Zirconium zu einem strategischen Werkstoff.

Herkunft des Namens

Der Name leitet sich vom Mineral Zirkon ab, einem Wort, das meist auf das persische zargun, „goldfarben“, zurückgeführt wird. Das Symbol ist Zr.

Wichtigste Verwendungen

• Kernreaktoren: Zirconiumlegierungen (Zircaloy) absorbieren sehr wenige Neutronen und widerstehen heißem Wasser; sie sind daher das Standardmaterial für Brennstabhüllen. Das chemisch nahezu identische Hafnium muss zuvor entfernt werden, weil es ein starker Neutronenabsorber ist.
• Keramik: Zähes, hartes Zirconiumdioxid wird für Zahnkronen, Keramikmesser und Gelenkersatzteile verwendet; kubisches Zirkonia ist ein bekannter Diamantersatz.
• Gießerei und Feuerfestmaterial: Zirkonsand hält in Gussformen und Ofenauskleidungen hohen Temperaturen stand und macht keramische Glasuren auf Fliesen und Sanitärkeramik opak weiß.
• Chemieanlagen: Zirconium widersteht starken Säuren und wird für Reaktoren und Rohrleitungen genutzt.

Isotope

Natürliches Zirconium hat fünf Isotope, Zirconium-90, -91, -92, -94 und -96, wobei Zirconium-90 etwas mehr als die Hälfte ausmacht. Zirconium-96 unterliegt einem so langsamen doppelten Betazerfall, dass es praktisch stabil ist. Zirconium-89 mit einer Halbwertszeit von etwa 78 Stunden wird in der Forschung an Antikörper gekoppelt und für die PET-Bildgebung genutzt, und Zirconium-93 ist ein langlebiges Spaltprodukt.

Wenn Zirkon kristallisiert, baut er Uran, aber fast kein Blei ein, was ihn ideal für die Uran-Blei-Datierung macht. Zirkonkörner aus den Jack Hills in Westaustralien bildeten sich vor etwa 4,4 Milliarden Jahren und sind die ältesten bekannten Bruchstücke der Erdkruste.

Im Alltag

Zirconium wird hauptsächlich zusammen mit Titanmineralen aus Strandsanden gewonnen. Das Metall ist wenig giftig und gut biokompatibel, und Aluminium-Zirconium-Verbindungen finden sich in manchen Antitranspirantien.

Feines Zirconiumpulver entzündet sich jedoch leicht an der Luft. Bei sehr hohen Temperaturen reagiert Zirconium außerdem mit Wasserdampf unter Bildung von Wasserstoff; diese Reaktion trug 2011 zu den Wasserstoffexplosionen im Kernkraftwerk Fukushima Daiichi bei.