zirkonium

Zirkonium er et skinnende gråhvitt metall som ligner de andre grunnstoffene i gruppe 4 i periodesystemet: titan og hafnium.

Faktaboks

Uttale
zirkˈonium
Også kjent som

zirconium (eng.)

Det vanligste ionet er Zr 4+ .

Zirkonium har fire stabile isotoper: 90Zr (51,45 %), 91Zr (11,22 %), 92Zr (17,15 %), 94Zr (17,38 %) og mer enn 20 radioaktive isotoper.

Forekomst

Zirkonium utgjør 119 ppm av jordskorpen, atskillig mer enn de øvrige innskuddsgrunnstoffene (d-blokken). Forekomstene er imidlertid spredte og små. Den viktigste råstoffkilden er sand som inneholder zirkon, og slike forekomster finnes i Australia, Sør-Afrika, India, Brasil, Thailand og Ukraina. Zirkon utvinnes ofte sammen med andre mineraler som rutil og monazitt. Et annet viktig zirkoniummineral er baddeleyitt som blant annet forekommer i Brasil, Sør- og Øst-Afrika og Sri Lanka. Spor av zirkonium opptrer i jord og leire, i forskjellige kullsorter og i levende organismer. Steinprøver fra Månen har større innhold av zirkonium enn tilsvarende prøver på Jorden.

Kjemiske egenskaper

Kompakt zirkonium

Zirkononiummetall er stålgrått og er i ren form et mykt og smibart metall med et høyt smeltepunkt (2125 oC). Metallet kan lett trekkes til tynne tråder og valses til folier. Opp til 863 °C er krystallstrukturen av zirkoniummetall heksagonal tetteste kulepakning. Over den temperaturen er strukturen mindre tettpakket (kubisk romsentrert).

Metallet kan løse betydelige mengder oksygen (opptil 30 atomprosent), nitrogen og hydrogen, og små mengder av disse gjør metallet sprøere.

Zirkoniummetall er bestandig i luft ved vanlige temperaturer da det er dekket av et tynt oksidlag (som aluminium). Først ved temperaturer over ca. 400 °C fås en raskt tiltagende oksidasjon av metallet med dannelse av et oksidskall av zirkoniumdioksid, ZrO2, samtidig som oksygen løses i metallet. Det gjør zirkoniummetall uegnet som høytemperaturmateriale.

Metallet er meget korrosjonsbestandig under 400 oC. Det angripes ikke av vann, fortynnet saltsyre og svovelsyre, fosforsyre og organiske syrer, lut og annet. Det står også godt mot smeltede alkalier. Zirkonium reagerer ved høyere temperaturer med halogenene (for eksempel klor), svovel, karbon, silisium og annet med dannelse av halogenider, sulfider, karbider og silisider.

I sine kjemiske forbindelser har zirkonium oksidasjonstall –II, 0, I, II, III og IV. Det siste er det mest vanlige og stabile under normale betingelser.

Zirkoniumpulver

I pulver eller som porøs svamp er overflatearealet stort, og metallet antennes derfor lett i luft allerede ved cirka 200 °C, eventuelt ved lavere temperatur ved gnidning eller utladning av statisk elektrisitet. Det må derfor behandles forsiktig og oppbevares under argon, i metanol og annet. Fordi pulveret reagerer med både vanndamp og karbondioksid, må antent pulver slukkes ved tildekking med tørr sand eller salt.

Zirkonium og hafnium

Zirkonium og hafnium står i samme gruppe i periodesystemet og har svært like kjemiske egenskaper. Zirkoniumforekomstene inneholder derfor alltid små mengder hafnium (0,5–2 %).

Zirkonium har et meget lavt virkningstverrsnitt for termiske nøytroner (0,184 barn), og zirkonium brukes derfor som kapslingsmateriale for brenselselementer i kjernekraftverk. Virkningstverrsnittet er mye større for hafnium (104 barn), så metallet som brukes til brenselselementer må ikke inneholde mer enn 0,01 % hafnium. (Hafnium brukes i stedet i form av staver for å kontrollere nøytronfluksen i kjernekraftverket.) De to grunnstoffene skilles ved forskjellige metoder, der ekstraksjon med organiske løsemidler er den mest vanlige.

Fremstilling

Zirkonholdig sand blir oppkonsentrert og deretter smeltet med koks i elektriske lysbueovner ved cirka 3500 °C. Derved dannes zirkoniumkarbid og zirkoniumkarbidnitrid. Etter knusing omdannes disse ved behandling med klorgass til zirkoniumtetraklorid. .

Zirkoniumtetrakloridet redusere med magnesium (eventuelt sammen med natrium) i fravær av luft (oksygen og nitrogen) ved krollprosessen: ZrCl4 (g)+ 2Mg(s) → Zr(s) + 2MgCl2(s). Magnesiumkloridet og rester av magnesium metall fjernes ved destillasjon i vakuum og tilbake blir zirkoniummetall i svampaktig form. Dette smeltes ved lysbue- eller elektronstrålesmelting i vakuum. Metall som er fritt for oksygen- og nitrogen fremstilles ved termisk spalting av zirkoniumtetrajodid, ZrI4, etter van Arkel-de Boer metoden (se Anton Eduard van Arkel).

Bruk

Zirkonium brukes som legeringstilsetning til mange metaller og legeringer som stål, magnesium og aluminium. Magnesium–sink–zirkonium-legeringer utmerker seg ved stor mekanisk styrke og lav vekt og anvendes blant annet i flyindustrien. Metallet brukes også som deoksidasjonsmiddel, men da i form av ferrozirkonium, ferrosilikonzirkonium og annet.

Cirka 90 % av det zirkoniummetallet som blir produsert i verden blir brukt til kapsler for brenselselementer (av urandioksid, UO2) i kjernereaktorer, da i form av en legering (zircalloy). Denne bruken skyldes metallets gode korrosjonsbestandighet, lite virkningstverrsnitt for nøytroner og stor varmeledningsevne.

På grunn av sin store korrosjonsbestandighet har zirkonium viktige anvendelser i rørledninger, ventiler, pumper, varmevekslere med mer i kjemisk industri og næringsmiddelindustri. Det benyttes videre som getter i høyvakuumanlegg, i legeinstrumenter og kirurgiske proteser, fotoblitzlamper, tennsatser, sporammunisjon med mer.

Historie

Gulfargete enkrystaller av mineralet zirkon har fra oldtiden blitt brukt som edelstener. Navnet kommer fra arabisk hvor zerk betyr edelsten og zargum gulfarget. Den tyske kjemikeren Martin Heinrich Klaproth isolerte i 1789 et nytt oksid fra zirkon han kalte zirkonjord. Oksidet kalles zirkonia på engelsk. Zirkonia er også navnet på kunstig fremstilte smykkestener av ZrO2 som ligner diamanter.

Metallet ble første gang fremstilt av Jöns Jacob Berzelius i 1824 ved å redusere dikaliumheksafluorozirkonat, K2ZrF6, med kaliummetall. Han endte med et sort, urent pulver som ikke lot seg polere som et metall. Han kalte metallet zirkonium. Kompakt zirkoniummetall ble først fremstilt i 1914.

Fysiologisk virkning

Zirkonium har ingen kjent biologisk rolle, men finnes i kroppen i lave konsentrasjoner. Zirkoniumforbindelser brukes i enkelte midler mot svette (deodorant) slik aluminiumsforbindelser også blir brukt. Midlene minsker svetten og bakterieveksten.

Grenseverdi for zirkoniumforbindelser i arbeidsatmosfæren er satt til 5 mg Zr/m3.

Zirkonium

Kjemisk symbol Zr
Atomnummer 40
Relativ atommasse 91,224
Smeltepunkt 2125 °C
Kokepunkt 4650 °C
Densitet 6,506 g/cm3
Oksidasjonstall -II, 0, I, II, III, IV
Elektronkonfigurasjon [Kr]4d25s2

Les mer i Store norske leksikon

Kommentarer

Kommentaren din publiseres her. Fagansvarlig eller redaktør svarer når de kan.

Du må være logget inn for å kommentere.

eller registrer deg