zirkonium – Store norske leksikon

Zirkonium er et grunnstoff som har atomnummer 40 og atomsymbol Zr. I ren form er det et skinnende gråhvitt metall. Det ligner de andre grunnstoffene i gruppe 4 i periodesystemet, titan og hafnium, og det er ett av innskuddsmetallene.

Faktaboks

Uttale: sirkˈonium
Engelsk navn: zirconium
Atomsymbol: Zr
Atomnummer: 40
Relativ atommasse: 91,224

Zirkonium har fire stabile isotoper:

⁹⁰Zr (51,45 prosent)
⁹¹Zr (11,22 prosent)
⁹²Zr (17,15 prosent)
⁹⁴Zr (17,38 prosent)

Det finnes dessuten mer enn 20 radioaktive isotoper av zirkonium. Det vanligste ionet av zirkonium er Zr⁴⁺.

Forekomst

Zirkonium utgjør 119 ppm av jordskorpen, noe som er 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 høyt smeltepunkt (2125 °C). Metallet kan lett trekkes til tynne tråder og valses til folier. Ved temperaturer opp til 863 °C er krystallstrukturen av zirkoniummetall heksagonal tetteste kulepakning. Over denne 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 (i likhet med aluminium). Først ved temperaturer over ca. 400 °C skjer en raskt tiltagende oksidasjon av metallet med dannelse av et oksidskall av zirkoniumdioksid, med kjemisk formel ZrO₂, samtidig som oksygen løses i metallet. Det gjør zirkoniummetall uegnet som høytemperaturmateriale.

Metallet er svært korrosjonsbestandig under 400 °C. Det angripes ikke av verken vann, fortynnet saltsyre eller svovelsyre, fosforsyre og organiske syrer eller lut. Det står også godt mot smeltede alkalier. Zirkonium reagerer ved høyere temperaturer med halogenene (for eksempel klor), svovel, karbon og silisium 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 eller i for eksempel metanol. 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 alltid små mengder hafnium (0,5–2 prosent).

Zirkonium har et svært 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 prosent 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, som illustrert ved følgende reaksjonsligning:

\(\ce{ZrCl4 (g) + 2Mg (s) -> Zr (s) + 2MgCl2 (s)}\)

Magnesiumkloridet og rester av magnesiummetall 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 blant annet ferrozirkonium og ferrosilikonzirkonium.

Cirka 90 prosent 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 store varmeledningsevne.

På grunn av sin korrosjonsbestandighet har zirkonium viktige anvendelser i blant annet rørledninger, ventiler, pumper og varmevekslere i kjemisk industri og næringsmiddelindustri. Det brukes dessuten som getter i høyvakuumanlegg, i legeinstrumenter og kirurgiske proteser, fotoblitzlamper, tennsatser og sporammunisjon.

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.

Les mer i Store norske leksikon

Faktaboks

Smeltepunkt: 2125 °C
Kokepunkt: 4650 °C
Massetetthet: 6,506 g/cm³
Oksidasjontall: -II, 0, I, II, III, IV
Elektronkonfigurasjon: [Kr]4d²5s²

Kommentarer

Kommentarer til artikkelen blir synlig for alle. Ikke skriv inn sensitive opplysninger, for eksempel helseopplysninger. Fagansvarlig eller redaktør svarer når de kan. Det kan ta tid før du får svar.

Du må være logget inn for å kommentere.

Fagansvarlig for Stabile grunnstoffer

Annette Lykknes

Professor, NTNU – Norges teknisk-naturvitenskapelige universitet