Eine hohe Stirn, sanft geschwungene Augenbrauen, darunter ein wacher Blick aus hellblauen Augen: Der 1743 geborene Martin Heinrich Klaproth war einer der bedeutendsten deutschen Chemiker.
Geboren im Harz als Sohn eines armen Schneiders, startete er seine Karriere in einer kleinen Ratsapotheke, die ihn später auf den Vorschlag Alexander von Humboldts zu einer Professur in Chemie bis an die Berliner Universität führen sollte.
Klaproth entdeckte Uran, das chemische Element Cer und im Jahre 1789 – Zirkonium. Benannt wurde es nach dem Mineral Zirkon, ein bereits in der Antike bekannter Schmuckstein, in dessen aus Ceylon stammender Probe der Chemiker erstmals das Element Zirkonium nachweisen konnte. Und obwohl Zirkonium der Allgemeinheit kaum ein Begriff ist, ist es gar nicht mal selten – es kommt beispielsweise häufiger vor als das viel bekanntere Kupfer.
Vielleicht liegt der geringere Popularitätsgrad auch einfach an dem sperrigen Namen, denn die Eigenschaften des überwiegend in den USA, Australien und Südamerikas vorkommenden Metalls sind bemerkenswert: So bindet es zwar einerseits Gase wie Sauerstoff, Stickstoff und Kohlendioxid, hat andererseits jedoch eine hohe Durchlässigkeit für Neutronen. Dies macht es ideal als Hüllrohrmaterial für Brennelemente in Atomkraftwerken, wo es auch die höllischen Bedingungen im Kern eines laufenden Atomreaktors problemlos übersteht.
Weitere Einsatzmöglichkeiten sind bei der Desoxidation und Entschwefelung von Stählen oder als Gettermaterial für Vakuumpumpen zu finden. Drei Firmen gelten dabei als wichtigste Produzenten: Areva in Frankreich, Toshiba in Japan und Wah Chang in den USA.
Doch auch in Schmuckläden findet man es als Zirconiumdioxid, auch Zirkonia genannt: Es ist das beliebteste Imitat von Diamanten, denen es in punkto Strahlkraft in nichts nachsteht. Man kann es auch anders sehen: Diamanten sind nichts anderes als überteuertes Zirkonia! Und wer weiß – vielleicht hat Klaproth bei seiner Hochzeit 1780 ja schon unwissentlich Ringe aus Zirkonia gekauft?
Spezifikationen:
Schmelzpunkt: 1857 °C
Spezifisches Gewicht: 6,51 g/cm3
Farbe: Silber-metallisch
Siedepunkt: 4408 °C
Weltjahresproduktion ca.: 920 000 Tonnen
Massenanteil / Erdhülle: 0,021 ppm
Wertentwicklung:
Im Jahr 2021: – 6,76%
Im Jahr 2022: +18,12%
Verwendung:
Die Geschichte von Zirkonium reicht weit zurück und zeichnet eine beeindruckende Entwicklung von einem antiken Schmuckstein zu einem wichtigen Element für moderne High-Tech-Anwendungen nach.
Antike Schätze und Entdeckung des Elements
Bereits in der Antike war das zirconiumhaltige Mineral Zirkon (Zr[SiO4]) als Schmuckstein bekannt und geschätzt. Seine lebendigen Farben und attraktiven Eigenschaften machten Zirkon zu einem beliebten Material für Schmuck und Dekoration. Doch der wahre Durchbruch für Zirkonium kam im späten 18. Jahrhundert.
Im Jahr 1789 entdeckte der deutsche Chemiker Martin Heinrich Klaproth das Element Zirkonium in einer Probe des Minerals Zirkon, die aus Ceylon stammte. Beeindruckt von den Eigenschaften dieses Elements, benannte er es nach dem Mineral, aus dem es extrahiert wurde. Dieser Meilenstein führte zur offiziellen Benennung des Elements als Zirkonium.
Die erste erfolgreiche Darstellung von Zirkonium erfolgte im Jahr 1824 durch den schwedischen Chemiker Jöns Jakob Berzelius. Er reduzierte K2ZrF6 mit Kalium und erzielte so die Isolierung von Zirkonium. Dieser Prozess beinhaltete eine aufwändige Prozedur, bei der flusssaures Zirkon-Kali mit Kalium in einer eisernen Röhre erhitzt wurde. Nach mehreren Schritten der Behandlung mit Wasser, Trocknen und Erhitzen mit verdünnter Salzsäure erhielt Berzelius schließlich das ersehnte Zirkonium als „klumpiges Pulver“.
Die Herausforderung der Atommasse und die Entdeckung neuer Anwendungen
Die genaue Bestimmung der Atommasse von Zirkonium gestaltete sich zunächst als schwierig. Erst im Jahr 1924 gelang es, die korrekte Atommasse zu ermitteln. Dieses Unterfangen gestaltete sich komplex, da zuvor nicht bekannt war, dass Zirkonium immer geringe Mengen des Elements Hafnium enthält. Diese Tatsache beeinflusste die Ergebnisse der Messungen, die ohne dieses Wissen stets eine leicht erhöhte Atommasse ergaben.
Die erste praktische Anwendung von Zirkonium war der Einsatz als rauchloses Blitzlichtpulver. Diese Innovation markierte den Anfang einer Vielzahl von High-Tech-Anwendungen für dieses Element.
Vom Schmuckstein zur High-Tech-Anwendung
Die Geschichte von Zirkonium ist eine faszinierende Reise von den edlen Schätzen der Antike zu den Hightech-Anwendungen der modernen Welt. Heute ist Zirkonium ein unverzichtbares Element in einer breiten Palette von Industrien. Von der Luft- und Raumfahrt bis zur Medizintechnik wird Zirkonium für seine einzigartigen Eigenschaften geschätzt.
Die Geschichte von Zirkonium erinnert uns daran, wie einstige Schätze zu entscheidenden Bausteinen für Innovationen werden können. Von Schmucksteinen zu modernen Anwendungen bleibt Zirkonium ein Symbol für Fortschritt und Wandel.
Vorkommen und Gewinnung
Zirkonium ist ein faszinierendes Element, das in der Natur zwar weit verbreitet ist, aber oft nur in geringen Mengen vorkommt. Die Gewinnung von Zirkonium erfordert komplexe Verfahren, um es in seine verschiedenen Verbindungen umzuwandeln.
Zirkonium kommt in der Erdkruste mit einem Gehalt von etwa 0,016% vor und steht damit an der 18. Stelle in der Liste der häufigsten Elemente. Es mag zwar nicht so bekannt sein wie Chlor oder Kupfer, aber es ist dennoch häufiger vorhanden als man denkt. Allerdings findet man Zirkonium meist in kleinen Kristallen von nur etwa 0,1 mm Größe, was es früher als seltenes Element erscheinen ließ. Dieses vielseitige Element wird vor allem in silikatischen Intrusivgesteinen wie Granit gefunden und ist oft eng mit Hafnium verbunden. Zirkon, auch bekannt als Zirkoniumsilikat, ist das älteste bekannte Mineral auf der Erde und wird aufgrund seiner enthaltenen radioaktiven Isotope zur Altersbestimmung verwendet.
Die Gewinnung von Zirkonium erfolgt in mehreren Schritten, um es aus seinen natürlichen Verbindungen zu isolieren. In der Regel werden sekundäre Lagerstätten, so genannte Seifenlagerstätten, genutzt. Diese entstehen durch die Verwitterung umliegender Gesteine, bei der nur das verwitterungsresistente Zirkon zurückbleibt. Wasserströmungen können Zirkonkristalle ausspülen und an anderen Stellen ansammeln.
Der erste Schritt in der Gewinnung von Zirkonium besteht darin, Zirkon in Zirkoniumdioxid umzuwandeln. Dies geschieht durch einen Prozess namens „alkalischer Aufschluss“, bei dem Zirkon in einer Natriumhydroxid-Schmelze gekocht wird. Das gewonnene Zirkoniumdioxid wird dann weiter behandelt, indem es mit Koks im Lichtbogen zu Zirkoniumkarbonitrid umgesetzt und anschließend mit Chlor zu Zirconiumtetrachlorid weiterverarbeitet wird.
Eine direkte Reduktion von Zirkoniumdioxid mit Kohlenstoff ist aufgrund der Entstehung schwer zu trennender Carbide nicht möglich. Stattdessen wird Zirconiumtetrachlorid im Kroll-Prozess mit Magnesium in einer Helium-Atmosphäre zu Zirkoniummetall reduziert.
Um hochreines Zirkonium zu gewinnen, kann das Van-Arkel-de-Boer-Verfahren angewendet werden. Dabei wird Zirkonium mit Iod in einem Autoklaven erhitzt, um Zirkoniumtetraiodid zu bilden. Anschließend wird Zirkoniumtetraiodid bei hohen Temperaturen zerlegt, wodurch reines Zirkonium entsteht.
Trennung von Zirkonium und Hafnium
Eine besondere Herausforderung bei der Gewinnung von Zirkonium ist die Trennung von Hafnium, das oft in natürlichen Zirkoniumquellen vorhanden ist. Extraktionsverfahren, Ionenaustauscher und fraktionierte Destillation werden genutzt, um die unterschiedlichen Eigenschaften von Zirkonium und Hafnium auszunutzen und eine reine Zirkoniumquelle zu erhalten.
Eigenschaften
Zirkonium, ein faszinierendes Schwermetall, besitzt eine beeindruckende Palette von Eigenschaften, die es zu einem unverzichtbaren Element in verschiedenen Anwendungen machen. Von seinen physikalischen bis hin zu seinen chemischen Eigenschaften, Zirkonium ist ein wahres Multitalent:
Physikalische Eigenschaften
Zirkonium präsentiert sich als silbrig-glänzendes Schwermetall mit einer Dichte von 6,51 g/cm³. Sein Äußeres erinnert an Stahl, jedoch besitzt es seine ganz eigenen inneren Strukturen. Tatsächlich kristallisiert Zirkonium in zwei verschiedenen Modifikationen, die durch Temperaturveränderungen hervorgerufen werden können. Bei Temperaturen unter 876 °C nimmt es eine hexagonal dichteste Kugelpackung (α-Zr) an, während es oberhalb dieser Temperatur in eine kubisch raumzentrierte Kugelpackung (β-Zr) übergeht.
Die Biegsamkeit und Verarbeitbarkeit von Zirkonium sind bemerkenswert. Es lässt sich durch Walzen, Schmieden und Hämmern leicht formen. Allerdings kann das Vorhandensein geringer Verunreinigungen wie Wasserstoff, Kohlenstoff oder Stickstoff im Metall seine Sprödigkeit erhöhen und die Verarbeitung erschweren. Obwohl die elektrische Leitfähigkeit von Zirkonium nicht so hoch ist wie bei anderen Metallen – etwa nur 4 % von der des Kupfers – zeigt es eine ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit. Verglichen mit seinem leichteren Homologen Titan besitzt Zirkonium sowohl einen höheren Schmelzpunkt (1857 °C gegenüber 1667 °C) als auch eine bessere elektrische und Wärmeleitfähigkeit. Bei Temperaturen unter 0,55 K zeigt Zirkonium zudem supraleitende Eigenschaften.
Die Ähnlichkeit der Eigenschaften zwischen Zirkonium und seinem schwereren Homologen Hafnium beruht auf der Lanthanoidenkontraktion. Dies resultiert in ähnlichen Atomradien (Zr: 159 pm, Hf: 156 pm) und somit vergleichbaren Eigenschaften. Dennoch unterscheiden sich die beiden Metalle erheblich in ihrer Dichte (Zr: 6,5 g/cm³, Hf: 13,3 g/cm³).
Eine bemerkenswerte Eigenschaft von Zirkonium, die es im Reaktorbau besonders wertvoll macht, ist seine geringe Neutroneneinfangquerschnitt. Diese Eigenschaft unterscheidet es deutlich von Hafnium und macht die aufwändige Trennung der beiden Metalle für spezielle Anwendungen erforderlich.
Chemische Eigenschaften
Zirkonium zeigt sich als unedles Metall, das bei erhöhten Temperaturen mit vielen Nichtmetallen reagiert. Besonders als Pulver neigt es zur Verbrennung mit einer charakteristischen weißen Flamme, wobei Zirkoniumdioxid, Zirconiumnitrid und Zirconiumoxinitrid entstehen können. In kompakter Form reagiert es erst bei hoher Temperatur mit Sauerstoff und Stickstoff. Unter erhöhtem Druck kann Zirkonium auch bei Raumtemperatur mit Sauerstoff reagieren, da das entstandene Zirconiumoxid im geschmolzenen Metall löslich ist.
Zirkonium bildet an der Luft eine dichte Zirconiumoxidschicht, die es passiviert und somit reaktionsträge macht. Es ist nahezu in allen Säuren unlöslich, lediglich Königswasser und Flusssäure zeigen bei Raumtemperatur Wirkung. Wässrige Basen hingegen zeigen keine Reaktion mit Zirkonium.
Die einzigartigen physikalischen und chemischen Eigenschaften von Zirkonium machen es zu einem vielseitigen Element, das in einer breiten Palette von Anwendungen zum Einsatz kommt. Von der Raumfahrt bis zur medizinischen Technologie ist Zirkonium unverzichtbar und trägt zur Fortschreitung unserer modernen Welt bei.
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