zirkonium – Store norske leksikon (original) (raw)
Zirkonium er det 40. grunnstoffet i periodesystemet. Det har atomnummer 40, atommasse 91,22 og atomsymbol Zr.
Zirkonium er et grunnstoff som i ren form er et skinnende gråhvitt metall. Zirkonium og zirkoniumforbindelser har mange ulike bruksområder. Det er blant annet et viktig materiale i atomreaktorer, og det brukes i deodoranter.
Faktaboks
Engelsk navn
zirconium
Zr
40
91,22
Zirkonium tilhører gruppe 4 i periodesystemet, og det er ett av innskuddsmetallene. Det ligner de andre grunnstoffene i gruppe 4, titan og hafnium.
Zirkonium er et smibart metall. Metallet korroderer i liten grad fordi det dannes et oksidlag på overflaten, og det løses ikke i vanlige syrer eller baser. I pulverform regnes zirkonium som brannfarlig fordi oksidet er svært stabilt og fordi reaksjonen skjer svært raskt. Pulveret brenner dermed lett.
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 reduksjonsmiddel, men da i form av blant annet ferrozirkonium og ferrosilikonzirkonium. Zirkonium benyttes dessuten i implantater og i proteser. Ettersom kroppen ikke reagerer på zirkonium, er det biokompatibelt.
Kapsler for brenselselementer i kjernereaktorer
Cirka 90 prosent av det zirkoniummetallet som blir produsert i verden, blir brukt i kjernereaktorer.
Cirka 90 prosent av zirkoniummetallet som blir produsert i verden, blir brukt til kapsler for brenselselementer av urandioksid, UO2, i kjernereaktorer, da i form av en legering (zirkalloy). Denne bruken skyldes metallets gode korrosjonsbestandighet og store varmeledningsevne, og at det i liten grad absorberer nøytroner.
I rør, pumper og instrumenter
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.
I deodorant
Forbindelser av zirkonium brukes også i forskjellige sammenhenger. Zirkoniumforbindelser brukes blant annet i enkelte midler mot svette (deodorant) på samme måte som aluminiumsforbindelser også blir brukt. Midlene minsker svetten og bakterieveksten.
I glasering av keramer
Store mengder av zirkoniumsilikatet zirkon finnes som sand. Denne sanden ble i lang tid brukt som ildfast materiale i beholdere for metallsmelter og som vegger i høytemperaturovner. I dag brukes zirkon ved glasering av keramer. Blå glasering skyldes zirkon med vanadium, mens gul glasering oppnås i blandinger med praseodym.
I edelstener
Zirkonia-edelsten.
Zirkonia, ZrO2, er en syntetisk edelsten som ligner diamanter. Zirkonia brukes også som et høytemperaturmateriale. Det smelter først ved 2500 °C og brukes i digler, i keramiske materialer og som slipemiddel. Det samme materialet, riktig dopet med yttrium, kan brukes som elektrolytt i høytemperatur-brenselceller. Dette materialet leder oksygen-ioner hurtig ved høye temperaturer slik at den elektrokjemiske reaksjonen mellom hydrogen og oksygen muliggjøres.
I matpapir
Overflaten på papir som skal i kontakt med mat dekkes med zirkoniumkarbonat. Dette har god motstandsevne mot fuktighet og stor styrke.
Forekomst
Naturlig zirkon, ZrSiO4.
Zirkonium utgjør 119 ppm av jordskorpen, noe som er atskillig mer enn de øvrige innskuddsmetallene (d-blokken). Det finnes dobbelt så mye zirkonium som kobber eller sink, og grunnstoffet er ti ganger så vanlig som bly. 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. Rundt 900 000 tonn zirkon tas ut årlig. 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.
Meteoritter inneholder også zirkonium. Steinprøver fra Månen har større innhold av zirkonium enn tilsvarende prøver på Jorden. I enkelte typer stjerner, de såkalte S-type stjernene, er zirkonium vanligere enn på Jorden.
I kroppen
Zirkonium har ingen kjent biologisk rolle, men finnes i kroppen i lave konsentrasjoner.
Både metallet og saltene til metallet er lite giftige. Grenseverdi for zirkoniumforbindelser i arbeidsatmosfæren er satt til 5 milligram per kubikkmeter.
Historie
Den svenske kjemikeren Jöns Jacob Berzelius var i 1824 den første som isolerte zirkonium, om enn bare i uren tilstand.
Gulfargede 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 som han kalte zirkonjord. Oksidet kalles zirconia på engelsk.
Metallet ble første gang fremstilt av den svenske kjemikeren 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.
Rent zirkonium ble fremstilt først i 1925 av de nederlandske kjemikerne Anton Eduard van Arkel og Jan Hendrik de Boer (1899–1971). De dekomponerte zirkoniumtetraklorid og produserte på den måten et formbart metall som kunne dras til tråder.
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).
Årsproduksjonen av metallisk zirkonium er på rundt 7 000 tonn. Tilsvarende tall for den kunstige edelstenen zirkonia er 25 000 tonn.
Kjemiske egenskaper
Zirkonium er et innskuddsmetall og tilhører gruppe 4 i periodesystemet. Det ligner de andre grunnstoffene i gruppe 4, titan og hafnium.
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. Det vanligste ionet av zirkonium er Zr4+.
Metallisk zirkonium
Zirkoniummetall som nettopp har blitt fjernet fra en beskyttende atmosfære.
Zirkoniummetallet etter å ha vært eksponert for luft i mer enn et år. Overflaten har blitt oksidert og er derfor mørkere og mindre blank.
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 cirka 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.
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.
Isotoper
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.
Les mer i Store norske leksikon
Eksterne lenker
Høyrent zirkonium.
Faktaboks
2125 °C
4650 °C
6,506 g/cm³
-II, 0, I, II, III, IV
[Kr]4d²5s²