Hulp bij leren Periodiek systeem

Zirkonium

chemisch-element

40

Zr/Zirkonium

Zirkonium is een hard, zilverachtig metaal. Ongeveer 90 % van de zirkoniumproductie is bestemd voor de kernreactortechnologie. Het metaal absorbeert nauwelijks neutronen en is goed bestand tegen straling en corrosie. Fijne spaanders zirkonium zijn daarentegen tamelijk reactief: ze kunnen spontaan ontbranden. Zirkoonoxide is een prachtige imitatiediamant.

Symbool

Protonen/elektronen

Groep

Isotopen

⁹⁰Zr, ⁹¹Zr, ⁹²Zr, ⁹⁴Zr, ⁹⁶Zr

Periode

Elektronenconfiguratie

[Kr] 5s² 4d²

Blok

Elektronencofiguratie Bohr

2,8,18,10,2

Bij kamertemperatuur

vast

Elektronegativiteit

1,2 (Pauling)

Dichtheid

6510 kg m^-3

Atoomstraal

157 ^. 10^-12m

Smeltpunt

1855 ^oC (2128 K)

Relatieve atoommassa

91.224

Kookpunt

4409 ^oC (4682 K)

Soortelijke warmte

278 J kg^-1K^-1

Warmtegeleidingscoëfficiënt

Selecteer

Toepassingen

Naam & ontdekking

Voorkomen

Bereiding

Beeld en audio

Toepassingen

Naam & ontdekking

Voorkomen

Bereiding

Beeld en audio

Toepassingen

Splijtstofomhulsel

Ongeveer 90 % van de zirkoniumproductie is bestemd voor de kernreactortechnologie. Het metaal absorbeert nauwelijks neutronen en is goed bestand tegen straling en corrosie.

In een kernreactor zijn de uraniumoxide splijtstofstaven omhuld door een mantel van Zircalloy, dat is een legering van zirkonium met kleine hoeveelheden tin, ijzer, chroom, niobium en nikkel. Ook de reactor van de eerste nucleaire onderzeeër, de Nautilus, was hiermee uitgerust.

Voor de nucleaire toepassing van zirkonium (en de legeringen daarvan) gelden strenge voorschriften. Boven een temperatuur van 750°C verdwijnt de beschermende oxidelaag op het metaaloppervlak en kan een reactie met water optreden. Daarbij ontstaat het explosieve waterstof. Dit heeft onder meer een rol gespeeld in de ongelukken met kernreactoren in Tsjernobyl (Oekraïne, 1986) en Fukushima (Japan, 2011).

Slaghoedje (munitie)

Slaghoedjes bestaan uit een dun metalen hulsje met daarin een gemakkelijk te detoneren stof. De detonatie van het slaghoedje brengt de rest van de springstof in de munitie tot ontploffing. Om de veiligheid te kunnen garanderen moet het materiaal van de slaghoedjes in hoge mate corrosie bestendig zijn. Zirkoniumlegeringen zijn hiervoor zeer geschikt.

Namaakdiamant

Een goed geslepen kristal zirkoniumoxide (ZrO₂, zirkonia) is een uitstekende ‘imitatiediamant’. De kristallen hebben vergelijkbare optische eigenschappen, zijn bijna net zo hard als diamant en worden nauwelijks aangetast. Ze zijn wel honderd tot driehonderd keer goedkoper dan vergelijkbare echte diamanten. Zirkonia is in het laboratorium te fabriceren.

Daarnaast kom je ook het natuurlijke mineraal zirkoon (zirkoniumsilicaat, ZrSiO₄) in allerlei sieraden tegen. Afhankelijk van sporen van andere elementen kan de kleur van de steen sterk variëren. In Zweden, Rusland (Oeral) en Australië zijn veel heldere kristallen te vinden die als imitatiediamant kunnen fungeren. In Sri-Lanka vind men roodachtige en gele stenen en in Thailand hemelsblauwe varianten. Verder zijn er diverse geelgroene en diepgroene variëteiten.

Vuurvaste bekleding

De wanden van chemische reactoren en van industriële ovens (bijvoorbeeld voor de bereiding van staal en glas) moeten hittebestendig en inert zijn. Daarvoor worden ze vaak bekleed met zirkoniumoxide (ZrO₂) of zirkoniumsilicaat (ZrSiO₄), eventueel gemengd met andere materialen. Dat maakt ze chemisch nauwelijks aantastbaar en bestand tegen zeer hoge temperaturen. Bovendien is het warmte geleidingsvermogen relatief gering.

Zuurstofmeter

Het meten van zuurstofgehaltes gebeurt onder andere met een elektrochemische cel waarin het elektrolyt uit zirkoniumoxide (ZrO₂) bestaat, met kleine toevoegingen van zeldzame aarden. Je kunt er bijvoorbeeld het zuurstofgehalte in gesmolten metalen mee meten.

Een bekende toepassing is de l-sonde in personenauto’s. Die meet het zuurstofgehalte in het uitlaatgas zodat het motor management systeem in staat is de optimale lucht/brandstof verhouding te regelen. Dit is vooral van belang voor de optimale werking van de driewegkatalysator, die de schadelijke componenten in het uitlaatgas omzet in voornamelijk CO₂, H₂O en N₂.

Meer toepassingen

Als element en in legeringen

Buizen voor het vervoer van chemische stoffen
Chirurgische instrumenten
Lichtkogels en -spoormunitie (poeder)
Ontzwaveling van gietijzer en staal (ferrozirkoon, Zr met Fe en Si)
Raketmotor
Reductiemetaal in de gieterij
Supergeleiding (Zr met Nb of Zr met Zn)
Waterstofopslag (zeer fijn verdeeld)

In verbindingen

Antitranspirant	Al₄ZrCl₄(OH)₁₂, AlZr(OH)₅Cl
Brandwerend en waterafstotend maken van textiel	Zr(SO₄)₂
Contrastmiddel bij röntgenstralen	ZrO₂
Drager voor katalysatoren	ZrO₂
Flitslamp	Zr(NO₃)₂
Geneeskunde:
– Keramische implantaten (bv heupkoppen)	ZrO₂/Al₂O₃
– Röntgenonderzoek van maag en darm	ZrO2
Leerbewerking	Zr(SO₄)₂
Pigment voor glazuur en email (ondoorschijnend maken)	ZrO₂, Zr(SO₄)₂
Pigment in kunststof (geel, bijvoorbeeld in kratten)	ZrSiO₄
Smeltkroes	ZrO₂ (met MgO)
Snij-, slijp- en schuurgereedschap	ZrC₂
Zandstralen (Zircosil®, zirkoonzand)	ZrSiO₄

Naam & ontdekking

Naam

De naam zirkonium is afkomstig van zirkoon, het mineraal waarin het ontdekt is. Die naam is afgeleid van het Arabische ‘zarkoen’ en het Perzische ‘zargûn’, dat goudkleurig betekent (zar = goud, gû = kleur). Soms wordt met de naam zirkoon ook wel het element aangeduid, met name in samenstellingen (bijvoorbeeld: zirkoonoxide).

Ontdekking

De Duitse chemicus Martin Heinrich Klaproth (foto) ontdekte het nieuwe element in 1789 in het mineraal jargon (zirkoon) afkomstig van Ceylon (Sri Lanka). Hij isoleerde een nieuwe ‘aarde’ die hij zirkoonaarde noemde: zirkoniumoxide.

Pas in 1824 isoleerde de Zweed Jöns Jacob Berzelius metallisch zirkonium door reductie van kaliumzirkoniumfluoride met kalium. Het was niet erg zuiver.

In 1925 ontwikkelden de Nederlandse chemici Anton Eduard van Arkel en Jan Hendrik de Boer het naar hen genoemde proces dat zeer zuiver zirkonium oplevert (via ontleding van zirkoniumjodide; zie het tabblad bereiding).

Voorkomen

Zirkonium is het 18^eelement in de lijst van meest voorkomende elementen in de aardkorst. Het aandeel is 0,0165 % (op basis van gewicht).

Ook op de zon, in meteorieten en sterren is zirkonium aangetoond, evenals in maanstenen.

Het is aanwezig in de mineralen:

Baddeleyiet of zirkoonaarde	ZrO₂
Hyacinth (zirkoon in edelsteenkwaliteit)	ZrSiO₄
Zirkeliet	(Ca,Th,Ce)Zr(Ti,Nb)₂O₇
Zirkiet	mengsel van zirkoon en zirkoonaarde
Zirkoon (foto)	ZrSiO₄

Zirkonium komt ook voor in de meeste titaanhoudende mineralen zoals rutiel, titaniet, ilmeniet.

Winning

De belangrijkste wingebieden voor zirkonium liggen in Australië, Zuid-Afrika, de Verenigde Staten van Amerika (Florida), Oekraïne, Brazilië, Canada, Burma, Rusland, Kazachstan, Noorwegen, India, Sri Lanka, Pakistan, Thailand, Cambodja, Madagascar en Vietnam.

Baddeleyiet is voornamelijk in Brazilië te vinden.

De EU heeft met de Critical Raw Materials Act in 2022 het element zirkonium op de lijst van schaarse en strategische grondstoffen gezet.

Bereiding

Vroeger

De Zweed Jöns Jacob Berzelius was in 1924 de eerste die metallisch zirkonium maakte, door reductie van kaliumzirkoniumfluoride met kalium. Het was niet erg zuiver. Zirkonium werd daarna ook wel bereid door reductie van zirkoniumoxide (ZrO₂) met calcium, of door reductie van zirkoniumchloride (ZrCl₄) met natrium (bij 500 °C in vacuüm).

Tegenwoordig

Nu past men vooral het Kroll-proces toe. Dit begint met het oplossen van zirkonzand (met daarin het mineraal zirkoon (ZrSiO₄)) in salpeterzuur (HNO₃).

Voor gebruik in kernreactoren moet zirkonium hafniumvrij zijn. Hafnium komt vrijwel altijd in de zirkoniumertsen voor, maar heeft een veel te hoge neutronenabsorptie. Het mag daarom voor ten hoogste 0,01 % in metallisch zirkonium voorkomen. De verwijdering van hafnium gebeurt door vloeistofextractie van de nitraten, sulfaten of thiocyanaten met tri-n-butyl-fosfaat (TBP) of 4-methyl-2-pentanon.

De volgende stap is het in oplossing aanwezige zirkonium neer te slaan in de vorm van organische zirkoniumverbindingen. Deze worden gemengd met grafiet waarna behandeling met chloorgas tot zuiver zirkoniumchloride (ZrCl₄) leidt. Dit wordt vervolgens in een argonatmosfeer bij 800 °C met magnesium gereduceerd. Het resultaat is een harde, redelijk zuivere zirkoniumspons. Deze wordt samengeperst en onder vacuüm in een vlamboog gesmolten. Het aldus gevormde zirkonium wordt nog een laatste keer gezuiverd door smelten in een koperen kroes, die met water wordt afgekoeld om ieder contaminatie met gassen uit de atmosfeer te vermijden.

Bijzonder zuiver zirkonium is te maken met het in 1925 ontwikkelde proces van de Nederlandse chemici Anton Eduard van Arkel en Jan Hendrik de Boer. Hierbij wordt onzuiver zirkonium in een vat met zeer lage druk gebracht, waarin zich wat jood bevindt. Bij verhitting tot ongeveer 200 °C reageert het zirkonium tot ZrI₄. Dit verdampt en ontleedt in de buurt van een hete gloeidraad met een temperatuur van circa 1.300 °C) in jood en zirkonium. Het gevormde zirkonium slaat neer op de gloeidraad (van wolfraam of zirkonium).

Bekijk foto’s en filmpjes