Zr/Zirkonium
chemisch-element
Exact wat je zoekt

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

Zr

Protonen/elektronen

40

Groep

4

Isotopen

90Zr, 91Zr, 92Zr, 94Zr, 96Zr

Periode

5

Elektronenconfiguratie

[Kr] 5s2 4d2

Blok

d

Elektronencofiguratie Bohr

2,8,18,10,2

Bij kamertemperatuur

vast

Elektronegativiteit

1,2 (Pauling)

Dichtheid

6510 kg m-3

Atoomstraal

157 . 10-12 m

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

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

AntitranspirantAl4ZrCl4(OH)12, AlZr(OH)5Cl
Brandwerend en waterafstotend maken van textielZr­(SO4)2
Contrastmiddel bij röntgenstralenZrO2
Drager voor katalysatorenZrO2
FlitslampZr(NO3)2
Geneeskunde:
Keramische implantaten (bv heupkoppen)ZrO2/Al2O3
Röntgenonderzoek van maag en darmZrO2
LeerbewerkingZr(SO4)2
Pigment voor glazuur en email (ondoorschijnend maken)ZrO2, Zr(SO4)2
Pigment in kunststof (geel, bijvoorbeeld in kratten)ZrSiO4
SmeltkroesZrO2 (met MgO)
Snij-, slijp- en schuurgereedschapZrC2
Zandstralen (Zircosil®, zirkoonzand)ZrSiO4

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 18element 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 zir­koonaardeZrO2
Hyacinth (zirkoon in edelsteenkwaliteit)ZrSiO4
Zirkeliet(Ca,Th,Ce)Zr(Ti,Nb)2O­7
Zirkietmengsel 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
filmpje icoon Zirkonium - Periodic Videos
Filmpje
Zirkonium - Periodic Videos
Bekijk het filmpje
afbeelding icoon Elektronenschillen zirkonium
Afbeelding
Elektronenschillen zirkonium
Bekijk de afbeelding
afbeelding icoon Zirkonium
Afbeelding
Zirkonium
Bekijk de afbeelding
afbeelding icoon Zirkonium
Afbeelding
Zirkonium
Bekijk de afbeelding
afbeelding icoon Zirkonium staaf
Afbeelding
Zirkonium staaf
Bekijk de afbeelding
afbeelding icoon Zirkonium bar
Afbeelding
Zirkonium bar
Bekijk de afbeelding
Beluister podcasts (Engels)
podcast icoon Zirkonium - Royal Society of Chemistry
Podcast
Zirkonium - Royal Society of Chemistry
Luister de podcast

Scheikunde studeren

Wat vinden zij van de studies en het werk?

studieorientatie icoon Werken aan nieuwe technieken voor windenergie Indicatie dat de post een filmpje is
Hbo | Chemie
Studie
Werken aan nieuwe technieken voor windenergie
Vierdejaars student Mart vindt zijn hbo-opleiding top!
Bekijk het filmpje
studieorientatie icoon Je bent wel met serieus werk bezig Indicatie dat de post een filmpje is
Hbo | Chemie
Studie
Je bent wel met serieus werk bezig
Docenten en studenten vertellen over de hbo-studie Chemie.
Bekijk het filmpje
studieorientatie icoon Goed persoonlijk contact met docenten Indicatie dat de post een filmpje is
Hbo | Chemie
Studie
Goed persoonlijk contact met docenten
Matthew koos na het mbo voor de opleiding Chemie.
Bekijk het filmpje
studieorientatie icoon Chemie is alles op kleine schaal Indicatie dat de post een filmpje is
Hbo | Chemie
Studie
Chemie is alles op kleine schaal
Adinda neemt je mee naar de hbo-opleiding Chemie.
Bekijk het filmpje
studieorientatie icoon Ik leer ook van dingen naast mijn studie Indicatie dat de post een filmpje is
Hbo | Chemie
Studie
Ik leer ook van dingen naast mijn studie
Nick studeert Chemie en heeft een top tijd.
Bekijk het filmpje
studieorientatie icoon Positief bijdragen aan het leven van mensen
Hbo | Chemie
Studie
Positief bijdragen aan het leven van mensen
Anna, David en Joeri kijken terug op hun studietijd.
Bekijk het interview
studieorientatie icoon Je hoeft geen nerd of slimbo te zijn Indicatie dat de post een filmpje is
Hbo | Chemie
Studie
Je hoeft geen nerd of slimbo te zijn
Proef de sfeer bij de opleiding Chemie in Rotterdam.
Bekijk het filmpje
studieorientatie icoon Je bent bij deze studie geen nummer!
Hbo | Chemie
Studie
Je bent bij deze studie geen nummer!
Lees hoe Marjolein Chemische Technologie vindt.
Bekijk het interview
studieorientatie icoon Hoe is dat eigenlijk, chemie studeren?
Hbo | Chemie
Studie
Hoe is dat eigenlijk, chemie studeren?
De wereld van chemie is groter dan je denkt.
Bekijk het interview
studieorientatie icoon Diploma (bijna) gehaald en nu!?
Hbo | Chemie
Studie
Diploma (bijna) gehaald en nu!?
Lees waarom Femke koos voor het hbo na het vwo.
Bekijk het artikel
studieorientatie icoon Chemie is meer dan alleen maar deeltjes Indicatie dat de post een filmpje is
Hbo | Chemie
Studie
Chemie is meer dan alleen maar deeltjes
Ontdek de studie Chemische Technologie samen met Miriam!
Bekijk het filmpje
studieorientatie icoon We hebben hier een geweldig lab Indicatie dat de post een filmpje is
Hbo | Chemie
Studie
We hebben hier een geweldig lab
Sanne, Justus en Boyd vertellen waarom zij kozen voor Utrecht.
Bekijk het filmpje
studieorientatie icoon Ik haalde vroeger zesjes voor scheikunde Indicatie dat de post een filmpje is
Hbo | Chemie
Studie
Ik haalde vroeger zesjes voor scheikunde
Student Sanne vertelt over de studie Chemie aan de HAN.
Bekijk het filmpje
studieorientatie icoon Risheet doet twee hbo-opleidingen Indicatie dat de post een filmpje is
Hbo | Chemie
Studie
Risheet doet twee hbo-opleidingen
Hij vertelt hoe hij de hbo-opleidingen BML en Chemie combineert.
Bekijk het filmpje
studieorientatie icoon Chemische Technologie studeren in Groningen Indicatie dat de post een filmpje is
Hbo | Chemie
Studie
Chemische Technologie studeren in Groningen
Wenke en Jeroen laten je zien wat de opleiding inhoudt.
Bekijk het filmpje
studieorientatie icoon Vicky vond de bètavakken leuk Indicatie dat de post een filmpje is
Hbo | Chemie
Studie
Vicky vond de bètavakken leuk
Bij Chemische Technologie zit ze nu op haar plek.
Bekijk het filmpje
studieorientatie icoon Foute keuzes bestaan niet
Hbo | Chemie
Studie
Foute keuzes bestaan niet
Judesha vertelt over haar studiekeuze proces.
Bekijk het artikel
studieorientatie icoon Tom loopt stage bij Teijin Aramid Indicatie dat de post een filmpje is
Hbo | Chemie
Stage
Tom loopt stage bij Teijin Aramid
Tom is student Chemische Technologie en laat zijn stagewerkplek zien.
Bekijk het filmpje
studieorientatie icoon Bo koos voor Chemische Technologie Indicatie dat de post een filmpje is
Hbo | Chemie
Studie
Bo koos voor Chemische Technologie
Bo is enthousiast over haar hbo-opleiding. Bekijk de filmpjes.
Bekijk het filmpje
studieorientatie icoon Jij en chemie? Dat geloof ik niet Indicatie dat de post een filmpje is
Hbo | Chemie
Studie
Jij en chemie? Dat geloof ik niet
Elisa is nu vierdejaarsstudent Chemie in Amsterdam.
Bekijk het filmpje
studieorientatie icoon Praktijklessen vind ik leuk om te doen Indicatie dat de post een filmpje is
Hbo | Chemie
Studie
Praktijklessen vind ik leuk om te doen
Nighel studeert Chemie, bekijk zijn filmpje!
Bekijk het filmpje
studieorientatie icoon Het mooie aan deze studie zijn de grote labs Indicatie dat de post een filmpje is
Hbo | Chemie
Studie
Het mooie aan deze studie zijn de grote labs
Studenten laten je alle ins and outs zien van hbo Chemie.
Bekijk het filmpje
studieorientatie icoon Inge studeert nu verder aan de TU Eindhoven Indicatie dat de post een filmpje is
Wo | Techniek & Ontwerp
Studie
Inge studeert nu verder aan de TU Eindhoven
Daarvoor rondde ze met succes de hbo-opleiding Applied Science af.
Bekijk het filmpje
studieorientatie icoon Ik voelde mij snel thuis in deze studie
Hbo | Chemie
Studie
Ik voelde mij snel thuis in deze studie
Volgens Hylke doorgrond je met de juiste formules elk proces.
Bekijk het interview
studieorientatie icoon In het eerste jaar deed ik een project over bier Indicatie dat de post een filmpje is
Hbo | Chemie
Studie
In het eerste jaar deed ik een project over bier
Livai was nog maar 16 jaar toen hij begon met Chemie.
Bekijk het filmpje
studieorientatie icoon Wij studeren Chemische Technologie Indicatie dat de post een filmpje is
Hbo | Chemie
Studie
Wij studeren Chemische Technologie
Valerie en Roel geven je een rondleiding bij hun opleiding.
Bekijk het filmpje
studieorientatie icoon Scheikunde ontdek je pas tijdens het studeren Indicatie dat de post een filmpje is
Wo | Chemie
Studie
Scheikunde ontdek je pas tijdens het studeren
De studie scheikunde iets voor jou?
Bekijk het filmpje
studieorientatie icoon Medicijnen maken van rotte appels Indicatie dat de post een filmpje is
Hbo | Chemie
Studie
Medicijnen maken van rotte appels
Uniek project van studenten Chemische Technologie.
Bekijk het filmpje