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Übergangsmetalle: Zirkonium

Symbol: Zr
Kategorie: Übergangsmetalle
Ordnungszahl: 40
Relative Atommasse: 91,224
Schmelzpunkt: 2125 K
Siedepunkt: 4650 K
Dichte: 6,51 g cm-3
Elektronegativität: 1,2
Ionisierungsenergie: 6,84 eV
Konfiguration: [Kr] 4d² 5s²
Oxidationszahlen: 4, 3, 2, 1
Atomradius: 160 pm
Ionenradius: 87 pm (+4)

Seinen Namen verdankt das silberweiße, duktile und korrosionsbeständige Übergangsmetall dem Mineral Zirkon, das schon in der Bibel erwähnt wird. Es entsteht überwiegend in roten Riesensternen, zum Teil auch in klassischen Supernovae. Das künstliche Isotop Zr-88 hat den zweithöchsten Einfangquerschnitt für thermische Neutronen aller bekannten Nuklide – zigtausendfach höher als anhand der Kerneigenschaften vorhergesagt. Die Ursache ist rätselhaft und berührt eine der letzten ungeklärten Fragen der Atomphysik. In der Erdkruste ist Zirkonium mit 130 Milligramm pro Kilogramm unter den 20 häufigsten Elementen und bildet zusammen mit Titanmineralen Seifenlagerstätten, in denen Körner schwerer Minerale konzentriert sind – darunter Zirkon.

Der meiste so gewonnene Zirkon wird direkt verwendet, vor allem in Hochtemperaturanwendungen wie Gussformen für Metalle. Man benutzt es auch, um Keramik undurchsichtig zu machen, so dass die Glasuren brillanter werden. Ein Teil des Zirkons wird zu anderen anorganischen Zirkoniumverbindungen umgesetzt, wie zum Beispiel dem ebenfalls sehr hitzebeständigen Zirkoniumdioxid, mit dem man Metallteile ummantelt, die extremer Hitze ausgesetzt sind – oder keramische Klingen herstellt. Man gewinnt das Metall selbst, indem Zirkon mit Chlor zum Zirkoniumchlorid umgesetzt und dieses dann mit Magnesium zum Metall reduziert wird.

Für metallisches Zirkonium gibt es eine Reihe von Nischenanwendungen, zum Beispiel für Speziallegierungen; in der Reaktortechnik benutzt man es als Ummantelung für Brennstäbe, weil es kaum Neutronen einfängt. Das Metall hat aber andererseits, wie sich unter anderem beim Reaktorunfall in Fukushima zeigte, die unangenehme Eigenschaft, mit Wasser zu reagieren und dabei Wasserstoff zu erzeugen. Diese Reaktion läuft bei hohen Temperaturen deutlich schneller ab, so dass sich das Gas in außer Kontrolle geratenen Reaktoren ansammelt und die Ummantelungen der Brennstäbe korrodieren. Das wichtigste piezoelektrische Material, PZT, enthält Zirkonium. In der Medizin spielt Zirkonium eine gewisse Rolle als Material für Zahnimplantate und andere Bauteile, die im Körper eingesetzt werden. Die Salze des Elements absorbieren Harnstoff, man setzt sie deswegen bei der Blutwäsche für Nierenpatienten ein.

Das Mineral Zirkon ist eines der beständigsten geologischen Materialien überhaupt; die ältesten erhaltenen Teile der Erdkruste sind Zirkone, einige von ihnen mehr als 4,4 Milliarden Jahre alt. Zirkone überstehen fast alles – chemische Erosion, mechanischen Transport, Absenkung in die tiefe Kruste bei extremen Temperaturen und Drücken – und bewahren die Spuren dieser Veränderungen über sehr lange Zeit. Gleichzeitig lagern sie Uran ein, über dessen Zerfall zu Blei man die Entstehung des Minerals genau datieren kann. Deswegen ist Zirkon eines der bedeutendsten Minerale in der Geowissenschaft: Es erzählt die Geschichten vergangener Vulkane, Gebirge und Kontinente.

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