Zirconium

Zirconium eller zirkonium (af arabisk zarkûn, fra persisk zargûn زرگون ; "guld-lignende") er det 40. grundstof i det periodiske system og har det kemiske symbol Zr. Det er et overgangsmetal og optræder under normale temperatur- og trykforhold som et sølvskinnende, hvidt metal. Navnet zircon eller zirkon betegner normalt silikatet ZrSiO₄ men anvendes undertiden om grundstoffet.^[1]

Zirconium
Sølvhvidt metal
Periodiske system
Generelt
Atomtegn	Zr
Atomnummer	40
Elektronkonfiguration	2, 8, 18, 10, 2
Gruppe	4 (Overgangsmetal)
Periode	5
Blok	d
Atomare egenskaber
Atommasse	91,224(2)
Kovalent radius	148 pm
Elektronkonfiguration	[Kr] 4d² 5s²
Elektroner i hver skal	2, 8, 18, 10, 2
Kemiske egenskaber
Oxidationstrin	4 (amfoterisk oxid)
Elektronegativitet	1,33 (Paulings skala)
Fysiske egenskaber
Tilstandsform	Fast
Krystalstruktur	Hexagonal
Massefylde (fast stof)	6,52 g/cm3
Massefylde (væske)	5,8 g/cm3
Smeltepunkt	1855 °C
Kogepunkt	4409 °C
Smeltevarme	14 kJ/mol
Fordampningsvarme	573 kJ/mol
Varmefylde	(25 °C) 25,36 J·mol–1K–1
Varmeledningsevne	(300 K) 22,6 W·m–1K–1
Varmeudvidelseskoeff.	(25 °C) 5,7 μm/m·K
Elektrisk resistivitet	(20 °C) 421 nΩ·m
Magnetiske egenskaber	Ikke oplyst
Mekaniske egenskaber
Youngs modul	68 GPa
Forskydningsmodul	33 GPa
Poissons forhold	0,34
Hårdhed (Mohs' skala)	5,0
Hårdhed (Vickers)	903 MPa
Hårdhed (Brinell)	650 MPa
v d r

Egenskaber

Zirconium er lettere end stål og har en hårdhed, der svarer til kobbers. Desuden er det yderst modstandsdygtigt overfor korrosion og uopløseligt i alle syrer på nær flussyre. Større "klumper" af metallet er svære at antænde, men fint pulveriseret zirconium kan selvantænde spontant i atmosfærisk luft og brænder med en hvid flamme; herved reagerer metallet med luftens ilt under dannelse af zirconiumoxid og sågar med kvælstoffet i luften, hvorved der dannes zirconiumnitrid og zirconiumoxynitrid. I kemiske forbindelser optræder zirconium sædvanligvis med oxidationstrin +4, men det ses også med oxidationstrin +2 og +3.

Tekniske anvendelser

Menneskeligt væv har let ved at tolerere zirconium, hvilket gør metallet egnet til kunstige implantater, f.eks. til hofter og knæ. Zirconium indgår desuden i en lang række specialiserede legeringer; legeringer med aluminium er mekanisk robuste og bruges i visse sportsrekvisitter af høj kvalitet, herunder cykelstel og lacrosse-stave. Andre legeringer sammen med niobium er superledende ved lave temperaturer, og disse udnyttes til at lave superledende magneter.

Kubisk zirkonia krystal zirconiumoxid, skåret som en rund brillant.

Zirconiumoxid (ZrO), eller zirkonia, bruges som varmebestandigt materiale i blandt andet smeltedigler, metallurgiske ovne og i redskaber til keramik og glasfremstilling. Zirconiumoxid markedsføres også som "naturlige ædelsten"; zirconiumoxid i dets kubiske krystalform danner en glasklar krystal med højt brydningsindeks, som siden 1976 har været den vigtigste form for "simulerede diamanter".

Zirconiumnitrid (ZrN) vinder frem som et alternativ til titannitrid i overfladebehandlingen af bor og andet skærende værktøj. Formålet med begge typer overfladebehandling er at holde borets skær skarpt og hindre overophedning.

Anvendelser i kemisk og nuklear industri

På grund af dets korrosionsbestandighed bruger især den kemiske industri zirconium til rør og andre installationer, der skal kunne tåle at komme i kontakt med stærkt ætsende stoffer. Da zirconium samtidig har et ganske lille neutronindfangningstværsnit, er det særligt egnet til komponenter, der bruges i atomkraftindustrien; for eksempel til beklædningen på brændselsstave. I en moderne reaktor på et kommercielt atomkraftværk kan der være op imod 150 kilometer rør lavet af den zirconiumholdige legering zircalloy.

"Stav" af zirkonium.

"kristal stav" af zirkonium, produceret af van Arkel de Boer process

Kommercielt fremstillet zirconium indholder et par procent hafnium; da hafnium har et neutronindfangningstværsnit, der er 600 gange større end zirconium, "spolerer" det zirconiumets lave tværsnit, og gør det uanvendeligt til mange formål i en atomreaktor. Hafnium og zirconium er vanskelige at skille fra hinanden, så derfor er det hafnium-frie zirconium, der er nødvendigt til visse atomreaktor-komponenter, henved ti gange så dyrt som det "almindelige" kommercielt tilgængelige zirconium. Til gengæld er det udskilte hafnium et glimrende materiale til en anden væsentlig type reaktor-komponent: kontrolstave.

Historie

Mennesket har længe kendt til forskellige zirconiumholdige mineraler; eksempelvis nævner Bibelen visse variationer af zirconia. Eksistensen af grundstoffet zirconium blev påvist i 1789 af Martin Heinrich Klaproth, da han undersøgte en mineralprøve fra Ceylon (det nuværende Sri Lanka). I 1824 isolerede den svenske kemiker Jöns Jakob Berzelius metallisk zirconium ved at opvarme en blanding af kalium og kaliumzirconiumfluorid. Berzelius' zirconium var dog ikke særlig rent; først i 1914 fremstillede man for første gang helt rent zirconium.

Den første metode til industriel fremstilling af formbart, metallisk zirconium blev udviklet af Anton Eduard van Arkel og Jan Hendrik de Boer i 1925. I dag bruges primært Kroll-processen, hvorunder zirconium-IV-fluorid reduceres til frit metal ved hjælp af magnesium.

Forekomst og udvinding

Zirconium findes aldrig i fri, metallisk form i naturen, men altid i kemiske forbindelser med andre stoffer. Det primære råstof for kommerciel udvinding af zirconium er zirconiumsilikat, og det fås dels fra naturlige forekomster i Grønland, Australien, Brasilien, Indien, Rusland og USA, dels er det et biprodukt fra udvindingen og behandlingen af titan- og tin-holdige mineraler.

Stjerner af spektralklasse S har et højt indhold af zirconium, men stoffet er også påvist i andre stjerner, herunder i Solen. De prøver som er hjembragt af astronauterne i Apollo-programmet indeholder meget zirconium sammenlignet med geologiske prøver fra Jorden.

Isotoper af zirconium

Naturligt forekommende zirconium består af de fire stabile isotoper ⁹⁰Zr, ⁹¹Zr, ⁹²Zr og ⁹⁴Zr, og af de tyve kendte radioaktive zirconiumisotoper har ⁹⁶Zr en så lang halveringstid; over 3,9·10²⁰ år, at den i praksis kan henregnes til de stabile isotoper. ⁹³Zr har en halveringstid på 1,56 millioner år, og blandt de øvrige 18 radioaktive isotoper går halveringstiderne fra godt to måneder og nedefter.

Eksterne links og referencer

1. Facts About Zirconium. LiveScience 2017

Wikimedia Commons har medier relateret til: Zirconium