40 Zr Zirkonium
Atommasse:
91,224
Fase (ved 25 °C):
Fast
Smeltepunkt:
1855 °C / 2128 K
Kokepunkt:
4409 °C / 4682 K
Vis flere fakta
Gruppe:
4
Periode:
5
Blokk:
d
Elektronkonfigurasjon:
[Kr]5s<sup>2</sup>4d<sup>2</sup>
Elektronegativitet:
1,33
Tetthet (ved 25 °C):
6,506 g/cm³
Vis færre fakta

Zirkonium

Zirkonium og zirkoniumforbindelser har, som mange andre grunnstoffer og deres forbindelser, anvendelser som er overaskende forskjellige. Mens metallet zirkonium er et viktig material i atomreaktorer, så er hydroksikloridet til zirkonium virkestoffet i deodoranten du smører i armhulen etter morgendusjen.

Rent zirkonium er et smibart, sølvaktig 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 kinetikken er så fordelaktig at reaksjonen skjer svært raskt. Pulveret brenner dermed lett.

Anvendelser

Beholdere for uranbrensel

Zirkonium hadde ingen viktige anvendelser før i 1940. Da oppdaget man at zirkonium kan benyttes i atomreaktorer fordi grunnstoffet i liten grad absorberer nøytroner. Men også periodesystemnaboen hafnium benyttes. Men her årsaken den motsatte. Hafnium absorberer nemlig nøytroner svært godt. Så mens uranbrenslet er innkapsla i en zirkoniumbeholder som ikke absorberer nøytroner i nevneverdig grad, så benyttes hafnium med sin evne til å absorbere nøytroner i kontrollstenger i reaktorene. Ved å skyve stengene inn eller ut av reaktorkjernen styres antall kjernespaltninger.

Fordi hafnium og zirkonium er så ulike med hensyn på å absorbere nøytroner er det viktig at zirkoniumet som benyttes i uranbeholdere er rent og fritt for hafnium. På den annen side må zirkonium fjernes fra hafniumet som benyttes i kontrollstavene. Og dette er ingen enkelt oppgave. De to grunnstoffene er svært like i størrelse og egenskaper, noe som betyr at vi alltid finner disse to grunnstoffene sammen og at de er vanskelige å skille.

90 % av alt metallisk zirkonium som produseres benyttes i kjernereaktorer, som beskrevet over. Legeringen som kalles zircalloy inneholder 98 % zirkonium, 1,5 % tinn og litt nikkel, jern og krom.

Utover dette benyttes zirkonium i legeringer - som tilsetningsmiddel til stål. Stålet blir sterkere og samtidig lettere å bearbeide. Zirkonium benyttes dessuten i implantater og i proteser. Vi sier metallet er biokompatibelt.

Forbindelser av zirkonium benyttes også i forkjellige sammenhenger. Store mengder av zirkoniumsilikatet zirkon finnes som sand. Denne sanden har i lang tid blitt brukt som ildfast materiale, benyttet som beholdere for metallsmelter og som vegger i høytemperaturovner. Denne anvendelsen er mindre viktig idag og istedet benyttes dette mineralet ved glassering av keramer. Blå glassering skyldes zircon med vanadium, mens gul glassering oppnås i blandinger med praseodym.

YSZ, yttriumstabilisert zirconia, brukes som elektrolytt i høytemperatur brenselceller
Figur: Truls Norby, KI, UiO.

 

Zirkonia, ZrO2, benyttes også som et høytemperaturmateriale. Det smelter først ved 2500 oC og benyttes i digler, i keramiske materialer og som slipemiddel. Det samme materialet, riktig dopet med yttrium, har også en interesant fremtid som en mulig elektrolytt i høytemperatur brenselceller. Dette materialet leder oksygenioner hurtig ved høye temperaturer slik at den elektrokjemiske reaksjonen mellom hydrogen og oksygen muliggjøres.

Overflaten på papir som skal i kontakt med mat dekkes med zirkoniumkarbonat. Dette har god motstandsevne mot fuktighet og stor styrke.

I stjerner

I enkelte typer stjerner, de såkalte S-type stjernene, er zirkonium vanligere enn på jorda. Meteoritter inneholder også zirkoinium og det er også observert et overraskende høyt innhold av zorkonium i steinprøver fra månen.

I kroppen

Zirkonium har ingen kjent biologisk rolle. Både metallet og saltene til metallet er lite giftige.

Hydroksikloridet til zirkonium og tilsvarende aluminiumssalter er virkestoffet i anti-prespiranter. Disse stoffene kontrollerer bakterienivået som gir opphav til lukt og blokkerer/snerper også svettekjertler.

Navn

Zirkonium har fått sitt navn fra arabisk; zargun betyr gullfarget. Navnet skyldes ikke fargen til metallet zirkonium, men skyldes nok heller fargen til en variant av smykkestenen zirkon.

Historie

Rent zirkonium ble fremstilt først i 1925, 101 år etter at svenske Berzelius hadde fremstilt zirkonium fra et mineral. Til tross for at Berzelius prøve ikke var særlig ren, er det han som har fått sitt navn knytta til oppdagelsen. Grunnstoffet hadde imidlertid blitt observert tidligere av tyske Klaproth som påviste et til da ukjent grunnstoff i mineralet jargon fra Sri Lanka i 1789. Det var et produktivt år for Klaproth; ikke bare påviste han zirkonium, men også uran. Skjebnen til de to grunnstoffene er fortsatt knytta sammen. Som beskrevet under så benyttes zirkonium i beholderene for uranbrensel i atomreaktorer.

Rent zirkonium ble fremstilt av Arkel og de Boer fra Holland i 1925. De dekomponerte zirkoniumtetraklorid og produserte på den måten et formbart metall som kan dras til tråder. Urent zirkonium er hardt og sprøtt.

Zirkonium ble altså først observert i et mineral, jargon. Dette og andre zirkoniumholdige mineraler har vært kjent i form av edelstener i ca. 2000 år. Fargeløse varianter av zirkon ble for eksempel lenge antatt å være annensortering diamanter.

Fremstilling

Mineralet zirkon kan reduseres med kull ved høye temperaturer. Rent zirkoniumklorid fremstilles ved at man reduserer kloridet til metallet med magnesium.

Forekomst

Zirkon, ZrSiO4, fra Tvedalen.
Foto: Rune Selbekk, Naturhistorisk museum, UiO.

Zirkonium er ikke et sjeldent grunnstoff. Det finnes dobbelt så mye zirkonium som kobber eller sink og grunnstoffet er 10 ganger så vanlig som bly.

Det viktigste mineralet er zirkon, ZrSiO4 som finnes i større mengder i USA, Australia og på Sri Lanka. Baddeleyitt, ZrO2, utvinnes i Brasil. 900 000 tonn zircon tas ut årlig.

Og mens årsproduksjonen av metallet er rundt 7 000 tonn, så er tilsvarende tall for oksidet, zirkonia ZrO2, 25 000 tonn.