Eigenschappen, voorkomen en gebruik
Zirkonium, obscuur voor de late jaren 1940, werd een belangrijk technisch materiaal voor nucleaire energietoepassingen omdat het zeer transparant is voor neutronen . Het element werd geïdentificeerd (1789) in zirkoon, ZrSiO4 (zirkoniumorthosilicaat), uit zijn oxide door de Duitse chemicus Martin Heinrich Klaproth, en het metaal werd geïsoleerd (1824) in onzuivere vorm door de Zweedse chemicus Jöns Jacob Berzelius. Het onzuivere metaal is, zelfs als het voor 99 procent zuiver is, hard en broos. Het witte, zachte, vervormbare en ductiele metaal met een hogere zuiverheid werd voor het eerst in grote hoeveelheden geproduceerd (1925) door de Nederlandse chemici Anton E. van Arkel en J.H. de Boer door de thermische ontleding van zirkoniumtetrajodide, ZrI4. Begin jaren 40 ontwikkelde William Justin Kroll uit Luxemburg zijn goedkopere proces om het metaal te maken op basis van de reductie van zirkoniumtetrachloride, ZrCl4, door magnesium. In het begin van de 21e eeuw waren onder meer Australië, Zuid-Afrika, China en Indonesië toonaangevende producenten van zirkonium; Mozambique, India en Sri Lanka waren extra producenten.
Dschwen
Zirkonium is relatief overvloedig aanwezig in de aarde korst, maar niet in geconcentreerde afzettingen, en wordt kenmerkend waargenomen in S-type sterren. Het mineraal zirkoon, dat over het algemeen wordt aangetroffen in alluviale afzettingen in beekbedden, oceaanstranden of oude meerbeddingen, is de enige commerciële bron van zirkonium. Baddeleyiet, dat in wezen zuiver zirkoniumdioxide is, ZrO2, is het enige andere belangrijke zirkoniummineraal, maar het commerciële product wordt goedkoper gewonnen uit zirkoon. Zirkonium wordt geproduceerd volgens hetzelfde proces als dat voor titanium wordt gebruikt. Deze zirkoniummineralen hebben over het algemeen een hafniumgehalte dat varieert van enkele tienden van 1 procent tot enkele procenten. Voor sommige doeleinden is de scheiding van de twee elementen niet belangrijk: zirkonium dat ongeveer 1 procent hafnium bevat, is even acceptabel als zuiver zirkonium.
Het belangrijkste gebruik van zirkonium is in kernreactoren voor het bekleden van splijtstofstaven, voor het legeren met uranium, en voor reactorkernstructuren vanwege de unieke combinatie van eigenschappen. Zirkonium heeft een goede sterkte bij verhoogde temperaturen, is bestand tegen corrosie door de snel circulerende koelmiddelen, vormt geen sterk radioactieve isotopen en is bestand tegen mechanische schade door neutronenbombardementen. Hafnium, aanwezig in alle zirkoniumertsen, moet nauwgezet worden verwijderd uit het metaal dat bedoeld is voor reactortoepassingen, omdat hafnium thermische neutronen sterk absorbeert.
Scheiding van hafnium en zirkonium wordt over het algemeen bereikt door een vloeistof-vloeistof tegenstroom-extractieprocedure. Daarbij wordt ruw zirkoniumtetrachloride opgelost in een waterige oplossing van ammoniumthiocyanaat en wordt methylisobutylketon in tegenstroom met het waterige mengsel geleid, met als resultaat dat het hafniumtetrachloride bij voorkeur wordt geëxtraheerd.
De atoomstralen van zirkonium en hafnium zijn respectievelijk 1,45 en 1,44 A, terwijl de stralen van de ionen Zr4 +, 0,74 A en Hf4 + 0,75 A zijn. De virtuele identiteit van atomaire en ionische groottes, resulterend uit de lanthanoïde contractie, heeft het effect dat het chemische gedrag van deze twee elementen meer op elkaar lijkt dan voor enig ander paar elementen dat bekend is. Hoewel de chemie van hafnium minder is bestudeerd dan die van zirkonium, zijn de twee zo vergelijkbaar dat slechts zeer kleine kwantitatieve verschillen – bijvoorbeeld in oplosbaarheid en vluchtigheid van verbindingen – zouden worden verwacht in gevallen die niet daadwerkelijk zijn onderzocht.
Zirkonium absorbeert zuurstof, stikstof en waterstof in verbazingwekkende hoeveelheden. Bij ongeveer 800 ° C (1.500 ° F) combineert het chemisch met zuurstof om het oxide, ZrO2, te geven. Zirkonium reduceert dergelijke vuurvaste smeltkroesmaterialen zoals de oxiden van magnesium, beryllium en thorium. Deze sterke affiniteit voor zuurstof en andere gassen verklaart het gebruik ervan als vangstof voor het verwijderen van restgassen in elektronenbuizen. Bij normale temperaturen in lucht is zirkonium passief vanwege de vorming van een beschermende film van oxide of nitride. Zelfs zonder deze film is het metaal bestand tegen de werking van zwakke zuren en zure zouten. Het wordt het best opgelost in fluorwaterstofzuur, waarbij de vorming van anionische fluorcomplexen belangrijk is voor het stabiliseren van de oplossing. Bij normale temperaturen is het niet bijzonder reactief, maar wordt het behoorlijk reactief met een verscheidenheid aan niet-metalen bij verhoogde temperaturen. Vanwege zijn hoge corrosiebestendigheid wordt zirkonium op grote schaal gebruikt bij de fabricage van pompen, kleppen en warmtewisselaars.Zirkonium wordt ook gebruikt als legeringsmiddel bij de productie van sommige magnesiumlegeringen en als additief bij de vervaardiging van bepaalde staalsoorten.