Zr · Element 40 · Übergangsmetall
Für Neutronen praktisch durchsichtig, weshalb es die Brennstäbe in fast jedem Kernreaktor ummantelt.
Struktur
Kein Diagramm aus Punkten auf Ringen — eine Monte-Carlo-Stichprobe der tatsächlichen Wahrscheinlichkeitsdichte |ψ|² für jede besetzte Unterschale. Ziehen Sie, um die Ansicht zu drehen. Blau und Violett kennzeichnen entgegengesetzte Vorzeichen der Wellenfunktion, wodurch Bindungen möglich werden.
Gemessene Werte
Jeder Balken zeigt, wo Zirconium bei dieser Eigenschaft unter allen 118 Elementen steht.
Quellen: IUPAC 2021 Standard-Atomgewichte · CRC Handbook of Chemistry and Physics · NIST. Werte mit ~ sind vorhergesagt und nicht gemessen.
Gleiches Element, andere Neutronenzahl
Alle Zirconium-Atome haben dieselbe Zahl von Protonen, 40, und unterscheiden sich nur in der Zahl der Neutronen: Diese Varianten sind die Isotope des Elements. Das häufigste, Zr-90, hat 50 Neutronen und macht 51,45 % des natürlichen Elements aus.
| ISOTOP | Neutronen | Natürliche Häufigkeit | Halbwertszeit | Zerfallsart |
|---|---|---|---|---|
| Zr-90 häufigstes | 50 | 51,45 % | Stabil | — |
| Zr-91 | 51 | 11,22 % | Stabil | — |
| Zr-92 | 52 | 17,15 % | Stabil | — |
| Zr-94 | 54 | 17,38 % | Stabil | — |
| Zr-96 | 56 | 2,80 % | 2,0 × 10¹⁹ J | — |
Die Schul-Faustregel, gerundete Atommasse minus Ordnungszahl, ergibt für Zirconium 51, doch das häufigste Zirconium-Atom hat 50 Neutronen: Die Atommasse, 91,224, ist ein Mittelwert über alle natürlichen Isotope.
Daten: IAEA Nuclear Data Section, LiveChart of Nuclides, Bewertungen der Grundzustände, abgerufen am 10. Oktober 2026. Die Häufigkeit ist der Anteil der Atome im natürlichen Element; ein Strich bedeutet, dass das Isotop keine natürliche Standardhäufigkeit hat.
Größe, maßstabsgetreu
Radius 160 pm — das entspricht 0,16 nm; etwa 3,13 Millionen davon nebeneinander würden einen Millimeter überspannen.
Temperaturbereich
Zirconium ist über einen Bereich von 2554 K flüssig, von 2128 K bis 4682 K.
Wo es steht
Die Geschichte
Zirconium ist ein zähes, korrosionsbeständiges Metall, mit dem der Brennstoff in Kernreaktoren umhüllt wird; sein Oxid, kubisches Zirkonia, ist ein verbreiteter Diamantersatz. Dieses glänzende, grauweiße Übergangsmetall besitzt die bemerkenswerte Eigenschaft, für Neutronen nahezu transparent zu sein und gleichzeitig äußerst korrosionsbeständig zu sein, wodurch es für die Erzeugung von Kernenergie unverzichtbar ist. Benannt nach dem persischen Wort "zargun", das goldfarben bedeutet, ist Zirconium zu einem der strategisch bedeutendsten Elemente der modernen Technologie geworden. Zirconium wurde 1789 vom deutschen Chemiker Martin Heinrich Klaproth bei der Analyse des Edelsteins Zirkon entdeckt und blieb über 150 Jahre lang größtenteils eine Labor-Kuriosität. Eine unreine Form des Metalls wurde erstmals 1824 von Jöns Jacob Berzelius isoliert, und hochreines Zirconium wurde erst in den 1940er-Jahren verfügbar, als die Atomindustrie dringend Materialien benötigte, die Kernreaktionen nicht beeinflussen würden. Was Zirconium auszeichnet, sind seine einzigartigen nuklearen Eigenschaften. Anders als die meisten Metalle ist Zirconium für Neutronen nahezu transparent – sie durchdringen es direkt, ohne absorbiert zu werden. Dadurch eignen sich Zirconiumlegierungen hervorragend für die Brennstabhüllen von Kernreaktoren: Sie schließen radioaktiven Brennstoff ein, während Neutronen sich frei bewegen und die nukleare Kettenreaktion aufrechterhalten können. Über 90 % der Kernreaktoren weltweit verwenden Brennstäbe aus Zirconiumlegierungen. Zirconium ist sehr korrosionsbeständig und übertrifft selbst Edelstahl in aggressiven Umgebungen. Es bildet eine ultradünne, sich selbst reparierende Oxidschicht, die es vor Säuren, Laugen und Meerwasser schützt. Dadurch eignet sich Zirconium hervorragend für chemische Verarbeitungsanlagen, medizinische Implantate und maritime Anwendungen, bei denen andere Metalle schnell korrodieren würden. Hier ist etwas wahrhaft Funkelndes: Kubisches Zirkonia (synthetisches Zirconiumdioxid) ist einer der beliebtesten Diamantimitate, die je hergestellt wurden. Es ist hart (8 bis 8,5 auf der Mohs-Skala, Diamant hat 10), besitzt hervorragende optische Eigenschaften und kann in jeder Farbe hergestellt werden, wodurch es die Grundlage einer milliardenschweren Schmuckindustrie bildet.
Martin Heinrich Klaproth entdeckte Zirconium 1789 bei der Analyse von Zirkon-Edelsteinen. Jöns Jakob Berzelius isolierte 1824 erstmals unreines Zirconiummetall, während reines Zirconium erstmals 1925 mit dem Van-Arkel-de-Boer-Verfahren (Kristallstabverfahren) hergestellt wurde.
Anwendungen
Die außergewöhnliche Korrosionsbeständigkeit und die geringe Neutronenabsorption von Zirconium machen es für Kernreaktoren unverzichtbar, während seine Biokompatibilität und Festigkeit fortschrittliche medizinische Implantate und Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt ermöglichen.
Zircaloy-Brennstabhüllen umschließen Uran-Brennstoffpellets in Kernreaktoren, bieten Korrosionsbeständigkeit in Hochtemperaturwasser und ermöglichen gleichzeitig die Übertragung von Neutronen für eine anhaltende Kernspaltung. Der geringe Wirkungsquerschnitt von Zirconium für die Neutronenabsorption macht es ideal für Komponenten des Reaktorkerns, bei denen eine effiziente Neutronennutzung entscheidend ist.
Zirconiumanlagen verarbeiten hochkorrosive Chemikalien wie Salzsäure, Schwefelsäure und organische Säuren bei Temperaturen und Konzentrationen, die Edelstahl innerhalb weniger Stunden zerstören. Die pharmazeutische Herstellung und die Produktion von Feinchemikalien verlassen sich bei der Verarbeitung hochreiner Stoffe auf die chemische Inertheit von Zirconium.
Zirconiumlegierungen bieten ein außergewöhnliches Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht für Flugzeugkomponenten, die in korrosiven Umgebungen betrieben werden. In der Raumfahrt wird die Beständigkeit von Zirconium gegenüber atomarem Sauerstoff und thermischen Zyklen in strukturellen Satellitenkomponenten genutzt.
Woher es stammt
165 mg/kg der Erdkruste · häufiger als 85 % der Elemente
Zirconium kommt hauptsächlich in den Mineralen Zirkon (ZrSiO₄) und Baddeleyit (ZrO₂) vor. Zirkon gehört zu den beständigsten Mineralen der Erde, überdauert Milliarden von Jahren und liefert wichtige Informationen über die frühe Erdgeschichte und die Entstehung von Planeten.
Handhabung
Zirconiummetall und die meisten Verbindungen weisen eine geringe Toxizität und ausgezeichnete Biokompatibilität auf. Zirconiumpulver birgt Brand- und Explosionsgefahren, die geeignete Lagerungs- und Handhabungsverfahren erfordern.
Für die Bearbeitung und Verarbeitung von Zirconium gelten die üblichen Sicherheitsverfahren der Metallbearbeitung. Trockenes Zirconiumpulver kann sich spontan oder durch statische Elektrizität entzünden; es wird daher mit mindestens 25 % Wasser angefeuchtet oder unter Inertgas aufbewahrt, und brennendes Pulver darf niemals mit Wasser gelöscht werden.
Schnelle Antworten
Zirconium (Symbol Zr) ist Element 40 im Periodensystem, ein Übergangsmetall in Periode 5, Gruppe 4. Für Neutronen praktisch durchsichtig, weshalb es die Brennstäbe in fast jedem Kernreaktor ummantelt. Bei Raumtemperatur ist es fest.
[Kr] 4d² 5s²; sie ergibt 5 besetzte Elektronenschalen mit der Verteilung 2, 8, 18, 10, 2.Zirconium schmilzt bei 2128 K (1854,9 °C) und siedet bei 4682 K (4408,9 °C). Damit gehört es zu den feuerfestesten Elementen — es bleibt bei Temperaturen fest, bei denen die meisten Metalle verdampfen.
Die Standardatommasse von Zirconium beträgt 91,224 u. Dabei handelt es sich um einen gewichteten Mittelwert seiner natürlich vorkommenden Isotope, weshalb sie nur selten eine ganze Zahl ist.
Das häufigste Zirconium-Atom, Zr-90, hat 50 Neutronen: seine Massenzahl 90 minus seine Ordnungszahl 40. Es macht 51,45 % des natürlichen Elements aus. Die Schul-Faustregel, gerundete Atommasse (91,224) minus Ordnungszahl, ergibt dagegen 51, weil die Atommasse ein Mittelwert über alle natürlichen Isotope von Zirconium ist.
Zirconium hat eine Dichte von 6,52 g/cm³. Wasser hat eine Dichte von 1,0 g/cm³, daher ist ein Block aus Zirconium ungefähr 6,5× schwerer.
Zirconium hat eine Elektronegativität von 1,33 nach Pauling. Die Skala reicht von 0,70 (Francium, das Elektronen am wenigsten stark anzieht) bis 3,98 (Fluor, das stärkste). Werte in diesem mittleren Bereich führen eher zur Bildung kovalenter als stark ionischer Bindungen.
Zirconium wurde 1789 von Martin Heinrich Klaproth entdeckt. Herkunft des Namens: Persisch zargun, „goldfarben“.
Zirconium macht etwa 165 mg/kg der Erdkruste aus — genug, um im großen Maßstab abgebaut zu werden.