zirconium

Zirconium er et lithofilt grundstof, som pga. stor kemisk lighed altid findes sammen med grundstoffet hafnium. Den kontinentale jordskorpe har et gennemsnitsindhold på 165 g/t zirconium og 3 g/t hafnium. Zirconiumionen kan optages som forurening i mineraler som pyroxener og amfiboler, men da den passer dårligt i de almindelige mineralers krystalstruktur, bindes den i egentlige zirconiummineraler. Det vigtigste er zircon, der er vidt udbredt i magmabjergarter og metamorfe bjergarter og i sedimentære bjergarter som fx tungsand. Der findes mere end 40 mineraler med zirconium som en hovedbestanddel; ud over zircon er de vigtigste baddeleyit og eudialyt. Granitter kan have op til 2000 g/t zirconium. Højere indhold findes i alkaline magmabjergarter, og især har agpaitiske nefelinsyenitter store indhold; fx indeholder de røde lag i bjergarten kakortokit mere end 2 vægtpct.

Zirconium udvindes af tungsand og af baddeleyit fra carbonatitforekomster i bl.a. Sydafrika. Årsproduktionen er på ca. 1,5 mio. t (2013); den største produktion kommer fra Australien, Sydafrika og Kina. Eudialytforekomsterne i Sydgrønland og på Kolahalvøen indeholder meget store mængder af zirconium og andre sjældne metaller og repræsenterer fremtidige resurser af disse.

Langt det meste zirconium anvendes i form af oxidet ZrO₂ og andre kemikalier, fx i keramiske materialer, syrefast glas og slibemidler. Kun ca. 30.000 t/år oparbejdes til metal, overvejende fra zircon, ZrSiO₄, og i mindre omfang fra zirconia, ZrO₂ (baddeleyit).

Zircon smeltes i lysbueovn med kul og kloreres til zirconiumklorid, ZrCl₄, i dampform. Efter fortætning sublimeres kloridet igen, evt. flere gange, hvorpå dampen ledes til smeltet, rent magnesium, som reducerer kloridet til zirconiumsvamp. Det samtidigt dannede magnesiumklorid smeltes og løber fra svampen, som derefter knuses, presses og smeltes i lysbueovn til zirconiummetal.

Zirconmineralernes indhold af hafnium følger med gennem processerne og genfindes som urenhed i det udvundne zirconium. Dette kan raffineres ved jodisering og termisk spaltning af jodidet ZrI₄ til rent zirconium. Metallerne kan også adskilles vådkemisk ved ekstraktion af en vandig kloridopløsning med isobutylmethylketon.

Zirconiums gode korrosionsbestandighed kombineret med ringe neutronindfangning betinger den vigtigste anvendelse: indkapsling af brændselselementer til kernereaktorer. Til dette formål må metallet ikke indeholde hafnium, som netop indfanger neutroner og derfor kan bruges til kontrolstave. Derimod tilsættes små mængder tin, jern og chrom til styrkeøgning i de såkaldte Zircalloy-legeringer.

Korrosionsbestandigheden udnyttes endvidere ved anvendelsen i kemisk procesudstyr og knogleimplantater, hvor zirconium gerne kan indeholde hafnium. Endelig anvendes zirconium som styrkeøgende og strukturregulerende bestanddel i specialstål og i magnesiumlegeringer til flymotorer.

I vandige opløsninger er zirconiums kemi begrænset til oxidationstrin +4. Opløselige forbindelser, fx fluorider, sulfater og nitrater, indeholder i sur opløsning hydrolyserede ioner som fx Zr₄(OH)₈⁸⁺. Faste forbindelser med zirconium i oxidationstrin +4 omfatter halogeniderne, ZrX₄, hvor X kan være fluor, klor, brom eller jod. Zirconiumdioxid, ZrO₂, findes i naturen som mineralet baddeleyit. Et andet mineral er silikatet zircon, ZrSiO₄.

Metallisk zirconium kan optage hydrogen op til sammensætningen ZrH₂ og afgive det igen under opvarmning. Forbindelsen Zr(BH₄)₄ smelter ved 29 °C og er den eneste flygtige zirconiumforbindelse. Mange zirconiumforbindelser har høje smeltepunkter; ZrO₂ smelter ved 2670 °C, zirconiumnitrid, ZrN, ved 2980 °C, og zirconiumcarbid, ZrC, ved 3540 °C. De to sidstnævnte har ikke veldefinerede støkiometrier og oxidationstrin. Det samme gælder for et stort antal intermetalliske forbindelser. Der kendes fx ni aluminiumforbindelser med sammensætninger mellem Zr₃Al og ZrAl₃.