|  | ||||||
0,0165 % van de aardkost (tot 16 km diepte) bestaat uit zirkonium; het is het 18e element in rangorde van voorkomen.
Men treft het aan in de mineralen:
baddeleyiet of zirkoonaarde ZrO2 hyacinth (zirkoon in edelsteenkwaliteit) ZrSiO4 zirkeliet (Ca,Th,Ce)Zr(Ti,Nb)2O7 zirkiet mengsel van zirkoon en zirkoonaarde zirkoon ZrSiO4.
Zirkonium komt ook voor in de meeste titaanhoudende mineralen zoals rutiel, titaniet, ilmeniet. Ook op de zon, in meteorieten en sterren is zirkonium aangetoond, evenals in maanstenen.
De belangrijkste wingebieden liggen in Australië, Zuid-Afrika, de Verenigde Staten van Amerika (Florida), Oekraïne, Brazilië, Canada, Burma, Rusland, Kazachstan, Noorwegen, India, Sri Lanka, Pakistan, Thailand, Cambodja, Madagascar en Vietnam.
Baddeleyiet wordt voornamelijk in Brazilië aangetroffen.
Zirkonium is genoemd naar het mineraal waarin het ontdekt is: zirkoon. De naam van het mineraal was afgeleid van het Arabische 'zarkoen' en het Perzische 'zargûn', wat goudkleur(ige steen) betekent (zar = goud, gû = kleur).
Zirkonium(oxide of aarde) werd in 1789 door M.H. Klaproth ontdekt in het mineraal jargon (zirkoon), afkomstig van Ceylon (Sri Lanka).
Eerst in 1824 werd het metaal - in zeer onzuivere vorm - door J.J. Berzelius verkregen door reductie van kaliumzirkoniumfluoride met kalium.
Pas in 1925 slaagden de Nederlanders A.E. van Arkel en J.H. de Boer er in zirkonium in zeer zuivere toestand te produceren via ontleding van zirkoniumjodide (zie bereiding).
Zirkonium werd bereid door reductie van zirkoniumoxide (ZrO2) met calcium of door reductie van zirkoniumchloride (ZrCl4) met natrium (bij 500 °C in vacuüm).
Zirkonium wordt bereid via het zogenoemde Kroll-proces. Hierbij wordt het mineraal zirkoon (ZrSiO4), in de vorm van zirkoonzand, eerst opgelost in salpeterzuur (HNO3).
Als het zirkonium bedoeld is voor gebruik in kernreactoren, moet eerst hafnium - dat vrijwel altijd in zirkonium voorkomt – worden verwijderd. Vanwege zijn zeer hoog adsorptievermogen voor neutronen mag dit voor te hoogste 0,01 % in het verkregen metaal voorkomen. Dit gebeurt door vloeistofextractie van de nitraten, sulfaten of thiocyanaten met tri-n-butyl-fosfaat (TBP) of 4-methyl-2-pentanon.
Het in oplossing aanwezige zirkonium wordt neergeslagen in de vorm van organische zirkoniumverbindingen. Het verkregen product wordt gemengd met grafiet en samengeperst, waarna met chloorgas zuiver zirkoniumchloride (ZrCl4) wordt gevormd, dat in een argonatmosfeer bij 800 °C met magnesium gereduceerd wordt.
Hierbij ontstaat een harde, redelijk zuivere zirkoniumspons, die wordt samengeperst, onder vacuüm in een vlamboog wordt gesmolten, waarna blokken zirkonium gevormd worden. Deze worden nog een keer gezuiverd door smelten in een koperen kroes, die met water wordt afgekoeld, om ieder contaminatie met gassen uit de atmosfeer te vermijden.
Zirkonium is zo reactief, dat fijn verdeeld metaal - zoals fijne spaanders bij het frezen - spontaan kunnen ontbranden.
Ook kan ruw zirkonium worden gesmolten met natriumhydroxide of via "verbranding" met koolstof of stikstof worden omgezet in het carbide of het nitride. Met chloor wordt dan vervolgens zirkoniumchloride gemaakt, dat kan worden gereduceerd, waarbij zuiver zirkonium ontstaat.
Zeer zuiver zirkonium wordt verkregen via het van Arkel-de Boer-proces. Hierbij wordt onzuiver zirkonium in een vat met zeer lage druk gebracht, waarin zich wat jood bevindt. Bij verhitting (tot ca. 200 °C) reageert het zirkonium tot ZrI4, wat verdampt en in de nabijheid van de gloeidraad bij zeer hoge temperatuur (ca. 1.300 °C) ontleedt in jood en zirkonium. Het gevormde zirkonium slaat neer op de gloeidraad van wolfraam of zirkonium.
De wereldproductie bedraagt ongeveer 7.000 ton per jaar.
Splijtstofomhulsel
Splijtstofstaven van uraanoxide worden omhuld met een mantel van zirkonium. Dit metaal adsorbeert slechts in zeer geringe mate neutronen en is zeer goed bestand tegen corrosie en de voortdurende blootstelling aan straling. De mantels worden gemaakt van Zircalloy, dat is een legering van zirkonium met kleine hoeveelheden tin, ijzer, chroom, niobium en nikkel.
De reactor van de eerste nucleaire onderzeeër, de Nautilus, was hiermee uitgerust. Ongeveer 90 % van de zirkoniumproductie wordt gebruikt in de kernreactortechnologie.
Voor het gebruik van zirkonium (en legeringen daarvan) gelden strenge voorschriften. Boven een temperatuur van 750°C wordt de beschermende oxidelaag op het metaal afgebroken en kan reactie met water optreden, waarbij waterstof ontstaat. Dit heeft onder meer een rol gespeeld in het ongeluk met de reactor in Tsjernobyl.
Slaghoedje
Slaghoedjes die worden gebruikt in munitie bevatten een gemakkelijk te detoneren stof die de springstof tot explosie brengt. De detonatiespringstof bevindt zich in een dun metalen hulsje. Dit metaal moet in hoge mate corrosiebestendig zijn. Zirkoniumlegeringen zijn hiervoor zeer geschikt.
Namaakdiamant
Bij de vervaardiging van sieraden wordt veel gebruik gemaakt van de edelsteen zirkoon of hyacinth (ZrSiO4). Afhankelijk van sporen van andere elementen in het kristal kan de kleur van de steen sterk variëren. Zo worden in Zweden, Rusland (Oeral) en Australië veel heldere kristallen gevonden die als imitatiediamant kunnen fungeren, in Sri-Lanka roodachtige en gele stenen en in Thailand de bekende hemelsblauwe hyacinth. Verder zijn er diverse geelgroene en diepgroene variëteiten.
Een goed geslepen kristal zirkoniumoxide (ZrO2) wordt gebruikt als ‘imitatiediamant’. Deze kristallen zijn bijna net zo hard als diamant, worden nauwelijks aangetast en zijn veel goedkoper.
Vuurvaste bekleding
Voor de bekleding van ovenwanden (bijvoorbeeld: de Bessemerpeer voor de staalbereiding, glassmeltovens en reactoren voor de chemische industrie) wordt zirkoniumoxide (ZrO2), gemengd met magnesiumoxide (MgO), gebruikt of zirkoniumsilicaat (ZrSiO4). Deze wanden zijn chemisch zeer weinig aantastbaar, bestand tegen zeer hoge temperaturen en tegen fysische invloeden en hebben een gering warmtegeleidingsvermogen.
Zuurstofmeter
Bij het meten van zuurstof wordt gebruik gemaakt van elektrochemische cellen, waarin zirkoniumoxide (ZrO2) - met kleine toevoegingen van zeldzame aarden - als vastestof-elektrolyt wordt gebruikt.
Deze cellen worden toegepast bij het meten van het zuurstofgehalte in gesmolten metalen en in katalysatoren van auto’s, die uitlaatgassen omzetten in voornamelijk CO2, H2O en N2. De zogenoemde lambda-sonde, die de verhouding lucht/brandstof regelt in driewegkatalysatoren, bevat zo’n cel.
Toepassingen als niet-ontleedbare stof (element) of als legering:
apparatuur voor de chemische industrie (o.a. ventielen, pompen, roerders en warmtewisselaars)
botbreukpen
chirurgische instrumenten
gasvanger (getter) in vacuümbuizen (ook ZrH2)
gloeidraad: zirkoonlicht in schijnwerper, lichtsignaal, projectie-apparatuur
lichtkogels en -spoormunitie (poeder)
ontzwaveling van gietijzer en staal (ferrozirkoon, Zr met Fe en Si)
projectielamp
raketbrandstof (poeder)
raketmotor
reductiemetaal in de gieterij
spinkop
supergeleiding (Zr met Nb of Zr met Zn)
waterstofopslag (zeer fijn verdeeld)
Toepassingen als ontleedbare stof (verbinding):
antitranspirant Al4ZrCl4(OH)12 AlZr(OH)5Cl bewerken vezels kunstzijde en katoen Zr(SO4)2 brandwerend en waterafstotend maken van textiel Zr(SO4)2 condensator zirkonaten contrastmiddel bij röntgenstralen ZrO2 drager voor katalysatoren ZrO2 flitslamp Zr(NO3)2 geneeskunde keramische implantaten, zoals heupkoppen, kunsttandwortels en gehoorbeentjes ZrO2/Al2O3 röntgenonderzoek van maag en darm ZrO2 hardstaal ZrC (90 %/Fe 10 %) infraroodlampen ZrO2 leerbewerking Zr(SO4)2 piëzo-elektrische keramiek ZrO2 pigment voor glazuur, email, vuurvaste tegels (ondoorschijnend maken) ZrO2 Zr(SO4)2 pigment in kunststof - geel o.a. in kunststof kratten ZrSiO4 pigment voor glas, glazuur, keramiek en email ZrSiO4 gemengd met vanadiumverbindingen blauw praseodymiumverbindingen geel ijzerverbindingen oranje/rood siccatief of droogmiddel 3ZrO2.CO2.H2O smeltkroes ZrO2 (met MgO) snij-, slijp- en schuurgereedschap ZrC2 verfindustrie (coating TiO2) ZrO2 vlamwerend maken van textiel Zr(SO4)2 vloeimiddel voor email en glas ZrSiO4 ZrO2 vulstof voor kunstharsen ZrSiO4 wand van centrifugaalpomp ZrO2 waterafstotend maken van textiel Zr(SO4)2 3ZrO2.CO2.H2O zand voor vormen in de staalindustrie ZrSiO4 zandstralen Zircosil® of zirkoonzand ZrSiO4