Willkommen zu einer neuen Folge von Wissensreise durch das
Periodensystem der Elemente, deinem Podcast zum Entspannen,
Loslassen und lernen. Wenn dir der Podcast gefällt,
bewerte ihn bitte, das hilft uns, weitere Folgen zu
produzieren. Kennst du schon unsere anderen
Podcastreihen wie Wissensreise durch die Uhrzeit oder
Wissensreise durch die Länder der Erde Thema heute zirkonium
ZR. Der Diamantgleiche Täuscher, es
gibt Edelsteine, die durch ihre schiere.
Brillanz Menschen seit Jahrtausenden in ihren Bann
ziehen. Und es gibt.
Materialien. Die so überzeugend.
Täuschen. Dass selbst geübte Augen.
Ins Stocken geraten Kubisches Zirkoniumdioxid das.
Schmucksteinderivat des Elements.
Zirkonium. Ist.
Der bekannteste Diamant Ersattet S der.
Welt. So Funkelnder als sein Vorbild.
Dass es den Ruf eines Betrügers genießt.
Doch das. Element dahinter Zirkonium.
Selbst ist alles. Andere als eine.
Billige Kopie es ist. Ein Metall von außergewöhnlicher
Beständigkeit, von nuklearer Bedeutung, von geologischer
Tiefe und von Industrieller. Unverzichtbarkeit.
Wer Zirkonium kennt, weiß, dass der eigentliche Täuscher nicht
das Metall ist, sondern das Vorurteil, das an seinem Namen
hängt. Heute reisen wir gemeinsam in
die Welt dieses faszinierenden Elements, von den ältesten
Zeugen der Erdgeschichte bis in den Kern moderner
Kernkraftwerke, von funkelnden Schmucksteinen bis zu
lebensrettenden medizinischen Implantaten.
Die Geschichte von Zirkonium beginnt mit einem Edelstein, der
im Morgenland seit der Antike verehrt wurde, dem Zirkon, das
Mineral Zirkon, chemisch zirkoniumsilikat Zrsio 4, war in
vielen Kulturen der Antike ein begehrter Schmuckstein, im
Mittelalter galt er als Talisman gegen Blitzschlag, als Schutz
vor Geistern und als Symbol für Weisheit.
Sein Name leitet sich wahrscheinlich vom arabischen
Zarkyn ab, was so viel wie goldfarben oder Zinnoberrot
bedeutet. Obwohl natürliche Zirkone in
einer Vielzahl von Farben Vorkommen, von farblos über Gelb
und orange bis braun und blau. Das Mineral Zirkon ist also
uralt und wohlbekannt, das Element, das dahinter steckt,
blieb dagegen lange verborgen. Der deutsche Chemiker Martin
Heinrich Klapprott war es, der 1789 im selben Jahr, in dem die.
Französische Revolution. Die Welt erschütterte, erkannte,
dass. Zirkon eine bisher Unbekannte.
Erde enthält er benannte sie Zirkonerde.
Clupprott. War ein akribischer.
Analytiker einer der bedeutendsten Chemiker seiner
Zeit. Und er entdeckte in jenem
denkwürdigen Jahr gleich 2. Neue Elemente Zirkonium und Uran
die tatsächliche Isolation des reinen Zirkoniummetalls gelang.
Jedoch erst 18. 124 dem schwedischen Chemiker Jöns Jakob
Bercillius, der. Durch.
Reduktion von Kaliumhexafluorozirconat mit
Kaliummetall ein unreines Zirkoniummetallipulver erhielt.
Hochreines Duktiles Zirkoniummetall wurde erst im 20
Jahrhundert zugänglich, als Anton Eduard von Arkel und Jan
Hendrik de bour 1925 das sogenannte Iodidverfahren
entwickelten. Ein Prozess, bei dem
Circoniumiodid an einem heißen Glühfaden thermisch zersetzt
wird und dabei reines Metall abscheidet.
Dieses Verfahren. Auch Kristall, Bar Prozess
genannt, liefert. Bis heute.
Das. Reinste verfügbare Zirkonium.
Schauen wir uns das Element selbst an.
Zirkonium trägt das Symbol ZR und die Ordnungszahl 40.
Es gehört zur Gruppe 4 der Übergangsmetalle gemeinsam mit
Titan Hafnium und Ruta Fordium. In seiner äußeren Erscheinung
ist es ein glänzendes, silbrig weißes Metall, das in seiner
Optik an Stahl erinnert. Seine Atommasse beträgt 91,22
Atommasseneinheiten, der Schmelzpunkt liegt bei
beeindruckenden 1855 Grad Celsius, der Siedepunkt sogar
bei 4409 Grad Celsius. Damit gehört Zirkonium zu den
Metallen mit den höchsten Siedepunkten überhaupt.
Seine Dichte beträgt 6,52 Gramm pro Kubikzentimeter.
Zirkonium hat 5 stabile isotope, zirkonium, 90, zirkonium, 91,
zirkonium, 92, zirkonium, 94 und zirkonium 96.
Das häufigste davon ist Zirkonium 90 mit einem Anteil
von rund 51,5%. Interessant ist zirkonium 96 es
ist technisch gesehen leicht radioaktiv und zerfällt durch
doppelbeta Zerfall, aber mit einer Halbwertszeit von mehr als
20 Trillionen Jahren. Einer Zeitspanne, die so
unvorstellbar lang ist, dass ZR 96 für alle praktischen Zwecke
als stabil gilt. In der Erdkruste kommt Zirkonium
in einer Konzentration von etwa 165 Milligramm pro Kilogramm
vor, es ist damit häufiger als viele besser bekannte Metalle
wie Kupfer, Nickel oder Zink. Auch hier, es gilt Zirkonium ist
nicht selten, es ist nur selten in hochkonzentrierten
Lagerstätten zu finden. Das bei weitem wichtigste
zirkonium Mineral ist Zirkon z RS IO 4, das in magmatischen und
metamorphen Gesteinen weit verbreitet ist.
Ein weiteres wichtiges Mineral ist Badeleyid z Ro 2, ein
natürlich vorkommendes Zirkoniumdioxid.
Die größten wirtschaftlich nutzbaren Zirkonvorkommen finden
sich in Australien, Südafrika, China, Mosambik und Indonesien.
Australien ist mit Abstand der weltgrößte Produzent von
Zirkonsand, der als Ausgangsprodukt für fast alle
zirkonium Anwendungen dient, nun zu einem der faszinierendsten
Aspekte von Zirkonium. Seiner Rolle als geologische
Zeitkapsel zirkumkristalle sind die ältesten jemals auf der Erde
gefundenen Materialien. Im Jahr 1983 entdeckten
Geowissenschaftlerinnen und Geowissenschaftler in den Jack
Hills in Westaustralien winzige Zirkonkörner, die in späteren
Analysen auf ein Alter von bis zu 4,4 Milliarden Jahren datiert
wurden. Älter als alle bekannten
Gesteine auf der Erde und nur wenig jünger als das
Sonnensystem selbst. Die Erde ist 4,54 Milliarden
Jahre alt. Diese Zirkone stammen also aus
einer Zeit, als die Erde gerade erst erstarrt war und die Ozeane
vielleicht gerade begannen, sich zu bilden.
Wie ist das möglich? Zirkon ist außerordentlich
chemisch und physikalisch beständig.
Es widersteht der Verwitterung, dem Druck metamorpher Prozesse
und den extremen Temperaturen tiefer krustenprozesse selbst
wenn das Gestein, in dem ein Zirkonkorn eingebettet war.
Aufgeschmolzen und neu. Kristallisiert ist, bleibt der
Zirkonkristall selbst oft unversehrt.
Er ist buchstäblich ein Überlebender aus der Urzeit der
Erde. Gleichzeitig eignet sich Zirkon
hervorragend zur radiometrischen Datierung, durch die Uran Blei
Methode. Zirkon baut beim Wachsen geringe
Mengen Uran in sein Kristallgitter ein, schließt
dabei aber Blei so gut wie vollständig aus, das bedeutet
alles Blei, das sich heute im Zirkon befindet, ist aus dem
radioaktiven Zerfall von Uran entstanden, da die
Zerfallskonstanten von Uran. 238 und Uran 235 sehr präzise
bekannt sind, lässt sich aus dem Verhältnis von Uran zu Blei das
Alter des Kristalls mit enormer Genauigkeit bestimmen.
Die Uranbleidatierung von Zirkonen ist die zuverlässigste
Methode der Geochronologie und hat unser Verständnis der
Erdgeschichte fundamental geprägt.
Kommen wir nun zu der Anwendung, die Zirkonium weltbekannt, wenn
auch unter falschem Namen, gemacht hat.
Dem kubischen Zirkoniumdioxid, abgekürzt CZ, von englisch Cubic
circonia. Dieser synthetische Kristall
wird seit den 1970er Jahren industriell hergestellt und ist
der verbreitetste Diamantersatz der Welt.
Kubisches Zirkoniumdioxid entsteht.
Wenn Zirkoniumdioxid z Ro 2 durch Zugabe von Ötriumoxid oder
anderen Stabilisatoren in seiner kubischen Kristallstruktur
stabilisiert und dann aus der Schmelze.
Zu großen. Makellosen Kristallen gezüchtet
wird. Das Ergebnis ist ein farbloses,
hochbrechendes Material mit einem Brechungsindex zwischen
2,15 und 2,18 zum Vergleich. Diamant hat einen Brechungsindex
von 2,42 CZ, ist also etwas weniger stark, stark
lichtbrechend als Diamant, aber mit einem
Dispersionskoeffizienten von 0,058 gegenüber 0,044.
Beim Diamant bricht es weißes Licht sogar stärker in seine
Spektralfarben auf. Das Ergebnis ist ein Feuerwerk
aus Regenbogenfarben, das CZ für viele Menschen sogar attraktiver
erscheinen lässt als echte Diamanten.
Kubisches Zirkoniumdioxid ist nahezu makellos, da es
synthetisch hergestellt wird, ohne die natürlichen Einschlüsse
und Fehler, die bei Naturdiamonten häufig sind.
Es hat eine Mooshärte von 8 bis 8,5.
Während Diamant mit 10 die härteste natürliche Substanz
ist. CZ ist also deutlich weicher und
verkratzt im Laufe der Zeit leichter.
Dennoch ist es für die meisten Alltagsanwendungen in Schmuck
vollkommen geeignet und kostet einen Bruchteil des Preises
eines echten Diamanten allein in den Vereinigten Staaten werden
jährlich mehrere 100000000 CZ Steine verkauft.
Die Verwechslungsgefahr zwischen CZ und echtem Diamant ist
erheblich. Sogar Expertinnen und Experten
können beide ohne Messinstrumente kaum
unterscheiden. Der zuverlässigste Test ist die
Wärmeleitfähigkeit Diamant ist ein außergewöhnlich guter
Wärmeleiter, CZ dagegen nicht ein sogenanntes Diamant
Testgerät, das die Wärmeleitfähigkeit misst, kann
beide sofort auseinanderhalten. Die Eigenschaft, täuschen zu
können, hat Zirkonium also buchstäblich zum bekanntesten
Imitator im Schmuckreich gemacht.
Doch die vielleicht wichtigste Anwendung von Zirkonium und die,
die von seiner Entdeckung am meisten abhängt, liegt weit
entfernt von Schmuckvitrinen in Kernkraftwerken.
Zirkonium hat eine außergewöhnlich geringe
Neutronenabsorptionsquerschnitt, das bedeutet.
Es absorbiert kaum Neutronen beim Kernspaltungsprozess.
Diese Eigenschaft macht es zum idealen Hüllmaterial für
Kernbrennstäbe in Leichtwasserreaktoren.
In einem Kernreaktor sind die Brennstoffpellets aus Uranoxid
von Hüllrohren umgeben, die sie mechanisch zusammenhalten und
den Brennstoff vom Kühlwasser trennen.
Diese Hüllrohre müssen dem Neutronenfluss standhalten, ohne
die Kettenreaktion wesentlich zu beeinträchtigen.
Zirkoniumlegierungen die gebräuchlichsten sind Zirkaloi 2
und zirkaloi 4 Legierungen aus Zirkonium mit kleinen Anteilen
Zinn, Eisen, Chrom und Nickel erfüllen diese Anforderung
nahezu ideal. Mehr als 90% des weltweit
produzierten Zirkoniummetalls gehen in die Nuklearindustrie.
Ein einziger Kernreaktor enthält dutzende Tonnen
Zirkoniumlegierungen in Form von Brennstabhüllen und
Strukturbauteilen. Die nukleare Reinheit des
Zirkoniums ist dabei von entscheidender Bedeutung.
Natürliches Zirkonium enthält immer geringe Mengen hafnium,
das chemisch nahezu identisch mit Zirkonium ist, aber einen
extrem hohen Neutronenabsorptionsquerschnitt
hat. Das Gegenteil von dem, was man
im Reaktor braucht für nukleare Anwendungen, muss der
Hafniumgehalt auf unter 100 Parts per 1000000 reduziert
werden, was aufwändige chemische Trennprozesse erfordert.
Die Bedeutung von Zirkonium für die Nuklearsicherheit wurde auf
tragische Weise sichtbar. Bei den Reaktorunfällen in
Tschernobyl, 1986 und in Fukushima 2011 bei extrem hohen
Temperaturen oberhalb von etwa 1200 Grad Celsius reagiert
Zirkonium mit Wasserdampf und bildet dabei Zirkoniumdioxid und
Wasserstoffgas. Wasserstoff ist Hochexplosiv und
bei beiden Katastrophen trugen Wasserstoffexplosionen, die auf
überhitzte Zirkoniumhüllen zurückgingen, erheblich zur
Eskalation der Unfälle bei. Die Entwicklung von
Zirkoniumlegierungen mit verbesserter
Oxidationsbeständigkeit bei hohen Temperaturen ist seither
ein zentrales Forschungsfeld der Reaktorsicherheit.
Abseits der Nuklearindustrie findet Zirkoniumdioxid also die
keramische Verbindung, nicht das Metall selbst.
Eine beeindruckende Vielfalt von Anwendungen, das bereits in der
Ytriumfolge erwähnte Ytriumstabilisierte
Zirkoniumdioxid Ybda and as Zeden ist eines der wichtigsten
technischen Keramikmaterialien. Es wird als Wärmedämmschicht in
Flugzeugtriebwerken aufgetragen, wo es die Turbinenschaufeln vor
den extremen Verbrennungstemperaturen
schützt. Es bildet die Elektrolytschicht
in Festoxid Brennstoffzellen, die Gase direkt in elektrischen
Strom umwandeln, und es ist das bevorzugte Material für
hochwertige Zahnkeramik. Zahnkronen und Zahnbrücken aus
Zirkoniumdioxid sind weiß wie natürliche Zähne, biokompatibel,
außerordentlich hart und bruchzäh und haben traditionelle
metallkeramik Restaurationen in der modernen Zahnmedizin
weitgehend verdrängt. In der Chemie ist
Zirkoniumdioxid ein wichtiger Katalysator und
Katalysatorträger der. Es besitzt sowohl saure als auch
basische Oberflächenstellen und katalysiert eine Vielzahl
chemischer Reaktionen, darunter die Dehydrierung von Alkoholen,
die Isomerisierung von Kohlenwasserstoffen und
Reaktionen in der Feinchemie. Zirkonium, Tetrachlorid und
verwandte Zirkoniumverbindungen sind wichtige
Katalysatorkomponenten in der Ziegler Nata Polymerisation und
in metallorganischen Katalysatoren, sogenannten
Metallozenen, die zur Herstellung maßgeschneiderter
Polymere mit definierten Eigenschaften eingesetzt werden.
Im Bereich der Oberflächenbeschichtung dient
Zirkoniumnitrid ZN. Als harte, goldfarben glänzende
Schutzschicht für Werkzeuge, uhrengehäuse und dekorative
Bauteile. Es ist härter als Titanitrit und
hat einen ähnlichen goldenen Farbton, der es zu einem
attraktiven und funktionellen Beschichtungsmaterial macht.
Zirkoniumcarbid ZRC wiederum ist eines der härtesten bekannten
Materialien und besitzt einen Schmelzpunkt von über 3500 Grad
Celsius. Er gehört damit zu den höchsten
aller bekannten Verbindungen, es wird in
Hochtemperaturbeschichtungen und als Additive in Hartmetallen
eingesetzt, medizinisch ist zirkonium ein ausgesprochen
biokompatibles Material. Es ruft im menschlichen Körper
kaum Immunreaktionen hervor und ist weder toxisch noch allergen.
Zirkonium Implantate insbesondere in der Orthopädie
und Zahnmedizin, werden von Patientinnen und Patienten mit
Metallallergien eingesetzt, die auf herkömmliche Titan oder
Kobalt Chrom Implantate nicht ausweichen können.
In der experimentellen Medizin werden Zirkoniumverbindungen
auch als Träger für Arzneimittel untersucht, die gezielt in
Gewebe transportiert werden sollen.
In der Elektronik spielen Zirkoniumverbindungen eine
wachsende Rolle, hafniumcirconat und ähnliche Verbindungen werden
als sogenannte Haica Dialektrica in der Halbleiterfertigung
eingesetzt. Als Isolationsschichten in
Transistoren ersetzen sie das klassische Siliziumdioxid, das
bei immer kleiner werdenden Transistoren zu dünn wird, um
noch ausreichend isolieren zu können.
Der Übergang zu High Car Dilectrica war ein
entscheidender Schritt bei der Weiterentwicklung moderner
Mikroprozessoren und Zirkonium, steckt also auch in den Chips
unserer Smartphones und Computer.
Noch eine Eigenschaft von Zirkonium verdient besondere
Erwähnung. Seine außergewöhnliche
Korrosionsbeständigkeit, reines Zirkoniummetall, bildet an der
Luft sofort eine dichte, festhaftende Oxidschicht, die es
vor weiterer Korrosion schützt, ähnlich wie Aluminium oder
Titan. In chemischen Anlagen wird
Zirkonium deshalb überall dort eingesetzt, wo aggressive Säuren
und Laugen mit Apparaten und Rohrleitungen in Kontakt kommen.
Salzsäure, Schwefelsäure, Salpetersäure Zirkonium
widersteht ihnen in einem breiten Konzentrations und
Temperaturbereich, wo selbst hochlegierte edelstähle
versagen. Diese Eigenschaft macht es zu
einem der bevorzugten Konstruktionsmetalle der
chemischen Industrie, auch wenn sein Preis deutlich höher liegt
als der von Stahl. Man könnte Zirkonium als das
unsichtbare Rückgrat zahlreicher Schlüsselindustrien bezeichnen,
es hält Kernkraftwerke am Laufen, bewahrt
Turbinenschaufeln vor dem Verbrennen.
Macht Smartphone Chips möglich, schützt Zähne und Gelenke, lässt
Diamanten erblassen und bewahrt in seinem Inneren die ältesten
Zeugnisse unserer Erde. Es täuscht als glitzernder
Schmuckstein, aber die eigentliche Tiefe dieses
Elements liegt nicht im Funkeln, sondern in seiner Beständigkeit,
seiner Vielseitigkeit und seiner Stillen Unverzichtbarkeit.
Die Zirkone der Jack Hills, fast so alt wie die Erde selbst,
erinnern uns daran, wie kostbar und einzigartig dieser Planet
ist. Ist 4,4 Milliarden Jahre hat die
Erde gebraucht, um das zu werden, was sie ist.
Eine Welt mit flüssigem Wasser. Mit einer schützenden
Atmosphäre, mit Ökosystemen von unvorstellbarer Komplexität und
mit einer Menschheit, die fähig ist, in winzigen Kristallen die
Geschichte des Kosmos zu lesen. Diese Welt ist nicht
selbstverständlich, und sie ist nicht unverwüstlich.
Wir sind die erste Generation, die das Ausmaß menschlicher
Eingriffe in das Erdsystem vollständig überblicken kann.
Und möglicherweise die letzte, die noch gegensteuern kann.
Der Schutz unserer natürlichen Grundlagen, unserer Demokratien,
in denen solche Entscheidungen frei und offen getroffen werden
können und der Wissenschaft, die uns den Blick für diese
Zusammenhänge schärft, ist keine Option, er ist eine Pflicht, die
wir den Zirkonen von Ueterby und den Jack Hills Schulden und
allen, die nach uns kommen. Danke, dass du heute dabei
warst, auf unserer Wissensreise durch das Periodensystem der
Elemente. Wenn dir diese Folge gefallen
hat, Teile sie gerne und hinterlasse uns eine Bewertung,
das hilft uns sehr, diesen Podcast weiterzuführen und neue
Folgen zu produzieren, bis zum nächsten Mal.