40. Zirkonium (Zr): Der diamantgleiche Täuscher

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0:36 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.

1:02 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.

1:51 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.

2:20 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.

2:56 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.

3:27 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.

4:08 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.

5:08 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

6:18 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.

6:45 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

7:45 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.

8:21 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.

9:19 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.

9:56 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.

10:43 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.

11:20 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.

11:54 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.

12:32 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.

12:56 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.

13:23 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.

14:05 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.

14:32 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.

15:28 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,

16:22 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

17:12 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.

17:42 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.

18:17 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.

18:48 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.

19:14 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.

19:58 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.

20:35 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.

21:00 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.

21:38 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,

22:23 das hilft uns sehr, diesen Podcast weiterzuführen und neue Folgen zu produzieren, bis zum nächsten Mal.