Zirkonium

Rozbalit box

Obsah boxu

Zirkonium (chemická značka Zr, latinsky Zirconium) je lesklý, šedobílý a velmi odolný přechodný kov. V periodické tabulce se nachází ve 4. skupině, hned pod titanem, s nímž sdílí některé vlastnosti. Jeho nejvýznamnějšími charakteristikami jsou mimořádná odolnost vůči korozi a velmi nízká schopnost pohlcovat neutrony, což z něj činí klíčový materiál v jaderné energetice. V přírodě se vyskytuje především v minerálech jako zirkon a baddeleyit.

🧪 Chemické a fyzikální vlastnosti

Zirkonium je v čisté formě stříbřitě bílý, kujný a tažný kov. Je lehčí než ocel, ale svými vlastnostmi se podobá titanu. Při pokojové teplotě má hexagonální těsně uspořádanou krystalovou strukturu (alfa-fáze), která se při teplotě 863 °C mění na kubickou prostorově centrovanou (beta-fáze).

Jeho nejvýraznější chemickou vlastností je vynikající odolnost vůči korozi. Zirkonium odolává působení kyselin (včetně koncentrované kyseliny sírové a chlorovodíkové), zásad, slané vody a dalších agresivních chemických látek. Tato odolnost je způsobena tvorbou tenké, velmi stabilní a pasivní vrstvy oxidu na povrchu kovu.

Při vysokých teplotách se však stává reaktivnějším a ochotně reaguje s kyslíkem, dusíkem a dalšími prvky. V jemně práškové formě je zirkonium vysoce hořlavé a může se samovolně vznítit na vzduchu (pyroforicita). Nejběžnějším a nejstabilnějším oxidačním stavem zirkonia v jeho sloučeninách je +4.

⏳ Historie

Objev zirkonia je přisuzován německému chemikovi Martinu Heinrichu Klaprothovi, který v roce 1789 analyzoval minerál zirkon pocházející z ostrova Cejlon (dnešní Srí Lanka). Klaproth identifikoval novou "zemi" (oxid), kterou pojmenoval Zirkonerde (zirkoniová zemina). Název odvodil od perského slova zargun, což znamená "zlaté barvy", a odkazoval tak na barvu některých odrůd zirkonu.

Izolovat zirkonium v kovové, i když nečisté formě, se podařilo až v roce 1824 švédskému chemikovi Jönsi Jacobu Berzeliusovi. Ten zahříval směs hexafluorozirkoničitanu draselného s draslíkem a získal černý prášek.

Výroba vysoce čistého a tvárného zirkonia byla však dlouho velkou výzvou. Průlom nastal až ve 20. století. V roce 1925 vyvinuli Anton Eduard van Arkel a Jan Hendrik de Boer tzv. "krystalový tyčový proces" (neboli jodidový proces), který umožnil přípravu velmi čistého kovu. Pro komerční velkovýrobu se později prosadil Krollův proces, původně vyvinutý pro titan, který je ekonomicky výhodnější.

🌍 Výskyt a těžba

Zirkonium se v zemské kůře vyskytuje v koncentraci přibližně 165 ppm, což jej činí relativně hojným prvkem, běžnějším než například měď nebo zinek. Nikdy se však nenachází jako ryzí kov, ale vždy ve formě sloučenin.

Hlavními komerčně těženými minerály jsou:

Zirkon (ZrSiO₄) – křemičitan zirkoničitý, nejběžnější zdroj. Těží se především z písků a štěrků v pobřežních oblastech.
Baddeleyit (ZrO₂) – oxid zirkoničitý, méně častý, ale s vyšším obsahem zirkonia.

Největšími světovými producenty zirkonových rud jsou Austrálie, Jihoafrická republika, Čína a Indonésie. Těžba probíhá povrchově, kde se z pískových ložisek separují těžké minerály pomocí gravitačních a magnetických metod. Zirkon je často vedlejším produktem při těžbě rud titanu, jako jsou ilmenit a rutil.

⚙️ Výroba

Průmyslová výroba čistého zirkonia je komplexní proces, který vyžaduje oddělení od chemicky velmi podobného hafnia. Hafnium se v zirkonových rudách vždy vyskytuje v množství 1–3 % a pro jaderné aplikace musí být odstraněno, protože na rozdíl od zirkonia silně pohlcuje neutrony.

Výrobní postup obvykle zahrnuje následující kroky: 1. Zpracování rudy: Zirkonový písek se taví s uhlíkem v elektrické obloukové peci za vzniku karbidonitridu zirkonia, který se následně zpracovává chlorem za vzniku chloridu zirkoničitého (ZrCl₄). 2. Separace hafnia: ZrCl₄ se rozpustí a pomocí vícestupňové kapalinové extrakce se oddělí chlorid hafničitý (HfCl₄). Tento krok je klíčový pro získání zirkonia jaderné čistoty. 3. Redukce (Krollův proces): Vyčištěný ZrCl₄ se v reaktoru za vysoké teploty (cca 1100 °C) v atmosféře inertního plynu (argon) redukuje roztaveným hořčíkem. Výsledkem je houbovité zirkonium a chlorid hořečnatý. 4. Čištění: Zirkoniová houba se dále čistí vakuovou destilací, aby se odstranily zbytky hořčíku a jeho chloridu. Následně se přetaví ve vakuové obloukové peci na pevné ingoty. Pro nejvyšší čistotu se používá jodidový proces.

⚛️ Využití v jaderné energetice

Nejdůležitější a strategické využití zirkonia je v jaderných reaktorech, především v tlakovodních (PWR) a varných (BWR) typech. Důvodem je unikátní kombinace vlastností:

Extrémně nízký účinný průřez pro záchyt neutronů: Zirkonium téměř nepohlcuje neutrony, které jsou nezbytné pro udržení štěpné řetězové reakce. Díky tomu je palivo efektivnější.
Vysoká odolnost vůči korozi: Kov odolává vysokým teplotám a tlaku vody v reaktoru bez degradace.
Dobrá mechanická pevnost: I při vysokých teplotách si zachovává pevnost a stabilitu.

Z těchto důvodů se slitiny zirkonia, známé jako Zircaloy, používají k výrobě povlakových trubiček pro jaderné palivové proutky. Tyto trubičky hermeticky uzavírají uranové tablety a tvoří první bariéru proti úniku radioaktivních produktů štěpení.

🛠️ Další průmyslové využití

Díky své výjimečné odolnosti vůči korozi se zirkonium a jeho slitiny uplatňují i v chemickém průmyslu. Používá se pro výrobu potrubí, ventilů, tepelných výměníků a reaktorových nádob, které přicházejí do styku s vysoce agresivními látkami, jako jsou silné kyseliny a zásady.

Další významné oblasti využití zahrnují:

Slitiny: V malých množstvích se přidává do oceli jako legující prvek pro zvýšení pevnosti. Slitiny s niobem jsou supravodivé při nízkých teplotách a používají se pro výrobu supravodivých magnetů.
Pyrotechnika: Práškové zirkonium hoří za vysoké teploty a jasného bílého světla, čehož se využívá ve vojenských zápalných zařízeních, pyrotechnice a roznětkách.
Vakuová technika: Působí jako getr, tedy látka pohlcující zbytkové plyny ve vakuových trubicích a systémech.
Medicína: Pro svou biokompatibilitu a nízkou toxicitu se zirkonium a jeho sloučeniny, především oxid zirkoničitý, používají na výrobu zubních implantátů, kloubních náhrad a chirurgických nástrojů.

💎 Zirkon a zirkonia jako drahokamy

V souvislosti se zirkoniem často dochází k záměně tří různých materiálů: 1. Zirkonium: Chemický prvek, stříbřitý kov. 2. Zirkon: Přírodní drahokam, křemičitan zirkoničitý (ZrSiO₄). Vyskytuje se v různých barvách (bezbarvý, modrý, červený, hnědý) a je ceněn pro svůj vysoký lesk a disperzi světla ("oheň"). 3. Kubická zirkonie (CZ): Synteticky vyráběný krystal oxidu zirkoničitého (ZrO₂). Je to nejznámější a nejpoužívanější imitace diamantu. Je tvrdá, opticky bezchybná a díky vysokému indexu lomu a disperzi se diamantům velmi podobá, je však výrazně levnější.

⚕️ Biologická role a toxicita

Zirkonium nemá žádnou známou biologickou roli v lidském těle ani v jiných organismech. Kovové zirkonium a jeho stabilní sloučeniny jsou považovány za netoxické a biokompatibilní. Tělo je velmi špatně vstřebává a při kontaktu s kůží nebo požití nevyvolávají žádné negativní reakce. Z tohoto důvodu se bezpečně používají v medicíně, například v zubních implantátech.

Určité riziko představuje pouze jemný prach zirkonia, který může při vdechování dráždit dýchací cesty. Jak již bylo zmíněno, tento prach je také vysoce hořlavý a v uzavřených prostorech může při smíchání se vzduchem vytvořit výbušnou směs.

📈 Ekonomika a trh

Trh se zirkoniem je úzce spjat s poptávkou v jaderné energetice a v chemickém a keramickém průmyslu. Cena zirkonia jaderné čistoty je výrazně vyšší než cena kovu pro běžné průmyslové účely kvůli nákladnému procesu oddělování hafnia.

V posledních letech (k roku 2025) roste poptávka po zirkonu a oxidu zirkoničitém (zirkonii) pro výrobu pokročilé keramiky, zejména v elektronice, dentální medicíně a jako tepelné bariéry pro proudové motory. Očekává se, že s renesancí jaderné energetiky a vývojem nových typů reaktorů poroste i strategický význam zirkonia.

⚛️ Pro laiky

Zirkonium si lze představit jako materiál s několika superschopnostmi.

Neviditelný štít v jaderných elektrárnách: V srdci jaderného reaktoru létají neviditelné částice zvané neutrony, které štěpí uran a uvolňují energii. Většina kovů by tyto neutrony pohltila a zastavila reakci. Zirkonium je pro ně ale téměř "průhledné" – nechá je proletět bez povšimnutí. Proto se z něj vyrábí obaly na jaderné palivo, které ho chrání a zároveň nebrání výrobě energie.
Chemický superhrdina: Ponořte obyčejný železný hřebík do kyseliny a za chvíli se rozpustí. Udělejte to samé se zirkoniem a nestane se mu prakticky nic. Jeho povrch si vytvoří neproniknutelnou ochrannou vrstvu, která ho činí odolným vůči téměř všem chemikáliím. Proto se z něj vyrábí zařízení pro nejnáročnější chemické provozy.
Mistr převleků: Nenechte se zmást názvy. Zirkonium je kov. Zirkon je krásný přírodní drahokam, který se těží ze země. A kubická zirkonie je jeho uměle vyrobený příbuzný, který se tak dokonale podobá diamantu, že se používá ve šperkařství jako jeho dostupnější náhrada.

Zdroje