Úvod
Zirkonium (Zr) je stříbřitě bílý, lesklý a velmi pevný kov. Vyniká mimořádnou odolností vůči korozi, což ho činí cenným v mnoha průmyslových odvětvích, zejména v jaderné energetice a při výrobě chemických aparatur. Jeho protonové číslo je 40 a v periodické tabulce ho řadíme mezi přechodné kovy do 4. skupiny. V přírodě se nevyskytuje jako ryzí prvek, ale je vázaný v minerálech. Hlavním zdrojem pro jeho získávání je minerál zirkon (silikát zirkoničitý), který se těží především v Austrálii a Jihoafrické republice.
Vlastnosti
Zirkonium (Zr) je stříbřitě bílý, lesklý a kujný přechodný kov s protonovým číslem 40, nacházející se ve 4. skupině periodické tabulky. Vyznačuje se vysokou teplotou tání okolo 1855 °C a extrémně vysokou teplotou varu přesahující 4400 °C. Jeho klíčovou vlastností je mimořádná odolnost vůči korozi, kterou zajišťuje tenká, ale velmi stabilní pasivní vrstva oxidu, tvořící se samovolně na jeho povrchu. Díky této ochranné vrstvě skvěle odolává působení většiny kyselin, zásad i slané vody. Tento prvek je také paramagnetický a jeho hustota je přibližně 6,52 g/cm³. Pro jaderné aplikace je naprosto zásadní jeho velmi nízký záchytný průřez pro tepelné neutrony.
Vznik názvu
Název zirkonium je odvozen od minerálu zirkon, což je nejběžnější zdroj tohoto prvku. Slovo zirkon samotné pochází z perského výrazu „zargun“, který v překladu znamená „zlaté barvy“. Odkazuje to na zbarvení některých drahokamových odrůd tohoto minerálu, ačkoliv kovové zirkonium je stříbřitě bílé.
Objev
Historie zirkonia začala v roce 1789, kdy německý chemik Martin Heinrich Klaproth analyzoval drahokam zirkon pocházející z Cejlonu. Identifikoval v něm novou „zemi“, kterou nazval Zirkonerde (oxid zirkoničitý). Jméno odvodil z perského slova „zargun“, což znamená „zlaté barvy“, odkazující na barevné varianty drahokamu. Izolovat čistý, i když ne zcela ryzí kov, se podařilo až v roce 1824 švédskému chemikovi Jönsovi Jacobu Berzeliovi. Ten provedl redukci fluoridu draselno-zirkoničitého pomocí draslíku. Skutečně čisté a kujné zirkonium bylo připraveno až ve 20. století pomocí van Arkel-de Boerova procesu, což otevřelo cestu k jeho průmyslovému využití.
Výskyt v přírodě
Zirkonium se v přírodě nevyskytuje v ryzí formě, ale je relativně hojně rozšířeno v zemské kůře, kde se nachází především ve formě minerálů. Nejdůležitějšími zdroji jsou zirkon (ZrSiO₄), což je křemičitan zirkoničitý, a v menší míře baddeleyit (ZrO₂), tedy oxid zirkoničitý. Tato ložiska se často nacházejí v sedimentárních horninách, zejména v plážových píscích v Austrálii či Jižní Africe. Průmyslová výroba probíhá tzv. Krollovým procesem. Ruda se nejprve převede na chlorid zirkoničitý (ZrCl₄), který je následně v inertní atmosféře redukován roztaveným hořčíkem za vysokých teplot. Výsledkem je houbovité zirkonium, které se dále čistí.
Využití
Zirkonium nachází zásadní uplatnění v jaderné energetice, kde jeho slitiny (Zircaloy) tvoří povlaky palivových tyčí díky výjimečné odolnosti vůči korozi a nízkému záchytu neutronů. V průmyslu se využívá pro výrobu korozivzdorných chemických aparatur a jako součást superslitin v leteckých motorech. Oxid zirkoničitý, extrémně tvrdá keramika, slouží k výrobě řezných nástrojů, dentálních implantátů a umělých kloubů. V přírodě prvek aktivní biologickou roli nehraje, jeho nejvýznamnějším výskytem je minerál zirkon, který díky své stabilitě funguje jako geologické hodiny pro datování nejstarších hornin na Zemi.
Sloučeniny
Přirozeně se zirkonium vyskytuje především jako křemičitan zirkoničitý (ZrSiO₄), známý jako minerál zirkon, a v menší míře jako oxid zirkoničitý (ZrO₂), minerál baddeleyit. Člověkem vyrobené sloučeniny mají široké využití. Nejvýznamnější je syntetický oxid zirkoničitý, keramika s vysokou teplotní odolností a tvrdostí, jehož krystalická forma, kubická zirkonie, je populární náhražkou diamantu. Pro průmyslové účely se vyrábí také extrémně tvrdý karbid zirkoničitý (ZrC) pro řezné nástroje nebo chlorid zirkoničitý (ZrCl₄), který slouží jako meziprodukt při výrobě čistého kovového zirkonia.
Zajímavosti
Jednou z nejunikátnějších vlastností zirkonia je jeho extrémně nízká schopnost pohlcovat tepelné neutrony, což ho činí prakticky „neviditelným“ v jaderném reaktoru a ideálním materiálem pro palivové články. Je vysoce biokompatibilní, nereaguje s tělními tekutinami, proto se z něj vyrábějí dlouhotrvající kloubní a zubní náhrady. V jemně rozptýlené práškové formě je tento kov pyrophorický, tedy může se na vzduchu samovolně vznítit. Jeho slitina s niobem se při velmi nízkých teplotách stává supravodičem, využívaným v silných magnetech pro přístroje magnetické rezonance.
