Propriétés, occurrence et utilisations
Le zirconium, obscur avant la fin des années 1940, est devenu un matériau dingénierie important pour les applications de lénergie nucléaire car il est hautement transparent aux neutrons . Lélément a été identifié (1789) dans le zircon, ZrSiO4 (orthosilicate de zirconium), à partir de son oxyde par le chimiste allemand Martin Heinrich Klaproth, et le métal a été isolé (1824) sous forme impure par le chimiste suédois Jöns Jacob Berzelius. Le métal impur, même pur à 99%, est dur et cassant. Le métal blanc, mou, malléable et ductile de plus grande pureté a dabord été produit en quantité (1925) par les chimistes néerlandais Anton E. van Arkel et J.H. de Boer par la décomposition thermique du tétraiodure de zirconium, ZrI4. Au début des années 1940, William Justin Kroll du Luxembourg a développé son procédé moins coûteux de fabrication du métal basé sur la réduction du tétrachlorure de zirconium, ZrCl4, par le magnésium. Au début du 21e siècle, les principaux producteurs de zirconium étaient lAustralie, lAfrique du Sud, la Chine et lIndonésie; Le Mozambique, lInde et Sri Lanka étaient des producteurs supplémentaires.
Dschwen
Le zirconium est relativement abondant dans la Terre croûte, mais pas dans les dépôts concentrés, et est typiquement observée dans les étoiles de type S. Le zircon minéral, qui se trouve généralement dans les dépôts alluviaux des lits de cours deau, des plages océaniques ou des anciens lits de lacs, est la seule source commerciale de zirconium. La baddeleyite, qui est essentiellement du dioxyde de zirconium pur, ZrO2, est le seul autre minéral de zirconium important, mais le produit commercial est récupéré à moindre coût à partir du zircon. Le zirconium est produit selon le même procédé que celui utilisé pour le titane. Ces minéraux de zirconium ont généralement une teneur en hafnium qui varie de quelques dixièmes de 1 pour cent à plusieurs pour cent. À certaines fins, la séparation des deux éléments nest pas importante: le zirconium contenant environ 1% dhafnium est aussi acceptable que le zirconium pur.
Lutilisation la plus importante du zirconium est dans les réacteurs nucléaires pour le gainage des barres de combustible, pour lalliage avec de luranium et pour les structures cœur-réacteur en raison de sa combinaison unique de propriétés. Le zirconium a une bonne résistance à des températures élevées, résiste à la corrosion des réfrigérants à circulation rapide, ne forme pas disotopes hautement radioactifs et résiste aux dommages mécaniques dus au bombardement neutronique. Le hafnium, présent dans tous les minerais de zirconium, doit être scrupuleusement éliminé du métal destiné aux utilisations en réacteur car le hafnium absorbe fortement les neutrons thermiques.
La séparation de lhafnium et du zirconium est généralement réalisée par une procédure dextraction liquide-liquide à contre-courant. Dans la procédure, le tétrachlorure de zirconium brut est dissous dans une solution aqueuse de thiocyanate dammonium, et la méthylisobutylcétone est passée à contre-courant du mélange aqueux, avec pour résultat que le tétrachlorure dhafnium est préférentiellement extrait.
Les rayons atomiques du zirconium et de lhafnium sont respectivement de 1,45 et 1,44 Å, tandis que les rayons des ions sont Zr4 +, 0,74 Å et Hf4 +, 0,75 Å. Lidentité virtuelle des tailles atomiques et ioniques, résultant de la contraction des lanthanoïdes, a pour effet de rendre le comportement chimique de ces deux éléments plus similaire que pour toute autre paire déléments connus. Bien que la chimie du hafnium ait été moins étudiée que celle du zirconium, les deux sont si similaires que seules de très petites différences quantitatives – par exemple, dans la solubilité et la volatilité des composés – seraient attendues dans les cas qui nont pas été réellement étudiés.
Le zirconium absorbe loxygène, lazote et lhydrogène en quantités étonnantes. À environ 800 ° C (1 500 ° F), il se combine chimiquement avec loxygène pour donner loxyde, ZrO2. Le zirconium réduit des matériaux de creuset réfractaires tels que les oxydes de magnésium, de béryllium et de thorium. Cette forte affinité pour loxygène et les autres gaz explique son utilisation comme getter pour éliminer les gaz résiduels dans les tubes électroniques. Aux températures normales de lair, le zirconium est passif en raison de la formation dun film protecteur doxyde ou de nitrure. Même sans ce film, le métal résiste à laction des acides faibles et des sels acides. Il est préférable de le dissoudre dans lacide fluorhydrique, procédure dans laquelle la formation de complexes fluorés anioniques est importante pour stabiliser la solution. Aux températures normales, il nest pas particulièrement réactif mais devient assez réactif avec une variété de non-métaux à des températures élevées. En raison de sa résistance élevée à la corrosion, le zirconium a été largement utilisé dans la fabrication de pompes, de vannes et déchangeurs de chaleur.Le zirconium est également utilisé comme agent dalliage dans la production de certains alliages de magnésium et comme additif dans la fabrication de certains aciers.