O zirconium, de symbole Zr, de numéro atomique 40, est un élément chimique appartenant au groupe 5 de la Tableau périodique. Il se distingue par sa grande résistance à la corrosion, ainsi que par sa bonne stabilité thermique.
l'élément est chimiquement très semblable à hafnium, et de ce fait, chaque échantillon de zirconium naturel a une faible teneur en hafnium. Il est abondant dans la croûte terrestre, avec une teneur bien supérieure à celle d'éléments largement utilisés tels que le cuivre, le zinc et le plomb.
Le zirconium a large application dans l'industrie nucléaire, car sa faible absorption neutronique en fait un excellent revêtement pour les combustibles riches en dioxyde d'uranium. De plus, comme il est considéré comme non toxique et très biocompatible, le zirconium est utilisé dans les prothèses chirurgicales et les implants.
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Résumé sur le zirconium
Le zirconium est un métal appartenant au groupe 5 du tableau périodique.
Il apparaît toujours dans la nature avec une faible teneur en hafnium, car ces éléments sont chimiquement très similaires.
La zirconite et la baddeleyite sont les principaux minerais de zirconium.
La séparation entre le zirconium et l'hafnium est très difficile.
Le zirconium a une bonne résistance à la corrosion et aux hautes températures.
Il peut être utilisé dans les implants dentaires et autres prothèses, car il est non toxique et a une biocompatibilité élevée.
Une grande partie du zirconium est utilisée par l'industrie nucléaire.
L'élément a été découvert en 1789 par le scientifique allemand Martin Klaproth.
Propriétés du zirconium
symbole: Zr.
numéro atomique: 40.
masse atomique: 91.224 u.m.c.
électronégativité: 1,33.
Point de fusion: 1855°C.
Point d'ébullition: 4409°C.
Densité: 6.52 g.cm-3 (à 20°C).
configuration électronique: [Kr] 5s2 4d2.
Chimie Série: groupe 4, métaux de transition.
Caractéristiques du zirconium
Le zirconium, sous sa forme métallique, est un métal grisâtre et qui a une bonne résistance à la corrosion, principalement grâce à la couche de ZrO2 qui se forme autour d'elle, protégeant la masse métallique interne. Cependant, s'il est finement divisé, le zirconium est hautement pyrophorique, c'est-à-dire qu'il peut s'enflammer spontanément au contact de l'air, notamment à des températures élevées.
Chimiquement, le zirconium est très proche de l'hafnium, notamment parce que les éléments sont présents ensemble dans la nature. Ainsi, comme l'hafnium, le zirconium ne subit pas d'attaques chimiques acides dilué (sauf HF) sauf s'ils sont chauffés. Les solutions alcalines ne sont pas très efficaces sur le zirconium, même à des températures plus élevées.
Dans les systèmes à haute température, le zirconium a la capacité de réagir avec la plupart non-métaux. Lors de la réaction, on peut voir que les composés de zirconium avec un degré d'oxydation +4 sont les plus stables, comme c'est le cas de ZrO2 ou ZrCl4. Les états d'oxydation inférieurs, tels que +3, sont moins stables, à la différence de titane, l'élément le plus léger du groupe 4, qui présente une bonne stabilité avec cette charge.
Où peut-on trouver du zirconium ?
Parmi les éléments du bloc d du tableau périodique, le zirconium est le quatrième le plus abondant, derrière fer à repasser, titane et manganèse. Ils existent plus de 30 minerais que j'aietm zirconium dans sa constitution. Parmi les plus connues et les plus importantes figurent la zirconite (appelée aussi zircon), ZrSiO4, et la baddeleyite (ou baddeleite), ZrO2. La baddeleyite se trouve même au Brésil.
Les pays possédant les plus grandes réserves de zirconium sont l'Australie, l'Afrique du Sud et le Mozambique. Cependant, les plus gros producteurs sont la Chine, la France, l'Inde, la Russie, l'Allemagne et les États-Unis.
Fait intéressant, le zirconium On le trouve abondamment dans certains étoiles. L'élément a même été identifié dans le soleil et dans les météorites. Les échantillons lunaires obtenus lors des missions Apollo ont prouvé une teneur élevée en ZrO2 dans ces roches par rapport aux roches terrestres.
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Obtention du zirconium
le zirconium se produit naturellement avec l'hafnium, toujours avec une teneur en deuxième élément variant de 1 à 3 % en masse. Malgré leur faible contenu, la séparation entre les deux est très difficile.
Généralement, le procédé Kroll est utilisé pour l'extraction du zirconium. Dans ce processus, le ZrO2 contenu dans les minerais est converti, à haute température, en ZrCl4. De cette manière, le zirconium peut être obtenu en utilisant du magnésium comme réducteur. Les réactions suivantes illustrent le processus.
ZrO2 → ZrCl4 (à l'aide de CCl4 à une température de 770 K)
ZrCl4 → Zr (utilisant Mg dans une atmosphère d'Ar à 1420 K de température)
Cependant, la grande similitude chimique entre Zr et Hf signifie que l'hafnium reste dans le système final sous forme d'impureté persistante. Ainsi, il est nécessaire de utilisation de techniques métallurgiques pour la séparation entre Zr et Hf. L'industrie développe déjà des voies hydrométallurgiques (c'est-à-dire qui se produisent en solution aqueuse) et pyrométallurgiques (sans présence d'eau).
Une technique hydrométallurgique est la cristallisation fractionnée des sels de K2ZrF6 et K2HfF6, qui n'ont pas la même solubilité dans l'eau. Une autre technique en solution est l'extraction par solvant, dans laquelle les composés Zr et Hf sont dissous. dans l'eau puis extrait sélectivement avec des solvants organiques tels que la méthyl isobutyl cétone et hommage. Compte tenu de la difficulté de séparation, le zirconium commercial est couramment commercialisé avec une teneur de 1 à 3 % en masse de Hf.
applications de zirconium
Le zirconium métallique est Employé dans ligues, principalement en acier, pour les rendre meilleures en termes de résistance mécanique et corrosive. La stabilité du métal à haute température lui permet également d'être utilisé dans les vaisseaux spatiaux, qui subissent de nombreux dégâts en raison des conditions extrêmes rencontrées lors de la rentrée dans l'atmosphère terrestre.
Le zirconium étant reconnu comme un élément non toxique et très résistant à la corrosion, en plus d'avoir une bonne biocompatibilité, son l'utilisation dans des applications chirurgicales est également explorée, comme dans les prothèses dentaires et les implants.
Dioxyde de zirconium, ZrO2, a un point de fusion très élevé, de l'ordre de 2500 °C. Ainsi, il est utilisé dans fabrication de contenants à haute résistance à la chaleur, en plus de la céramique hautement résistante. Ces céramiques ont même été exploitées dans des machines de découpe pour cette raison. Le ZrO2 Il peut également être utilisé dans les cosmétiques, les antisudorifiques, les emballages alimentaires et même les fausses pierres précieuses.
Il convient de noter qu'une grande partie du zirconium est utilisée par les industrie nucléaire. Il y a, par exemple, la ligue Zircaloy®, un alliage métallique de zirconium et d'étain développé exclusivement à des fins nucléaires.
Dans l'industrie nucléaire, le zirconium est utilisé dans les emballages contenantêm oxyde d'uranium, carburant de centrales électriques. Parce qu'il est très résistant à l'eau et avec une faible capture de neutrons, il s'avère être un bon matériau à cet effet. Il convient de rappeler que les neutrons sont utilisés pendant fission, et il est donc essentiel que le zirconium ne les capte pas. La non-capture fait également que le zirconium ne se montre pas radioactivité. C'est pourquoi, dans ce cas, le zirconium ne peut pas avoir de traces d'hafnium, un métal qui a une grande capacité à capter les neutrons.
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histoire du zirconium
Le nom de zirconium dérive probablement de sargon, un mot de la langue syriaque utilisé pour décrire les couleurs des pierres précieuses qui sont maintenant connues sous le nom de zircone. Bien que les minéraux étaient déjà connus, on ne savait pas qu'ils contenaient un nouvel élément jusqu'à ce que Martin Heirinch Klaproth, en 1789, a réussi à détecter l'élément à Berlin. Le scientifique allemand a décidé de nommer l'élément zirkhorn.
L'année 1789 a été très importante pour Klaproth, car cette même année, le scientifique a découvert l'élément uranium.
Exercices résolus sur le zirconium
question 1
(FGV SP/2014 - adapté) Une nouvelle classe prometteuse de matériaux supraconducteurs est basée sur le composé diborure de vanadium-zirconium. Ce composé est synthétisé à partir d'un sel de zirconium (IV).
(Magazine Recherche Fsinge, Juin 2013. Adapté)
Le nombre de protons et d'électrons dans l'ion Zr4+ est égal respectivement à :
A) 36; 40
B) 40; 40
C) 40; 44
D) 40; 36
E) 36; 36
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Lettre D
Comme le zirconium a numéro atomique égal à 40, on peut conclure que son nombre de protons est également 40, car le numéro atomique est numériquement égal au nombre de protons.
Présentant une charge égale à +4, on sait que le zirconium sous cette forme possède quatre électrons sauf sous sa forme neutre.
Lorsqu'il est neutre, le nombre de protons est égal au nombre d'électrons, c'est-à-dire qu'à l'origine, le zirconium a 40 protons et 40 électrons. Perdant quatre électrons, le zirconium n'en reste plus que 36.
question 2
(Uerj 2013 —adapté) Le dioxyde de zirconium ressemble au diamant, une forme allotropique de carbone, qui peut remplacer les bijoux à bas prix.
Cochez l'alternative qui contient la formule chimique du dioxyde de zirconium, ainsi que le type de liaison interatomique de cette substance.
A) ZrO4, covalent.
B) ZrO2, ionique.
C) ZrO2, covalent.
D) ZrO4, ionique.
E) ZrO2, métallique.
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La lettre B
Le dioxyde de zirconium, comme son nom l'indique, ne doit contenir que deux atomes de oxygène. Ainsi, la formule attendue est ZrO2. De plus, le zirconium acquiert couramment un état d'oxydation égal à +4.
Le type de liaison interatomique est ionique, pour deux raisons :
le zirconium est un métal et l'oxygène est un non-métal ;
la différence de électronégativité entre les deux est supérieur à 1,7 (3,5 – 1,3 = 2,2).
Par Stefano Araújo Novais
Professeur de chimie