Le zirconium est l'élément chimique de numéro atomique 40, de symbole Zr.
Il a été découvert par Martin Heinrich Klaproth à Berlin, qui l'a extrait du zircon en 1789 sous forme d'oxyde. Mais ce n'est qu'en 1824, que Jöns Jacob Berzelius l'a isolé sous forme de métal à Stockholm, en Suède. En 1999 est trouvé en Australie un fin morceau de cristal de zircon de 4,4 milliards d'années d'âge : hormis certains fragments de météorites, c'est le plus vieil objet terrestre connuD'après .
C'est un métal de transition appartenant, avec le titane et l'hafnium, à la colonne IVb de la classification périodique des éléments.
Il est trois fois plus abondant que le cuivre dans la croûte terrestre, dont il compose 0,0165 % jusqu'à une profondeur de Philippe Bihouix et Benoît de Guillebon, Quel futur pour les métaux ? Raréfaction de métaux : un nouveau défi pour la société, EDP Sciences, p. 203 (principalement sous forme de zircon ZrSiO et de zircone appelé aussi zirconia ou ou dioxyde de zirconium ZrO).
Étymologie « Zirconium » dérive de « zircon », le nom du minerai à partir duquel il a été extrait pour la première fois. Ce dernier vient de l'allemand Zirkon, un nom créé par le géologue et minéralogiste Abraham Gottlob Werner en 1783, que Martin Heinrich Klaproth décidera de reprendre en 1789. La formation du mot allemand reste obscure et pourrait venir de l'arabe zarkûn, lequel découlerait du persan zargûn signifiant « couleur de l'or ».
Isotopes
Le zirconium possède 33 isotopes connus, de nombre de masse variant de 78 à 110, et 5 isomères nucléaires. Parmi ces isotopes, quatre sont stables, Zr, Zr, Zr et Zr, et sont présents dans la nature dans les rapports 51/11/17/17 avec un radioisotope naturel, nucléide primordial, Zr qui se désintègre par double désintégration β avec une demi-vie observée de 2,0×10 années..
La masse atomique standard attribuée au zirconium est de .
Production et réserves Minerai Son principal minerai, le zircon ZrSiO se présente quelquefois sous forme d'une pierre précieuse, l'hyacinthe. Il est généralement associé au titane et à l'hafnium. La teneur massique en hafnium est à peu près constante et égale à 2 %. Le zircon est un constituant des granites, il se concentre dans les sables issus de la décomposition du granite.
Production vignette| gauche| Distribution mondiale de la production de zirconium en 2005. La production mondiale de zircon est d'environ par an. La Chine a une production significative qui lui permet d'alimenter son marché intérieurPhilippe Bihouix et Benoît de Guillebon, Quel futur pour les métaux ? Raréfaction des métaux : un nouveau défi pour la société, EDP Sciences, p. 203.
Réserves Les réserves sont estimées à , ce qui représente un peu plus de 40 ans de production au rythme de consommation actuel. Cependant, la consommation a crû en moyenne de 3,4 % par an sur la période 1990-2008, en raison notamment d'une forte croissance de la demande chinoise (17,2 % par an en moyenne). Deux pays, l'Australie et l'Afrique du Sud, se partagent les deux tiers de la production et des réserves. Les États-Unis, le Brésil, l'Inde et l'Ukraine ont aussi des réserves significatives. Le zirconium pose donc des problèmes d'une part dans le niveau des réserves, et d'autre part dans le déséquilibre de la répartition géographique des réserves.
Propriétés Aspect
Le zirconium est un métal dur de couleur argenté et satiné. Sous sa forme commercialisée, il se présente en flocons durs et brillants, ou en poudre grise amorphe.
Propriétés physiques À pression atmosphérique ambiante, le zirconium peut exister sous deux variétés allotropiques : en dessous de , il est de structure hexagonale compacte (variété α) ; au-dessus de , sa structure est cubique centrée (zirconium β).
Le zirconium présente une section efficace d'absorption des neutrons dans les deux domaines thermique et rapide, très faible égale à 0,182 barn (valeur moyenne pondérée sur l'ensemble des isotopes naturels).
Caractéristiques physiques (complémentaires de celles données ci-contre) : Rayon atomique = 0,160 nm Rayon ionique = 0,080 nm Masse volumique à 20 °C = Chaleur latente de fusion = Chaleur latente d'évaporation = Capacité thermique massique à = Coefficient de dilatation thermique entre = Conductivité thermique entre = ; à = Résistivité électrique à = Température critique de supraconductivité = 0,61 K
Caractéristiques mécaniques : Dureté Vickers (à l'état recuit) = 85-100 Résistance à la traction (à l'état recuit) = 350-390 MPa Tension de fluage (à l'état recuit) = 250-310 MPa À : Dureté Brinell = 800 à 1000 MPa Résistance à la traction = 200 à 250 MPa Limite d'élasticité à 0,2 % = 100 à 150 MPa Allongement à la rupture = 30 % à 40 % Module d'élasticité = Résilience = À : Résistance à la traction = 110 MPa Limite d'élasticité à 0,2 % = 65 MPa Allongement = 45 % Module d'élasticité = 70 000 MPa Résilience =
Propriétés chimiques Le métal est extrêmement résistant à l'oxydation du fait de la formation d'un film d'oxyde stable. Il n'est corrodé ni par les acides (à l'exception de l'acide fluorhydrique), ni par les bases.
Le zirconium est un métal spécialement résistant à la corrosion par l'eau et l'eau de mer ce qui, associé à ses caractéristiques nucléaires, permet son utilisation comme matériau du gainage des combustibles utilisés dans les réacteurs à eau (REP et REB). L'eau forme une mince couche de zircone sur le métal qui le protège de la corrosion.
Les propriétés chimiques du zirconium sont très similaires à celles de l’hafnium. Par conséquent, les procédés chimiques normaux utilisés pour l'exploitation du zirconium ne supprimeront pas l’hafnium, qui peut être présent dans les qualités commerciales du zirconium à des niveaux aussi élevés que 4,5 %. Le zirconium utilisé dans le domaine nucléaire doit contenir moins de 0,01 % de hafnium qui est un poison neutronique.
Extraction séparation L'attaque du minerai est effectuée par le chlore en présence de carbone à . le chlorure de silicium est séparé des chlorures de zirconium et hafnium par condensation. La séparation zirconium hafnium s'effectue suivant deux techniques: un procédé liquide - liquide mettant notamment en œuvre la réaction de Kroll utilisant le magnésium liquide à un procédé par distillation extractive mis au point en France Le produit de séparation obtenu est une masse métallique spongieuse appelé "l'éponge de zirconium" qui constitue le point initial du raffinage ultérieur du métal
Mise en œuvre Usinage : l'usinage du zirconium requiert la prise de précautions compte tenu du caractère pyrophorique du matériau Soudage : le zirconium est soudable via des procédés adaptés tels que le soudage par faisceau d'électrons. Les assemblages bimétalliques sont également réalisables
Usages Le zirconium peut être utilisé pour les effets spéciaux : il provoque une étincelle lors de sa friction avec le sable (gros grain) dans des billes prévues à cet effet.
Carrelages La plus grande partie du zirconium est utilisée soit sous forme de zircon (silicate), soit sous forme de zircone (oxyde) pour réaliser des matériaux céramiques (opacifiant pour les émaux vitreux et comme pigment). Cet usage représente 53 % de l'utilisation mondiale de zirconiumSource : Robert Porter, ILUKA.
Secteur de la chimie Du fait de sa résistance à la corrosion le zirconium est très utilisé dans l'industrie chimique où sont utilisés des agents corrosifs. Le métal pur est également utilisé comme revêtement des moteurs à réaction. Le zirconium est utilisé comme élément d'alliage, les alliages qui en résultent ayant des caractéristiques mécaniques améliorées.
Secteur de l'industrie nucléaire et des déchets radioactifs En raison de ses excellentes propriétés aux températures élevées, et couplé à sa faible absorption des neutrons, il est utilisé dans la construction des réacteurs nucléaires fonctionnant à moins de , dont notamment les réacteurs à eau. Le zirconium sous forme métallique est utilisé pour fabriquer la gaine des « crayons » contenant les pastilles de combustible fissile introduits dans les réacteurs à eau pressurisée de centrale nucléaire. Il s'agit alors d'un alliage de zirconium purifié (notamment épuré de l'hafnium qui est un poison neutronique présent dans le minerai naturel à des concentrations situées entre 1 et 3 %). Cette utilisation représente 90 % de la production de zirconium métal. Cependant, le zirconium métal ne représente qu'un faible pourcentage de l'utilisation de l'élément zirconium, de l'ordre de 1 %Philippe Bihouix, Benoît de Guillebon, Quel futur pour les métaux ? Raréfaction des métaux : un nouveau défi pour la société, EDP Sciences, p. 203. Pour ses propriétés physico-chimiques (résistance à la corrosion, résistance à l'irradiation, grande pénétrabilité des neutrons lents, conservation des propriétés à haute température), ce métal est utilisé dans l'industrie nucléaire ou chimique, sous forme d'alliages tels que le Zircaloy (avec de l'étain, du fer et du chrome) ou de verre de zircon employé pour le confinement en sarcophage de déchets radioactifs (par ex. du plutonium). Selon les , ce type de sarcophage pourrait contenir la radioactivité au moins , ce qui est encore loin du minimum de requis pour les déchets radioactifs les plus dangereuxHaggerty, S. E. Radioactive nuclear waste stabilization - Aspects of solid-state molecular engineering and applied geochemistry ; Journal: IN: Annual review of earth and planetary sciences. Volume 11 (A83-33477 14-42). Palo Alto, CA, Annual Reviews, Inc., 1983, p.133-163.].
La quantité de zirconium consommée pour la fabrication du combustible nucléaire en France est voisine de 321 tonnes par an.
Revêtement réfractaire Le zirconium est utilisé pour protéger la paroi intérieure de fours et de réacteurs (chimiques) : fabrication de creusets de fonderie, de briques et d'abrasifs. Cet usage représente 13 % de l'utilisation du zirconium.
Faux diamant L'oxyde de zirconium, appelé zircone ou , permet de fabriquer des imitations de diamant ().
L'orthosilicate de zirconium (hyacinthe ou zircon) était déjà utilisé par les anciens Égyptiens, notamment pour des bijoux en forme du dieu scarabée, Khepri, symbole de la fertilité.
Il est aujourd'hui notamment utilisé pour traiter la surface des verres de lunette, contre les rayures.
Prothèse dentaire L'oxyde de zirconium, par ses propriétés mécaniques, son excellente biocompatibilité et son rendu esthétique, est un matériau de choix pour l'élaboration de restaurations dentaires de grande qualité. Les armatures contenant du zirconium, légèrement translucides, sont parfois jugées plus esthétiques car un peu moins visibles que les armatures métalliques classiques. Les forces de van der Waals assurent une cohésion aussi efficace de la céramique sur le zirconium que sur un support métallique.
De l'oxyde de zirconium peut être utilisé pour les couronnes unitaires, les bridges, les reconstitutions intracoronaires (inlay core), les facettes esthétiques.
Selon les différentes marques, il reste après le fraisage, et avant de procéder au montage de la céramique, une étape de sintérisation ou de frittage dans des fours spéciaux.
L'oxyde de zirconium rentre dans la fabrication de piliers d'implants dentaires qui sont fraisés par ordinateur ou par copie manuelle.
Il semble être le seul matériau à n'offrir aucune adhérence à la plaque dentaire (ce qui laisse penser qu'il pourrait avoir des propriétés biocides).
Sonde à oxygène Les sondes de mesure de la teneur en oxygène associées aux catalyseurs des moteurs à essence sont à base d'oxyde de zirconium, dopé à l'yttrium.
Ces sondes sont également utilisées dans les fours de traitement thermique des métaux (cémentation et carbonitruration) pour en déduire par calcul le potentiel carbone de l'atmosphère du four.
Métallurgie Le zirconium est un anti-recristallisant fréquemment utilisé dans certains alliages d'aluminium.