Zirconio

iso	NA	TD	DM	DE	DP
⁹⁰Zr	51,45%	Zr è stabile con 50 neutroni
⁹¹Zr	11,22%	Zr è stabile con 51 neutroni
⁹²Zr	17,15%	Zr è stabile con 52 neutroni
⁹³Zr	sintetico	1,53 × 10⁶ anni	β⁻	0,091	⁹³Nb
⁹⁴Zr	17,38%	Zr è stabile con 54 neutroni
⁹⁶Zr	2,8%	3,8 × 10¹⁹ anni	β⁻	3,350	⁹⁶Mo

iso: isotopo
NA: abbondanza in natura
TD: tempo di dimezzamento
DM: modalità di decadimento
DE: energia di decadimento in MeV
DP: prodotto del decadimento

Lo zirconio è l'elemento chimico di numero atomico 40. Il suo simbolo è Zr. È un metallo di transizione bianco-grigio, duro, il cui aspetto ricorda quello del titanio. Viene ottenuto perlopiù dallo zircone ed è molto resistente alla corrosione. Le leghe metalliche di zirconio sono largamente impiegate negli impianti nucleari a causa della bassa sezione di assorbimento per i neutroni, sia come rivestimento del combustibile nucleare sia nelle strutture di sostegno del nocciolo, e inoltre per la loro resistenza alla corrosione in acqua.

Indice

Caratteristiche

Zirconio, 99,97%

È un metallo bianco-grigiastro, lucente ed eccezionalmente resistente alla corrosione. Lo zirconio è più leggero dell'acciaio ed ha una durezza comparabile a quella del rame. In forma di polvere può infiammarsi spontaneamente se è esposto ad alte temperature. Conduce bene calore ed elettricità, ha un'elevata temperatura di fusione (circa 1 800 °C), le proprietà dipendono molto dalle impurezze che lo possono rendere fragile e difficile da lavorare (poco duttile).

A temperature inferiori a 35 K la lega di zinco e zirconio diventa magnetica.

Nei suoi composti, lo zirconio ha solitamente numero di ossidazione +2, +3 o +4.

Applicazioni

L'uso principale dello zirconio è sotto forma di zircone (ZrSi O₄) per materiali refrattari, sabbie da fonderia e opacizzazione della ceramica. Lo zircone è anche commerciato come pietra preziosa, usata in gioielleria. L'ossido di zirconio può venire trattato per produrre un'imitazione dei diamanti, in campo odontoiatrico è utilizzato lo zircone cubico per realizzare protesi dentali in zirconia con tecnologia CAD-CAM. Altri usi:

Lo zirconio ha una bassa sezione di assorbimento per i neutroni, proprietà che lo rende ottimo per l'impiego in materiali per il rivestimento degli elementi di combustibile destinati a impianti di produzione di energia nucleare. Più del 90% di tutto lo zirconio metallico prodotto viene usato dalle centrali nucleari sparse per il mondo. I moderni reattori nucleari commerciali possono usare fino a 150 k m di tubazioni in lega di zirconio.
Largamente usato in chimica industriale per tubazioni in ambienti corrosivi.
Lo zirconio è piroforico (infiammabile) ed è stato usato in ordigni incendiari militari.
Il carbonato di zirconio si usa nelle lozioni contro l'edera velenosa (è un sequestrante del principio tossico del veleno).
L'ossido di zirconio viene usato in odontoiatria come materiale per la costruzioni di protesi fisse.
l'ossido viene usato nei trattamenti antiriflesso delle lenti degli obiettivi.
Lo zircone, ossido impuro di zirconio, è usato per fabbricare crogioli da laboratorio in grado di sopportare forti shock termici, per il rivestimento di fornaci in metallurgia e dall'industria del vetro e della ceramica come materiale refrattario.
I tessuti umani tollerano facilmente questo metallo, che quindi è adatto per giunti e protesi artificiali impiantabili, nonché nella realizzazione di strutture per protesi dentarie.
Viene usato anche per produrre scambiatori di calore, leghe speciali e come getter, ovvero come agente degasatore nelle valvole termoioniche e nelle lampadine a incandescenza.

Quando è in lega con il niobio, lo zirconio è superconduttore a basse temperature e si usa per costruire magneti superconduttori; è anche possibile che cavi di tale materiale vengano usati su larga scala nella produzione e nella distribuzione dell'energia elettrica.

Storia

Lo zirconio (dall'arabo zarkûn, a sua volta derivato dal persiano zargûn, "simile all'oro") fu scoperto nel 1789 da Martin Heinrich Klaproth e isolato nel 1824 da Jöns Jacob Berzelius.^[1]

I minerali dello zirconio, ovvero lo zircone e la zirconite erano noti nell'antichità e sono menzionati nelle scritture bibliche. Fu però l'analisi di Klaproth di uno zaffiro proveniente da Sri Lanka, allora Ceylon, a rivelare che questo minerale conteneva un elemento ancora sconosciuto, che egli battezzò Zirkonertz

Il metallo fu isolato in forma impura da Berzelius, che lo preparò scaldando una miscela di potassio e di fluoruro di zirconio e potassio in un tubo di ferro, provocandone la decomposizione. Lo zirconio puro fu ottenuto per la prima volta nel 1914.

Disponibilità

Lo zirconio non si trova mai in natura come metallo puro e la sua principale fonte commerciale è il minerale di silicato di zirconio, lo zircone (ZrSiO₄), che si trova in giacimenti situati in Australia, Brasile, India, Russia e negli Stati Uniti. È estratto come polvere scura e fuligginosa, o come sostanza cristallina di color grigio metallico. Lo zirconio e l'afnio sono contenuti nello zircone in rapporto di 50 a 1 e sono molto difficili da separare. Lo zirconio è anche un sottoprodotto dello sfruttamento minerario e della lavorazione di sabbie minerali come la menaccanite, la ilmenite e il rutilo, o minerali di stagno. Lo zirconio è pure contenuto in altre 30 specie minerali note, compresa la baddeleyite. Il metallo si ottiene commercialmente per riduzione del tetracloruro con magnesio nel processo Kroll o per decomposizione termica su un filamento di tungsteno scaldato a circa 1300 °C del tetraioduro (processo van Arkel-de Boer) e attraverso altri metodi. Lo zirconio di qualità commerciale contiene ancora dall'1% al 3% di afnio.

Questo elemento è anche abbondante nelle stelle di tipo S ed è stato rilevato nel Sole e nelle meteoriti. I campioni di rocce lunari portati sulla terra dalle missioni Apollo hanno un contenuto di ossido di zirconio molto più alto rispetto a quelle terrestri.

Isotopi

Lo zirconio in natura è composto di quattro isotopi stabili e di uno debolmente radioattivo, a vita estremamente lunga (lo ⁹⁶Zr). Il secondo radioisotopo più stabile è lo ⁹³Zr con una emivita di 1,53 milioni di anni. Sono noti altri diciotto radioisotopi, la maggior parte dei quali ha emivita di meno di un giorno, tranne ⁹⁵Zr (64,02 giorni), ⁸⁸Zr (63,4 giorni) e ⁸⁹Zr (78,41 ore). Il modo di decadimento principale prima dello ⁹²Zr è la cattura elettronica e quello principale dopo di esso è il decadimento beta.

Precauzioni

Simboli di rischio chimico
pericolo
frasi H	260 - 250 - 251 ^[2]
frasi R	R 15-17
consigli P	222 - 223 - 231+232 - 235+410 - 370+378 - 422 ^[3]^[4]
frasi S	S 2-7/8-43
Le sostanze chimiche vanno manipolate con cautela
Avvertenze

La polvere di zirconio, se non stabilizzata, è facilmente infiammabile (piroforica).

Per la maggior parte delle persone è piuttosto raro imbattersi in composti dello zirconio, che comunque hanno una tossicità molto bassa. Lo zirconio non ha alcun ruolo in biologia.

Note

^ Icilio Guareschi, Jöns Jacob Berzelius e la sua opera scientifica: Brevi cenni sulla Chimica nella prima metà del secolo XIX (PDF), Torino, Unione Tipografico-Editrice, 1915.
^ scheda dello zirconio su IFA-GESTIS, gestis-en.itrust.de.
^ In caso di incendio, estinguere con sabbia asciutta o estintori a schiuma. Conservare sotto gas inerte.
^ Sigma Aldrich; rev. del 23 luglio 2010

Francesco Borgese, Gli elementi della tavola periodica. Rinvenimento, proprietà, usi. Prontuario chimico, fisico, geologico, Roma, CISU, 1993, ISBN 88-7975-077-1.
R. Barbucci, A. Sabatini e P. Dapporto, Tavola periodica e proprietà degli elementi, Firenze, Edizioni V. Morelli, 1998.

[1] Icilio Guareschi, Jöns Jacob Berzelius e la sua opera scientifica: Brevi cenni sulla Chimica nella prima metà del secolo XIX (PDF), Torino, Unione Tipografico-Editrice, 1915.

[2] scheda dello zirconio su IFA-GESTIS, gestis-en.itrust.de.

[3] In caso di incendio, estinguere con sabbia asciutta o estintori a schiuma. Conservare sotto gas inerte.

[4] Sigma Aldrich; rev. del 23 luglio 2010

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