Zirconio

Zirconio
40 Zr                                                                                                                                                                                                                                               ittrio ← zirconio → niobio
Aspetto
Aspetto dell'elemento bianco argenteo
Linea spettrale Linea spettrale dell'elemento
Generalità
Nome, simbolo, numero atomico	zirconio, Zr, 40
Serie	metalli di transizione
Gruppo, periodo, blocco	4, 5, d
Densità	6 511 kg/m³
Durezza	5
Configurazione elettronica	Configurazione elettronica
Termine spettroscopico	3F2
Proprietà atomiche
Peso atomico	91,224
Raggio atomico (calc.)	155(206) pm
Raggio covalente	148 pm
Configurazione elettronica	[Kr]4d25s2
e− per livello energetico	2, 8, 18, 10, 2
Stati di ossidazione	4 (anfotero)
Struttura cristallina	esagonale
Proprietà fisiche
Stato della materia	solido
Punto di fusione	2 128 K (1 855 °C)
Punto di ebollizione	4 682 K (4 409 °C)
Volume molare	14,02×10−6 m³/mol
Entalpia di vaporizzazione	58,2 kJ/mol
Calore di fusione	16,9 kJ/mol
Tensione di vapore	1,68 mPa a 2 125 K
Velocità del suono	3800 m/s a 293,15 K
Altre proprietà
Numero CAS	7440-67-7
Elettronegatività	1,33 (scala di Pauling)
Calore specifico	270 J/(kg·K)
Conducibilità elettrica	2,36×106/(m·Ω)
Conducibilità termica	22,7 W/(m·K)
Energia di prima ionizzazione	640,1 kJ/mol
Energia di seconda ionizzazione	1 270 kJ/mol
Energia di terza ionizzazione	2 218 kJ/mol
Energia di quarta ionizzazione	3 313 kJ/mol
Energia di quinta ionizzazione	7 752 kJ/mol
Energia di sesta ionizzazione	9 500 kJ/mol
Isotopi più stabili
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 1,53×106anni β− 0,091 93Nb 94Zr 17,38% Zr è stabile con 54 neutroni 96Zr 2,8% 3,8×1019anni 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 e il suo simbolo è Zr. È un metallo di transizione bianco-grigio, duro, il cui aspetto ricorda quello del titanio. È il secondo elemento del gruppo 4 del sistema periodico (collocato tra il titanio e l'afnio); fa quindi parte del blocco d, ed è un elemento di transizione della seconda serie (5° periodo).

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.

Caratteristiche

Zirconio al 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 e ha un'elevata temperatura di fusione (circa 1800 °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 (ZrSiO₄) per materiali refrattari, sabbie da fonderia e opacizzazione della ceramica. Lo zircone è anche commercializzato come pietra preziosa, usata in gioielleria. L'ossido di zirconio può essere 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 km 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 di 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.

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
frasi R	R 15-17
consigli P	222 - 223 - 231+232 - 235+410 - 370+378 - 422
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.

Bibliografia

• 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 (archiviato dall'url originale il 22 ottobre 2010).

Voci correlate

• Fluoruro di zirconio
• Ossido di zirconio
• Zalium
• Zircaloy

Altri progetti

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• Wikizionario
• Wikimedia Commons

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Collegamenti esterni

• zirconio, su Treccani.it – Enciclopedie on line, Istituto dell'Enciclopedia Italiana.
• (EN) zirconium, su Enciclopedia Britannica, Encyclopædia Britannica, Inc.
• (EN) Zirconium, su EnvironmentalChemistry.com.