ZIRCONIUM ET HAFNIUM

Le zirconium (symbole Zr, numéro atomique 40) et le hafnium (symbole Hf, numéro atomique 72) sont deux éléments chimiques métalliques de couleur gris argent appartenant au groupe IVa de la classification périodique.

Découvert en 1789 par Martin Heinrich Klaproth dans un minerai de Ceylan (le jargon), le zirconium (du persan zerk signifiant pierre précieuse), préparé sous forme métallique très impure par Jöns Jacob Berzelius en 1824, ne serait sans doute resté qu'une curiosité de laboratoire, malgré les travaux de A. E. Van Arkel et J. H. de Boer (1925) et de W. J. Kroll (1944) qui l'obtinrent sous forme ductile, si, en 1949, grâce à l'amiral Rickover, père du premier sous-marin nucléaire, le Nautilus, sa grande perméabilité aux neutrons thermiques n'avait trouvé une application spécifique dans le gainage du combustible des réacteurs de puissance.

Cependant, pour profiter au maximum de cette caractéristique, le zirconium doit être au préalable séparé du hafnium, isolé en 1923 par D. Coster et G. C. de Hevesy, qui l'accompagne dans tous les minerais et qui présente, lui, une très forte section de capture pour les neutrons lents, ce qui l'a fait utiliser comme constituant des barres de contrôle du réacteur du Nautilus.

Le développement du zirconium est étroitement lié à celui de l' énergie nucléaire (chaque gigawatt de puissance installée consomme quinze tonnes par an de ce métal) ; de ce fait, il est soumis aux aléas des politiques énergétiques des divers pays. La production du monde occidental, qui était de 1 000 tonnes en 1970, a été de 3 000 tonnes environ en 1983. Les principaux pays producteurs sont les États-Unis, l'Afrique du Sud et la Chine.

Propriétés des métaux purs

Les tableaux reproduisent respectivement quelques-unes des propriétés physiques et mécaniques des deux métaux. On notera les changements de structures cristallines, avec comme conséquence une discontinuité des propriétés physiques.

Les enthalpies de formation des oxydes sont très élevées ; il s'agit donc de métaux très réactifs, mais la couche d'oxyde qui apparaît en surface est imperméable et résiste à la plupart des réactifs minéraux et organiques, conférant à ces métaux une tenue exceptionnelle à la corrosion.

L'affinité du zirconium pour l'oxygène est si grande qu'il déplace ce dernier des composés réfractaires utilisés dans les fours (magnésie, thorine, etc.).

La parenté du zirconium et du hafnium, qui peuvent se substituer isomorphiquement dans tous leurs composés, est plus grande que celle de tout autre couple d'éléments, y compris le couple tantale-niobium. Cette analogie est due autant à la quasi-identité de leurs rayons ionique et atomique qu'à leurs structures électroniques.