zirconio

zirconio Elemento chimico appartenente al IV gruppo del sistema periodico, sottogruppo del titanio, con simbolo Zr, numero atomico 40, peso atomico 91,22.

1. Caratteri generali

Dello z. sono noti gli isotopi stabili: 9040Zr (51,5%), 9140Zr (11,2%), 9240Zr (17,1%), 9440Zr (17,4%), 9640Zr (2,8%). Lo z. è un metallo bianco splendente, duttile, tenace, di densità 6,5 g/cm3; fonde a 1850 °C e bolle a circa 4375 °C; ha reticolo cristallino di tipo esagonale compatto, stabile fino a 865 °C; da 865 °C fino alla temperatura di fusione è stabile invece la fase cubica a corpo centrato. A freddo viene attaccato solamente dall’acido fluoridrico e da cloro e fluoro gassosi; a caldo anche da acido fosforico, solforico e tricloroacetico. Oltre i 300 °C lo z. reagisce rapidamente con azoto, ossigeno, idrogeno. È abbastanza comune in natura allo stato di composto (principalmente come silicato, ZrSiO4, zircone e, come ossido, ZrO2, baddeleite) in graniti, in sieniti e in depositi sabbiosi. Costituisce lo 0,022% della crosta terrestre. Benché alcune varietà rare dello zircone costituissero pietre preziose sin dall’antichità, solo nel 1789 M.H. Klaproth individuò la presenza del nuovo elemento, isolato poi da J.J. Berzelius nel 1824. Nel 1914 fu preparato z. puro mediante riduzione del tetracloruro di z. con sodio metallico.

Le sabbie a base di zircone, per la loro elevata temperatura di fusione, trovano impiego, da sole o mescolate a sabbie silicee, nella preparazione di sabbie da fonderia/">fonderia per la colata di acciai o di metalli fusi; allo stato di maggior purezza si usano nella preparazione di refrattari. Lo z., come tale o in lega, si usa sempre più per le discrete caratteristiche meccaniche, l’elevato punto di fusione, la facile lavorabilità e l’eccellente resistenza alla corrosione. Sotto forma di leghe, note con il nome commerciale di zircaloy, viene impiegato come materiale per le camicie degli elementi combustibili e per parti strutturali del nocciolo dei reattori raffreddati ad acqua o sodio. Impieghi minori delle leghe zircaloy si hanno nell’industria chimica per la costruzione di scambiatori di calore, pompe, serbatoi ecc., esposti all’azione di agenti particolarmente corrosivi. Il metallo viene anche usato come getter per valvole e tubi elettronici, come desossidante e affinante della grana cristallina in particolari acciai, e infine come alligante, in tenori di 0,1-1%, in alcune leghe di magnesio.

2. Composti

Carburo di z.Ha formula ZrC. Solido grigio, di aspetto metallico, molto duro, che fonde oltre i 3500 °C. In miscela, di una parte a quattro, con carburo di tantalio fonde a 4205 °C, costituendo uno dei prodotti a più alto punto di fusione attualmente noti. È solubile in acidi e si decompone in acqua. Si ottiene per fusione di ossido di z. e coke in forni elettrici. Si usa, tra l’altro, come abrasivo. Cloruro di z. Ha formula ZrCl4. Cristalli bianchi, solubili in alcol; reagisce con l’acqua per dare cloruro di zirconile; sublima oltre i 300 °C. Si ottiene per azione del cloro sul carburo di z. oppure su una miscela di ossido di z. e carbone. Largamente usato nella preparazione di z. metallico secondo il processo Kroll. È utilizzato anche come catalizzatore nella polimerizzazione stereospecifica di alcheni, come idrorepellente nei tessili e come pigmento. Ossido di z. Ha formula ZrO2. Polvere bianca, amorfa; fonde a 2700 °C circa; stabile a molti agenti chimici; solubile in acido nitrico e a caldo in acido cloridrico o solforico. Si prepara per riscaldamento in aria del carburo di z., o per calcinazione di alcuni sali di zirconio. Per l’alta temperatura di fusione e per l’elevata inerzia chimica, trova impiego come refrattario, specialmente quando si richiedono materiali dotati di elevata resistenza agli sbalzi termici. L’ossido fuso, quando è lasciato raffreddare lentamente, passa da una struttura cubica, stabile ad alta temperatura, a una tetragonale e infine a una monoclina, stabile a temperature inferiori a 1000 °C. Queste trasformazioni sono accompagnate da una forte variazione di volume e, di conseguenza, durante il raffreddamento il materiale tende a fratturarsi. Pertanto, per ottenere refrattari di caratteristiche elevate, praticamente privi di porosità e resistenti a temperature molto alte, si aggiunge all’ossido di z. (o allo zircone) il 10-20% di stabilizzanti (ossido di alluminio, ossido di cromo ecc.); la massa, fusa al forno elettrico, è colata in stampi e, quando raggiunge la temperatura di circa 1800 °C, è sottoposta a un brusco raffreddamento che evita la trasformazione della struttura da cubica a tetragonale e poi a monoclina. L’aggiunta degli ossidi stabilizzanti consente alla struttura cubica di rimanere stabile (o metastabile) a temperatura ambiente. Questo tipo di refrattari, essendo resistente all’attacco del vetro fuso ed essendo ottenuto direttamente dal colaggio e raffreddamento in stampi di forme geometriche regolari, a spigoli vivi e di dimensioni anche rilevanti, viene impiegato per il rivestimento di forni a bacino per la fabbricazione del vetro, di forni per trattamenti termici ecc.

Molti composti organici dello z., specialmente di quelli ottenuti facendo reagire il cloruro di z. con alcoli (z. alcossidi), con chetoni (z. chetonati) e con fenoli (z. fenossidi), trovano applicazione come sostanze essiccative in prodotti vernicianti, come agenti concianti, come catalizzatori di reazioni di polimerizzazione (per es., dell’etilene), per trattamenti idrofobi per tessuti e nella preparazione di pigmenti anticorrosivi.

3. Zircone

Lo zircone, silicato di z., ZrSiO4, tetragonale, ha lucentezza adamantina e può essere incolore oppure colorato in verdognolo, rosso-bruno, arancio (varietà alvite o giacinto), in diverse tonalità di giallo e, più raramente, in giallo puro, violetto, azzurro (varietà starlite) o verde-azzurro. Si rinviene in tozzi cristalli prismatici. È un comunissimo minerale accessorio di rocce magmatiche, specie acide, e di molte rocce metamorfiche. Le varietà limpide e di tinta omogenea sono adoperate come gemme, con forma di taglio a tavola, a gradino, a rosetta e a brillante, e vanno in commercio con il nome mineralogico oppure con la denominazione di cercone, giargone, diamante Mathura o del Siam, se la pietra è incolore o leggermente paglierina.