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Quelles sont les caractéristiques du zirconium, l’élément chimique portant le numéro atomique 40 ?

Par Clément le 11/05/2018 Ressources > Physique-Chimie > Tout Niveau -PC > Le Tableau Périodique > Le Zirconium

Présentation

Le zirconium est un élément chimique qui porte le numéro 40 dans la classification périodique des éléments.

Quelle est la localisation du zirconium dans le tableau périodique des éléments ? Le tableau périodique des éléments et la place du zirconium dans ce dernier.

Informations générales
SymboleZr
Numéro atomique40
FamilleMétal de transition
Groupe4
Période5
Blocd
Masse volumique6,52 g.cm-3
Dureté5
CouleurBlanc argenté
Propriétés atomiques
Masse atomique91,224 u
Rayon atomique155 pm
Configuration électronique[Kr] 5s2 4d2
Électrons par niveau d'énergie2 | 8 | 18 | 10 | 2
OxydeAmphotère
Propriétés physiques
État ordinaireSolide
Point de fusion1 855°C
Point d'ébullition4 409°C

Définitions

  • Numéro atomique : Le numéro atomique d’un atome représente le nombre de protons de ce dernier
  • Famille : L’UICPA (Union internationale de chimie pure et appliquée) a regroupé en 10 familles les éléments chimiques qui présentent des propriétés physiques et chimiques semblables
  • Groupe : Chaque groupe correspond aux éléments chimiques présents dans une même colonne du tableau périodique des éléments
  • Période : Chaque période correspond aux éléments chimiques présents dans une même ligne du tableau périodique des éléments. Ils partagent également le même nombre de couches électroniques. On en compte 7 au maximum
  • Bloc : Les éléments périodiques sont classés par bloc selon leurs propriétés et selon les couches électroniques jusqu’auxquelles elles sont remplies
  • Dureté : La dureté d’un matériau représente la résistance qu’il oppose à la pénétration. On peut la mesurer selon plusieurs méthodes : la méthode par pénétration, la méthode par rayage ou encore la méthode par rebondissement
  • Point de fusion : Le point de fusion correspond à un moment de pression et de température à partir duquel l’élément chimique fond, passant ainsi de l’état solide à l’état liquide
  • Point d’ébullition : Le point d’ébullition correspond à un moment de pression et de température à partir duquel l’élément chimique bout, passant ainsi de l’état liquide à l’état gazeux

Rappel : La classification périodique des éléments, aussi appelée tableau de Mendeleïev, du nom de son créateur. C’est un chimiste russe qui en 1869 créa un tableau dont le but était de regrouper tous les éléments chimiques connus par points communs (groupes et familles par exemple). Il a souvent été ajusté et mis à jour depuis cette époque.

Sa dernière révision date de 2016 par l’UICPA (Union internationale de chimie pure et appliquée), une ONG suisse qui a pour but l’évolution de la physique-chimie. Le tableau périodique compte à ce jour 118 éléments.

L’UICPA, l’Union Internationale de Chimie Pure et Appliquée est une organisation non gouvernementale ayant son siège à Zurich, en Suisse. Créée en 1919, elle s’intéresse au progrès de la chimie, de la chimie physique et de la biochimie. Ses membres sont les différentes sociétés nationales de chimie et elle est membre du Conseil International pour la Science.

L’UICPA est une autorité reconnue dans le développement des règles à adopter pour la nomenclature, les symboles et autres terminologie des éléments chimiques et leurs dérivé via son Comité Interdivisionnel de la Nomenclature et des Symboles. Ce comité fixe la nomenclature de l’UICPA.

Un peu d’histoire

Étymologie

Le nom de l’élément 40, le zirconium, dérive du mot zircon. En effet, le zircon est une pierre semi-précieuse composée essentiellement de silicate de zirconium, de formule ZrSiO4, pouvant prendre des teintes jaunes, bleues, brunes, vertes, oranges ou rouges et parfois pourpres. Ainsi, le nom zircon dériverait du persan zargun désignant la couleur de l’or.

Le nom zirconium a été suggéré en 1808 par le chimiste britannique Humphry Davy.

Humphry Davy est un physicien et chimiste anglais qui a vécu entre 1778 et 1829. Il a découvert de nombreuses substances chimiques comme le potassium, le calcium, le sodium, le magnésium et le strontium. On lui doit l’invention de la lampe de sûreté pour mineurs, appelée lampe Davy, ce qui lui valu de se voir décerner le grand prix de l’Institut de France en 1807

Qui est Humphry Davy ? Si vous suivez bien nos cours, vous avez déjà entendu parler de Sir Humphry Davy. Vous en souvenez-vous ?

Découverte

Le zirconium est une pierre semi-précieuse mentionnée dés l’antiquité mais ce n’est qu’en 1789 que le chimiste allemand Martin Heinrich Klaproth découvrit qu’il contenait un nouvel élément chimique.

En analysant du zirconium il obtint l’oxyde d’un élément encore inconnu qu’il baptisa zircone, il s’agissait d’oxyde de zirconium de formule ZrO2.

En 1808 le chimiste britannique Humphry Davy tente d’isoler par électrolyse ce nouvel élément, il n’y parvient pas mais propose cependant de le baptiser zirconium.

Ce n’est qu’en 1824 que le chimiste suédois Jons Jakob Berzelius parvient à obtenir du zirconium métallique.

Présence à l’état naturel

Le zirconium est principalement présent dans un minerai appelé zircon, de formule ZrSiO4, qui peut parfois se présenter sous la forme d’une pierre précieuse appelée hyacinthe.

De plus, le zirconium n’est pas retrouvé à l’état natif puisqu’il est généralement associé au titane et à l’hafnium. Principal constituant des granite, on le trouve en grande concentration dans les sables granitiques.

Propriétés physiques et chimiques

Le zirconium sous forme de corps simple

A quoi ressemble du zirconium pur ? Voici deux échantillons de zirconium. Ceux-ci se présentent sous la forme de deux barres de zirconium pur à près de 99%

L’élément 40, le zirconium, est un métal grisâtre et brillant qui n’existe pas à l’état natif, il est peu réactif, ne réagit pas avec l’eau ni avec les bases et rarement avec les acides.

Au contact du dioxygène il s’oxyde et se recouvre d’une couche d’oxyde de zirconium mais sous forme divisée, c’est à dire sous forme de poudre, qui peut subir une oxydation vive et s’enflammer.

Les ions du zirconium en solution aqueuse

L’ion zirconium IV, de formule Zr4+, est un cation monoatomique présentant un défaut de 4 électrons.

Il est stable en milieu acide mais en milieu basique il précipite en formant de l’hydroxyde de zirconium.

Il peut se former par réaction entre l’oxyde de zirconium et un acide.

Composés à base de zirconium

L’oxyde de zirconium, de formule ZrO2, est un composé qui est le plus souvent synthétisé mais qui existe aussi sous forme de minéral naturel appelé zircone. Il est utilisé pour obtenir les imitations les plus fidèles du diamant.

Il se forme naturellement en surface du zirconium métallique par oxydation avec le dioxygène de l’air.

Isotopes

Des isotopes sont des atomes qui possèdent le même nombre de protons mais un nombre différent de neutrons

Le zirconium est un élément chimique qui possède 33 isotopes qui voient le nombre de masse être compris entre 78 et 110.

Le nombre de masse d’un atome est le nombre de nucléons qu’il contient. Il s’agit donc de la somme du nombre de protons et du nombre de protons qui constituent le noyau de l’atome

Parmi ces isotopes, seulement 4 sont stables :

  • Le zirconium 90, représentant 51% du zirconium naturel
  • Le zirconium 91, représentant 11% du zirconium naturel
  • Le zirconium 92, représentant 17% du zirconium naturel
  • Et le zirconium 94, représentant 17% du zirconium naturel

De plus, le zirconium possède également 5 isomères nucléaires.

Des isomères nucléaires sont des atomes qui partagent le même noyau mais dans états énergétiques différents. C’est à dire qu’ils comportent un spin et une énergie d’excitation spéciaux. Dans leur état d’énergie le plus bas, on dit qu’ils atteignent l’état fondamental

En supplément de ces isotopes et isomères nucléaires, le zirconium possède également un radioisotope naturel, le zirconium 96, se désintégrant par le biais d’une double désintégration bêta et qui possède une période radioactive très longue.

La radioactivité bêta est un type de désintégration radioactive où une particule bêta (électron ou positron) est émise. On parle de radioactivité bêta + quand un positron est émis mais on parle de radioactivité – quand c’est un électron qui est émis

On appelle période radioactive le temps nécessaire pour que la moitié des noyaux d’un isotope radioactif se désintègre de manière naturelle. Cette période n’est influencée en aucun cas par les conditions de l’environnement, que ce soit la température, la pression ou encore le champ magnétique, elle est propre à l’isotope en question. Statistiquement, on peut dire que la période radioactive est le temps à l’issue duquel le noyau de l’atome a 50 % de chances de s’être désintégré

Utilisations

Le zirconium est un élément chimique principalement utilisé dans la conception de carrelage mais également dans celle des revêtements dans les moteurs à réaction. Tandis que la zirconite, un oxyde de zirconium, est utilisé afin de fabriquer des faux diamant mais aussi pour protéger les lunettes des rayures.

Comment différencier un vrai d'un faux diamant ? Possédez-vous des bijoux portant du zirconium ou du diamant ?

Toxicité

Le zirconium est un élément chimique qui possède un faible taux de toxicité. Cependant, son isotope radioactif, du fait de sa longue durée de demi-vie, reste et restera pendant des siècles un danger quant à l’apparition de mutations génétiques et de cancers.

Dangers

On dit d’un objet qu’il est écotoxique lorsqu’il est toxique pour l’environnement, c’est-à-dire polluant

Le zirconium n’est pas considéré comme un élément écotoxique. En effet, il est peu susceptible de présenter un risque pour l’environnement.

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