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Acesso em 23/05/2024 às 06h48.

Elementos Químicos – Zircônio

Elementos Químicos – Zircônio

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Beleza e alta resistência

 

Foto: Wikimedia Commons


Ele tanto pode ser uma pedra preciosa com beleza semelhante à do diamante, quanto fazer o trabalho pesado dentro de reatores nucleares. Este é o zircônio, um metal duro, brilhante e prateado, muito resistente à corrosão, que pertence ao Grupo 4 da tabela periódica, ao lado do titânio, do háfnio e do rutherfórdio. O símbolo deste elemento é Zr e seu número atômico é 40.


O zircônio é um metal muito reativo, e em contato com o ar ou em solução aquosa desenvolve imediatamente uma fina camada de óxido em sua superfície. Esta camada estável e aderente é a base da resistência à corrosão característica deste elemento. Em muitos casos, o zircônio é mais resistente que o titânio ou o aço inoxidável [7].

 

Foto: Alchemist-hp, Wikimedia Commons


O zircônio é o nono metal mais abundante na crosta terrestre, e ocorre apenas na forma oxidada, nunca como metal puro. Na crosta terrestre, o zircônio ocorre normalmente associado ao háfnio, na proporção de 50 para 1. O minério zirconita (ortossilicato de zircônio, ZrSiO4), também denominado zircão, é a principal fonte do metal zircônio. O zircônio também é encontrado na badeleíta (ZrO2), que tem em sua composição de 96,5% a 98,5% de óxido de zircônio, e no caldasito, ou zirkita, uma mistura de óxido e de silicato de zircônio. Por apresentar teores tão significativos, a badeleíta é conhecida como uma fonte de extrema pureza para a obtenção de zircônio metálico e seus compostos químicos. O caldasito, ou zirkita, só tem registro de ocorrência no Brasil [5,7].

O Brasil produziu 21 mil toneladas de zircônio em 2016 (último dado disponível até a publicação deste artigo). No mundo, os principais produtores de zircônio são Austrália, África do Sul e China. A produção mundial em 2020 foi de 1 milhão 400 mil toneladas. O zircônio é um produto ou subproduto da mineração e do processamento de areias de minerais pesados resultantes da extração de titânio, ilmenita e rutilo e de minerais do estanho [6,7].


Performance em ambientes agressivos

Por ter excelente resistência à corrosão, o zircônio normalmente faz parte de ligas com outros metais para serem empregadas em equipamentos expostos a ambientes agressivos e que exijam alta resistência, como tubulações em ambientes corrosivos na indústria química e equipamentos que dissipam o calor [1,2,5].

Uma dessas ligas é a zircaloy, contendo ferro, cromo e níquel, usada para encapsular combustível nuclear. Como não absorve nêutrons, o zircônio é o material ideal para usinas nucleares, e por isso os reatores nucleares podem ter mais de 100 mil metros de tubos feitos com ligas deste elemento. Porém, para ser utilizado em reatores, o zircônio deve estar livre do háfnio, metal quimicamente similar a ele, e ao qual está sempre associado. O háfnio absorve nêutrons a altas temperaturas, e por isso precisa ser separado do zircônio para que ele possa ser usado junto ao combustível nuclear, o que é uma operação de alta complexidade. A indústria de energia nuclear utiliza cerca de 90% do zircônio produzido a cada ano [3,4,5].

Além dos reatores nucleares, a liga zircaloy também é utilizada como material estrutural em reatores de potência, na indústria química para a fabricação de equipamentos resistentes à corrosão e na indústria eletrônica em forma de filamentos e placas. O zircônio também é adicionado a ligas com ferro, estanho e nióbio, e como metal puro, com o háfnio. É usado ainda em uma variedade de ligas de aço, e quando adicionado ao nióbio forma uma liga supercondutora que retém sua supercondutividade em campos magnéticos fortes [2,3,4,5].

Gemas e tesouras

O zircônio e seus compostos têm múltiplas aplicações na indústria. No setor de fundição, usa-se a zirconita, ou zircão (ZrSiO4) para confecção de moldes em ligas especiais devido à sua alta refratariedade, baixo coeficiente de expansão térmica, boa estabilidade química e elevada difusibilidade térmica. A indústria cerâmica utiliza a zirconita moída nos opacificantes e cerâmicas, esmaltes vitrificados e materiais cerâmicos especiais. Na indústria de refratários, o minério é utilizado para fabricação de tijolos destinados a fornos para produção de alumínio e vidro e no revestimento de peças para fusão na indústria siderúrgica. Na indústria de vidros, tintas e soldas aplica-se a zirconita como abrasivo[5].

 

Cristais de zircão. Foto: Rob Lavinsky, iRocks/ Wikimedia Commons


Mas apesar desse desempenho na indústria, a forma mais popular da zirconita é a de uma pedra semipreciosa usada em joalheria. Clara e transparente, essa pedra pode ser cortada para se parecer com um diamante, e normalmente é usada na confecção de semijoias. As pedras mais utilizadas como gemas são a zirconita incolor, ligeiramente amarelo avermelhada, e a denominada jacinto, de cor laranja ou castanho avermelhado [5].

 


A maior parte do zircão é usada diretamente em cerâmicas decorativas, em que a dopagem (mistura) com vanádio (V4+), praseodímio (Pr3+) e ferro (Fe3+) dá origem a compostos azuis, amarelos e laranjas usados como vernizes. Pequenas quantidades de zircão são convertidas no metal zircônio via processo Kroll. O carbonato de zircônio (3ZrO2·CO2 ·H2O) é usado em loções na pele para tratar ferimentos causados por determinadas hervas venenosas [3,9].

O óxido de zircônio(IV) é tão forte que tesouras e facas podem ser feitos desse composto. Ele também é usado em cosméticos, antitranspirantes, embalagens de alimentos e para fazer filtros de micro-ondas [4]. A zircônia, ou dióxido de zircônio, que é uma cerâmica branca, é utilizada pelos dentistas para implantes dentários, podendo substituir o titânio, e também para confecção de restaurações dentárias muito resistentes. O zircônio não tem papel biológico conhecido e possui baixa toxicidade [4].


Zargun – 
Pedras preciosas que contêm zircônio já eram conhecidas desde tempos antigos e chamadas de zircão. O nome zircônio deriva da palavra arábica zargun, e se refere à pedra preciosa de tonalidade dourada conhecida desde tempos bíblicos [4].

Em 1789, o químico alemão Martin Heirich Klaproth descobriu que essa gema continha um óxido que ele não conseguiu identificar, e que depois chamou de “zirconerde”. Em 1824 o químico sueco Jöns Jacob Berzelius isolou pela primeira vez o zircônio metal, e obteve um pó preto impuro, mas como não se conhecia um uso prático para ele, o zircônio passou quase um século esquecido. Somente em 1904 Lely e Hamburger prepararam o primeiro zircônio relativamente puro, e com ele produziram pellets maleáveis e resistentes à corrosão. Em 1925 o zircônio totalmente puro foi obtido pela primeira vez pelos químicos holandeses Anton van Arkel e Jan Hendrik de Boer pela decomposição de iodeto de zircônio (ZrI4). Inicialmente o elemento era usado apenas para produção de fogos de artifício e artigos de pirotecnia, até que no final dos anos 1940 descobriu-se que ele é o metal ideal para o interior de reatores e submarinos nucleares, por suas propriedades anticorrosivas. [4,10].


Referências

[1] – Zircônio. Disponível em https://artsexperiments.withgoogle.com/periodic-table/. Acesso em 28/01/2022.

[2] – Greenwood N.; Earnshaw A. Chemistry of the Elements. 2. Ed. Butterworth Heinemann, 1997.

[3] – Jefferson Lab Resources. Disponível em https://education.jlab.org/itselemental/ele040.html. Acesso em 28/01/2022.

[4] – Zircônio. Disponível em https://www.rsc.org/periodic-table/element/40/zirconium. Acesso em 28/01/2022.

[5] – Zirconita, Ministério das Minas e Energia. Disponível em https://www.gov.br/mme/pt-br/assuntos/secretarias/geologia-mineracao-e-transformacao-mineral/relatorios-de-apoio-ao-pnm-2030-projeto-estal-1/a-mineracao-brasileira/documentos/relatorio-ndeg49_-perfil-da-zirconita.doc/view. Acesso em 28/01/2022.

[6] – Produção brasileira de zircônio. Acesso em 02/02/2022.

[7] – Produção mundial de zircônio. Disponível em https://pubs.usgs.gov/periodicals/mcs2021/mcs2021-zirconium-hafnium.pdf. Acesso em 02/02/2022

[8] – https://www.usgs.gov/centers/national-minerals-information-center/zirconium-and-hafnium-statistics-and-information

[9] – Weller M.; Overton T.; Rourke J.; Armstrong F. Química Inorgânica. 6.ed. Bookman. 2017

[10] – Zirconium and zirconium compounds. Ullmann?s Encyclopedia of Industrial Chemistry. Vol. A28. 5.ed. 1996.


Artigo produzido pela Assessoria de Comunicação e Marketing do CRQ-IV,
sob orientação técnica de Vera Regina Leopoldo Constantino,
docente do Instituto de Química da USP.
Publicado em 27/06/2022

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