O que é metal zircônio: propriedades e usos

O zircônio (Zr) é um metal de transição luminoso, branco prateado, muitas vezes ofuscado por elementos mais comumente discutidos, mas desempenha um papel profundamente crítico na tecnologia moderna, particularmente nas indústrias nuclear e química. Nomeado em homenagem ao mineral zircão, fonte mais importante do elemento, o zircônio se destaca por sua excepcional resistência à corrosão, alto ponto de fusão e baixa seção transversal de absorção de nêutrons – uma combinação de propriedades que o torna indispensável para determinadas aplicações exigentes.

Propriedades Físicas e Químicas

O número atômico do Zircônio é 40 e está no Grupo 4 da tabela periódica, logo abaixo do titânio e acima do háfnio. Na verdade, o zircônio e o háfnio quase sempre ocorrem juntos na natureza, e suas propriedades químicas são tão semelhantes que separá-los é um processo historicamente difícil e que consome muita energia. Essa estreita relação se deve ao fenômeno conhecido como contração dos lantanídeos, que resulta em raios atômicos quase idênticos para os dois elementos. Para muitas aplicações comerciais, a presença de háfnio não é um problema, mas para uso nuclear, a separação é obrigatória porque o háfnio é um poderoso absorvedor de nêutrons, enquanto o zircônio não o é.

O zircônio puro é um metal macio e dúctil à temperatura ambiente, o que o torna facilmente utilizável. Quando em pó fino, entretanto, o zircônio é altamente inflamável e pode inflamar-se espontaneamente no ar – uma característica que exige um manuseio cuidadoso em processos industriais. Na forma a granel, o metal é protegido por uma camada de óxido densa, estável e altamente passiva ($ZrO_2$) que se forma imediatamente após a exposição ao ar. Esta camada de óxido autocurativa é o segredo por trás da extraordinária resistência à corrosão do zircônio.

O metal possui um impressionante ponto de fusão de aproximadamenteUS$ 1.855^{circ}C$($3371^{circ}F$) e um ponto de ebulição de$4377^{circ}C$($7.911^{circ}F$). Sua resistência e estabilidade em altas temperaturas são cruciais em ambientes onde a maioria dos outros metais estruturais falhariam. Quimicamente, o zircônio é altamente resistente a ataques de ácidos, álcalis e água do mar, muitas vezes apresentando desempenho melhor que o titânio e o aço inoxidável em ambientes de processamento químico extremamente corrosivos.

Extração e Produção

O zircônio nunca é encontrado em seu estado elementar na natureza. A principal fonte comercial é o mineral zircão (silicato de zircônio,$ZrSiO_4$), que normalmente é extraído de depósitos de areia mineral pesada. Para extrair o metal, o zircão deve ser convertido em óxido e depois em cloreto. O método industrial mais comum para a produção de zircônio metálico de alta pureza é oProcesso Kroll.

O processo Kroll envolve a redução do tetracloreto de zircônio ($ZrCl_4$) com magnésio ($Mg$) em uma atmosfera inerte, normalmente argônio. O produto resultante é uma massa esponjosa de zircônio metálico, que deve então ser purificada ainda mais, muitas vezes por meio de fusão a vácuo, para produzir lingotes adequados para laminação em placas, folhas ou hastes para a fabricação de componentes.

Para aplicações nucleares, o requisito rigoroso de remoção do háfnio que absorve nêutrons é atendido por meio de técnicas complexas de extração líquido-líquido ou métodos de destilação especializados. O zircônio de grau nuclear resultante, praticamente livre de háfnio, é a base para ligas conhecidas coletivamente comoZircaloy.

Principais usos e aplicações

O conjunto exclusivo de propriedades do zircônio determina seu uso em diversas indústrias especializadas de alto risco.

1. Indústria Nuclear (Zircaloy):

Esta é sem dúvida a aplicação mais importante do zircônio. Mais de 90% do zircônio metálico consumido globalmente vai para o setor de energia nuclear. A razão é dupla: o zircônio é excepcionalmente resistente à corrosão por água quente e vapor e, principalmente, tem uma seção transversal de absorção térmica de nêutrons muito baixa. Isto significa que, ao contrário do aço ou do cobre, o zircónio não “absorve” os neutrões necessários para sustentar a reacção em cadeia da fissão nuclear. Esta combinação de propriedades torna o Zircaloy o material ideal para revestimento de barras de combustível em reatores de água leve (LWRs). O revestimento deve conter o combustível nuclear enquanto permite que os nêutrons passem para o próximo pellet de combustível, ao mesmo tempo que suporta o calor intenso, a pressão e o ambiente corrosivo dentro do núcleo do reator durante anos. Zircaloy é um material essencial para a operação da maioria das usinas nucleares comerciais em todo o mundo.

2. Indústria de Processamento Químico (IPC):

Devido à sua resistência superior à corrosão, o zircônio é um material de construção ideal para ambientes químicos agressivos. É frequentemente usado em situações que envolvem ácido sulfúrico, ácido clorídrico, ácido nítrico e álcalis, onde outros materiais falham rapidamente. Os componentes fabricados em zircônio incluem trocadores de calor, tubulações, carcaças de bombas, válvulas e vasos de reação. O elevado custo inicial é muitas vezes justificado pela longa vida útil do material, o que se traduz em menores custos de manutenção e redução do tempo de inatividade.

3. Agente de liga:

Embora menos comum que seu uso na forma pura ou em Zircaloy, o zircônio pode ser usado como elemento de liga. Por exemplo, pequenas quantidades de zircónio são adicionadas a algumas ligas de cobre para aumentar a sua resistência e estabilidade térmica, particularmente em aplicações como eléctrodos de soldadura. Também pode ser encontrado em certas ligas de aço e alumínio.

4. Aplicações Médicas e Biomédicas:

O zircônio e suas ligas encontraram usos específicos na medicina. Sua biocompatibilidade, alta resistência e resistência ao desgaste o tornam adequado para instrumentos cirúrgicos e, cada vez mais, para determinados implantes ortopédicos. O óxido de zircônio ($ZrO_2$), conhecido como zircônia, é uma cerâmica de alta resistência utilizada em odontologia para coroas e pontes devido às suas excelentes qualidades estéticas e durabilidade.

5. Usos do consumidor e de nicho:

O metal zircônio e seus compostos têm diversas outras aplicações. O óxido de zircônio é um componente importante na indústria de refratários devido ao seu ponto de fusão extremamente alto, tornando-o adequado para revestimentos de fornos. Em joias, o mineral zircão natural é uma pedra preciosa popular, e a zircônia cúbica sintética é um simulador de diamante barato e amplamente utilizado. Além disso, o metal é por vezes utilizado em pós flash e pirotecnia especializada devido à inflamabilidade da sua forma de pó.

Em resumo, o zircônio é um material altamente estratégico e tecnologicamente crítico. Embora a sua ocorrência natural e o seu processo de produção apresentem desafios, a sua combinação única de resistência, estabilidade a altas temperaturas e resistência à corrosão praticamente inigualável - particularmente a sua transparência de neutrões - eleva-o a um estatuto insubstituível, cimentando o seu papel como material fundamental para a infra-estrutura global de energia nuclear e para os cantos mais exigentes da indústria química.