| Zn |
Le
zinc
(symbole : Zn) est un élément chimique métallique de transition,
situé dans la deuxième colonne du tableau
périodique, avec le numéro atomique 30. Il est généralement de
couleur gris bleuâtre. C'est un métal malléable, ductile et relativement
réactif. Il a une faible point de fusion, ce qui le rend facile à travailler,
et il est généralement trouvé sous forme solide à température ambiante.
Le zinc est également résistant à la corrosion et est souvent utilisé
comme revêtement protecteur sur d'autres métaux pour prévenir la rouille
et la corrosion. Utilisations :
• Galvanisation.
- Le zinc est largement utilisé dans le processus de galvanisation, où
il est utilisé pour recouvrir les surfaces d'autres métaux, comme l'acier,
pour les protéger de la corrosion.
• Alliages.
- Le zinc est un composant important de nombreux alliages métalliques,
tels que le laiton (cuivre-zinc) et le bronze d'aluminium (aluminium-zinc).
• Industrie
chimique. - Le zinc est utilisé dans la production d' engrais, de
peintures, de pigments, de produits pharmaceutiques et de catalyseurs.
• Batteries.
- Le zinc est utilisé dans certaines batteries, telles que les piles alcalines
et les piles zinc-air.
Le zinc est un oligo-élément essentiel pour
la santé humaine, jouant un rôle crucial dans la croissance, le développement
et la fonction immunitaire. Il est souvent consommé sous forme de supplément
alimentaire.
Numéro
atomique
Masse
atomique (uma)
Point
d'ébullition (°C)*
Point
de fusion (°C)
Masse
volumique (g/cm3)*
Structure
électronique*
Degrés
d'oxydation |
30
65,37
906*
419,5
7,14
(Ar)3r104s2
2 |
|
-
Les
minerais de zinc.
Les principaux minerais de zinc comprennent
plusieurs minéraux dans lesquels le zinc est généralement présent sous
forme de sulfures, d'oxydes ou de carbonates. Voici quelques-uns des minerais
de zinc les plus courants :
• La
sphalérite
est le principal minerai de zinc et est souvent la source primaire de zinc
dans le monde. Il s'agit d'un minéral de sulfure de zinc (ZnS) qui peut
également contenir des traces de fer, de cadmium,
de gallium et d'indium.
La sphalérite est souvent associée à d'autres minéraux de sulfure tels
que la pyrite, la galène
et la chalcopyrite.
• La smithsonite
est un minerai de zinc composé de carbonate de zinc (ZnCO3).
Il est généralement trouvé sous forme de masses cristallines, de nodules
ou de croûtes. La smithsonite est souvent de couleur blanche, grise, jaune,
verte ou bleue, selon les impuretés présentes dans le minerai.
• La wurtzite
est un polymorphe
de la sphalérite, ce qui signifie qu'il a la même composition chimique
mais une structure cristalline différente. Elle est moins courante que
la sphalérite, mais elle peut également être exploitée pour obtenir
du zinc.
• L'hydrozincite
est un autre minéral de carbonate de zinc, composé de Zn5(CO3)2(OH)6
et qui peut être trouvé sous forme de croûtes, de masses ou de formations
stalactitiques et peut se former dans des environnements d'oxydation près
des zones de gisements de zinc.
Ces minerais de zinc sont extraits dans des
mines à travers le monde, avec des gisements significatifs présents dans
des pays comme l'Australie, la Chine,
le Pérou, le Canada et
les États-Unis. Après l'extraction, le minerai
est généralement transformé en concentré de zinc, qui est ensuite raffiné
pour produire du zinc métallique pur.
Les
principaux composés du zinc.
Voici quelques-uns
des composés de zinc les plus courants :
• Oxyde
de zinc (ZnO). - L'oxyde de zinc est l'un des
composés les plus importants du zinc. Il est largement utilisé dans la
fabrication de produits en caoutchouc, de céramiques, de peintures, de
pigments, de cosmétiques, de produits pharmaceutiques et de crèmes solaires
en raison de ses propriétés de protection UV et de ses propriétés antimicrobiennes.
• Sulfate de
zinc (ZnSO4). - Le sulfate
de zinc est utilisé dans l'agriculture comme engrais et supplément nutritionnel
pour les cultures, ainsi que dans la production d'aliments pour animaux.
Il est également utilisé dans les applications industrielles, les produits
chimiques et les suppléments alimentaires.
• Chlorure de
zinc (ZnCl2). - Le chlorure
de zinc est utilisé dans la galvanisation à chaud pour protéger l'acier
de la corrosion, ainsi que dans la fabrication de produits chimiques, de
médicaments, de pesticides, de teintures et
de désinfectants.
• Carbonate
de zinc (ZnCO3). - Le carbonate
de zinc est utilisé comme pigment dans les peintures, les plastiques,
les cosmétiques et les produits pharmaceutiques. Il est également utilisé
comme additif alimentaire et comme supplément nutritionnel.
• Acétate de
zinc (Zn(CH3COO)2). - L'acétate
de zinc est utilisé dans la fabrication de produits chimiques, de médicaments,
de colorants et d'autres produits chimiques. Il est également utilisé
dans les solutions de galvanoplastie et comme supplément nutritionnel.
• Oxychlorure
de zinc (Zn2(OH)3Cl). - L'oxychlorure
de zinc est utilisé comme pigment dans les peintures, les encres et les
plastiques, ainsi que dans les cosmétiques et les produits pharmaceutiques.
• Fluorure de
zinc (ZnF2). - Le fluorure
de zinc est utilisé dans les dentifrices et les produits de soins dentaires
pour renforcer l'émail des dents. Il est également utilisé dans les
industries chimique et métallurgique.
• Nitrate de
zinc (Zn(NO3)2). - Le nitrate
de zinc est utilisé dans la galvanoplastie, la fabrication de produits
chimiques, les engrais et les applications pharmaceutiques.
Les usages du zinc
et leur histoire.
Le zinc est l'un
des derniers grands métaux à avoir été produit sous forme métallique
en Occident, alors même que ses minerais étaient exploités et que son
alliage avec le cuivre, le laiton, était fabriqué depuis des millénaires.
La raison de ce retard tient à la chimie même du métal : contrairement
au cuivre ou au fer, le zinc ne peut être réduit en un lingot de métal
liquide dans un foyer de fonderie conventionnel, car sa température d'ébullition
(environ 907 °C) est inférieure à celle requise pour sa réduction à
partir de l'oxyde, de sorte que le métal s'échappe sous forme de vapeur
hautement réactive au lieu de s'accumuler dans le creuset. La métallurgie
du zinc est donc, dès ses origines, une métallurgie de la distillation,
et non de la fusion.
Les premières productions
de zinc métallique à l'échelle industrielle ne se situent ni en Europe
ni dans le monde méditerranéen, mais dans le sous-continent indien. Dès
le premier millénaire de notre ère, les chimistes indiens, les iatrochemists,
décrivent dans leurs traités des procédés de laboratoire pour produire
du zinc par distillation à haute température. Vers l'an mil, ces procédures
scientifiques se transforment en procédés commerciaux à Zawar, au Rajasthan,
ainsi que sur au moins un autre site du nord-ouest de l'Inde, donnant naissance
à une véritable industrie chimique fondée sur la pratique scientifique
bien avant que de tels développements n'apparaissent en Europe. La Chine
développe à son tour, un peu plus tard, une production à l'échelle
industrielle, mais selon une technique de distillation totalement différente,
dite per descensum (distillation descendante), consistant à chauffer le
minerai dans des creusets disposés de manière à ce que la vapeur de
zinc se condense vers le bas. Au seizième siècle, sous la dynastie Ming,
la Chine produit des pièces de monnaie contenant jusqu'à 99 % de zinc,
et ses lingots, exportés vers l'Europe via la Compagnie des Indes orientales,
y sont connus sous le nom d'"étain des Indes" ou de "zinc des Indes".
En Europe, la connaissance
du zinc métallique reste longtemps indirecte. Les Romains fabriquent du
laiton en fondant du cuivre avec de la calamine, un minerai de carbonate
de zinc, sans isoler le métal. Albert le Grand, au treizième siècle,
paraît être le premier à mentionner le zinc, et Paracelse, au seizième
siècle, en connaît quelques propriétés principales. Il faut attendre
1746 pour que le chimiste allemand Andreas Marggraf isole le zinc et le
décrive comme un métal distinct, mettant fin à des siècles de confusion
sur sa nature. Entre-temps, la technologie de la distillation du zinc a
été importée de Chine en Angleterre vers 1730, et en 1739 un brevet
est obtenu pour une méthode de distillation, avec l'érection d'une fonderie
à Bristol. C'est toutefois au XIXe siècle
que l'industrie du zinc prend véritablement son essor en Europe. En 1806,
le chimiste belge l'abbé Jean-Jacques Daniel Dony met au point à Liège
le procédé de réduction et de distillation dit « procédé liégeois
», qui est industrialisé en 1808 dans l'usine de la Vieille-Montagne.
La grande industrie belge du zinc, fondée par Mosselmann dans la continuité
de l'œuvre de Dony, s'impose rapidement, et la production de zinc laminé
vient s'ajouter à l'usage traditionnel du laiton. En Silésie, l'industrie
est révolutionnée au début du XIXe siècle
par l'introduction de la fabrication du spelter (zinc brut de distillation),
à la suite de l'apprentissage du procédé anglais par Johann Ruhberg,
qui construit le premier four à zinc de Haute-Silésie. La production
européenne de spelter, inférieure à 5 000 tonnes en 1830, atteint un
peu plus de 17 000 tonnes en 1840, puis connaît une croissance régulière
qui fait du zinc le troisième métal non ferreux par ordre d'importance
industrielle. Aux États-Unis, la production expérimentale de zinc métallique
commence en 1838, mais la production régulière n'est entreprise qu'en
1859, lorsque J. Wharton démarre la fusion du zinc dans des fours à moufle
de type belge avec de l'anthracite de Pennsylvanie.
L'application qui
propulse véritablement l'industrie du zinc à l'échelle mondiale est
la galvanisation, c'est-à-dire la protection du fer contre la corrosion
par un revêtement de zinc, obtenu soit par immersion dans un bain liquide,
soit par électrolyse. Cet usage, qui permet au fer de résister à la
rouille et autorise son emploi dans les monuments, les halles centrales
de Paris, les théâtres et les gares de chemin de fer au cours du XIXe
siècle, représente encore en 2020 la moitié de la demande mondiale de
zinc. La progression de la galvanisation à partir des années 1870 stimule
fortement la production : la production mondiale de zinc passe d'environ
133 000 tonnes en 1870 à 228 000 tonnes en 1880, puis à 343 000 tonnes
en 1890 et à 465 500 tonnes en 1900. Au début du XXe
siècle, la production mondiale s'élève à environ 740 000 tonnes, dont
un tiers provient des États-Unis, un tiers de l'Allemagne et 20 % de la
Belgique.
Le XXe
siècle est marqué par une mutation technologique majeure : le passage
progressif de la distillation thermique à l'électrolyse en solution aqueuse.
Le principe de l'électrolyse du zinc à partir de solutions sulfuriques
est breveté dès 1881 par Letrange, et l'usage de cathodes d'aluminium
est breveté en 1895, mais il faut attendre la reconnaissance de l'importance
de l'élimination des impuretés (notamment l'antimoine et le cobalt) en
1913 pour que la production commerciale démarre véritablement, à partir
de 1915. Les premières grandes usines électrolytiques sont érigées
aux États-Unis et au Canada, et dès le début des années 1920, la capacité
mondiale de zinc électrolytique atteint environ 120 000 tonnes par an,
soit plus de 10 % de la production mondiale d'avant-guerre de spelter.
L'électrolyse, qui permet d'obtenir un zinc d'une pureté de 99,99 %,
supplante progressivement la distillation pour une part croissante de la
production, jusqu'à représenter plus de 80 % de la production mondiale
à la fin du XXe siècle. Les procédés
thermiques subsistent néanmoins, notamment le procédé discontinu des
fours à creusets horizontaux, dérivé du procédé liégeois, et le procédé
à la verticale, qui effectue la réduction de l'oxyde de zinc par le carbone
à une température de 950 à 1000 °C, supérieure à la température
d'ébullition du métal, ce qui permet sa récupération sous forme de
vapeur et de liquide à la sortie des condenseurs.
La géographie de
la production se recompose profondément au XXe
siècle. Longtemps dominée par l'Europe (Allemagne, Belgique, Pologne
(Haute-Silésie)), elle se déplace vers l'Amérique du Nord et l'Australie
dans l'entre-deux-guerres, puis vers de nouveaux acteurs à partir des
années 1960. La France, troisième producteur européen après la Suède
et l'Espagne jusqu'à la fermeture en 1991 du gisement de classe mondiale
des Malines (Gard) et en 1993 de celui de Noailliac-Saint-Salvy (Tarn),
voit son industrie minière du zinc s'éteindre à la fin du siècle. La
production mondiale, qui s'élevait à environ 740 000 tonnes au début
du XXe siècle, dépasse 7 millions de
tonnes au début du vingt-et-unième siècle, la Chine s'imposant comme
le premier producteur et consommateur mondial. Parallèlement, la question
environnementale devient centrale : les procédés de grillage des sulfures,
longtemps pratiqués sans récupération du soufre, sont progressivement
équipés de dispositifs de captation de l'anhydride sulfureux pour la
fabrication d'acide sulfurique, et la gestion des résidus de lixiviation,
des boues d'électrolyte et des émissions de métaux lourds fait l'objet
d'une réglementation croissante dans les pays industrialisés, inscrivant
l'industrie du zinc dans la même tension durable entre performance métallurgique
et maîtrise des risques qui caractérise l'ensemble des grandes filières
de métaux non ferreux. |
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