| 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.
L'industrie du zinc
et son 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 Ier millénaire de notre ère, les chimistes
indiens, les iatrochimistes, 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 XVIe
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 XIIIe siècle, paraît être le premier
à mentionner le zinc, et Paracelse, au XVIe
siècle, en connaît quelques propriétés principales. Il faut attendre
1746 pour que le chimiste 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
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'oeuvre 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 5000 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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