Le zinc (Z = 30)

Le zinc possède 30 isotopesOn appelle isotopes des atomes ayant le même nombre de protons, mais qui différent par leur nombre de neutrons. connus, mais seuls cinq d'entre eux sont stables : ⁶⁴Zn (48%), ⁶⁶Zn (28%), ⁶⁷Zn (4%), ⁶⁸Zn (19%) et enfin ⁷⁰Zn (0,6%). Il est relativement peu abondant dans la croûte terrestre, son clarke (autrement dit sa teneur massique moyenne) étant de l'ordre de 80 g/tonne. On le trouve d'une part dans les variétés sulfurées telles que la blende (ZnS), d'autre part dans les variétés oxydées comme la smithsonite (carbonate de zinc), la zincite (ZnO), la willemite (silicate de zinc)... la liste est longue.

Origine du zinc

Le zinc présent dans l’Univers est synthétisé lors de l'explosion d'étoiles massives (au moins huit masses solaires) arrivées au terme de leur existence (supernovae de type II), ainsi que lors de l'explosion de naines blanches (supernovae de type Ia) dont la masse, augmentant progressivement en raison d'un apport de matière provenant d'un compagnon, finit par atteindre la limite dite de Chandrasekhar (1,4 masses solaires).

Un peu d'histoire

Bien que rare à l'état natif, le zinc est connu depuis la plus haute Antiquité, mais il n'était sans doute pas utilisé sous cette forme car il a tendance à être cassant. Les anciens métallurgistes utilisaient par contre les minerais de zinc, qu'ils mélangeaient aux minerais de cuivre et d'étain afin de fabriquer diverses variétés d'airains, nom donné autrefois aux alliages de cuivre (bronze, laiton), et cela depuis fort longtemps : des objets en laiton découverts en Mésopotamie dateraient d'environ 3000 ans avant J.-C. !
Nos lointains ancêtres connaissaient le minéral appelé aujourd'hui calamine (carbonate de zinc), et il semble qu'à l'époque d'Homère (fin du VIII^è siècle av. J.-C.), qui en fait état dans ses écrits, ils aient été capables d'en extraire le métal zinc par réductionEn chimie, un réactif subit une réduction lorsqu'il gagne des électrons (il s'agit donc de l'inverse d'une oxydation). Une réduction se traduit souvent par une perte d'oxygène, comme dans l'exemple ci-dessous, où l'oxyde de cuivre est réduit par le dihydrogène (qui est oxydé) :

CuO + H₂ ---> Cu + H₂O, comme tendent à le prouver ces bracelets en zinc découverts sur l'île de Rhodes, dans les ruines d'une cité (Camiros) détruite au V^è siècle av. J.-C. (leur confection est donc antérieure à cette date).

Dès le XII^è siècle de notre ère, les métallurgistes indiens (d'Inde) produisent du zinc à partir de carbonate de zinc, que les marchands arabes se chargent d'exporter vers l'Occident, sous le nom d'étain des Indes, car on pense alors qu'il s'agit d'une variété d'étain. En Europe, il faut attendre l'année 1695 avant que le chimiste néerlandais Guillaume Homberg, professeur de chimie du duc d'Orléans, ne parviennne à le préparer à partir de la calamine.
Un procédé de fabrication du zinc rapporté de Chine par un certain Lawson est exploité dès 1743 par le métallurgiste britannique William Champion, fabriquant de laiton installé à Bristol, ce qui conférera à l'Angleterre le monopole de la production de zinc durant la seconde moitié du XVIII^è siècle. De son côté, le pharmacien et chimiste prussien Andreas Sigismund Marggraf met en place en 1746 une petite fonderie à Berlin, avec laquelle il prépare du zinc par réduction de la calamine (carbonate de zinc) à l'aide de charbon. Il parvient également à extraire du zinc de la blende (sulfure de zinc), à laquelle il fait subir un grillage (à plus de 900°C), ce qui permet d'obtenir de l'oxyde de zinc (ZnO), qui est ensuite réduit à l'aide de charbon (nous verrons cela plus en détails dans la partie "Production industrielle").

L'industrie du zinc va dès lors se développer rapidement, notamment grâce à la méthode dite "silésienne", mise au point par l'inventeur et métallurgiste allemand Johann Christian Ruberg, et qui consiste à utiliser un four à creuset horizontal pouvant être chargé puis déchargé en continu, sans avoir à refroidir l'installation, ce qui est le cas avec les fours à creusets verticaux. Le gain en terme de rendement énergétique est donc appréciable. Les Belges notamment s'en inspireront lorsqu'ils implanteront leurs propres usines dans la région de Liège, où le chimiste (et chanoine) Jean-Jacques Dony rendra le procédé plus efficace, ce qui permettra de produire du zinc à moinde coût. Afin de faire la promotion de ce métal, il ira jusqu'à offrir une baignoire en zinc à l'empereur Napoléon 1^er, qui ne s'en séparera plus (il l'emmènera, paraît-il, dans ses campagnes de Russie). Cela n'empêchera pas Dony de finir dans la misère, car faute de débouchés immédiats, son procédé devra attendre encore quelques années avant de donner une véritable impulsion à la métallurgie du zinc.
Ce métal va trouver nombre d'applications : utilisé comme anode dans les premières piles Volta, il permet également de confectionner des caractères d'imprimerie de meilleure qualité. Mais c'est surtout dans le domaine de l'architecture de fer et du bâtiment qu'il va jouer un rôle essentiel : non seulement il va servir à protéger le fer et l'acier contre la corrosion, mais il va être employé comme matériau de couverture (tuiles, chéneaux...), notamment à Paris, sous l'impulsion du baron Haussmann (1809-1891).

Mais nous n'avons pas encore parlé de son étymologie : il aurait été appelé ainsi en 1526 par le médecin, philosophe, et alchimiste Philippus Theophrastus Aureolus Bombast von Hohenheim (à vos souhaits !), plus connu sous le nom de Paracelse, qui lui donna le nom latin de "zincum", lui-même issu de l'allemand "zinke" (ou "zinken") signifiant "pointe acérée". Il serait lié au fait que lorsque le zinc fondu refroidit et se solidifie, il forme des sortes de pointes appelées dendrites ou "barbes" en cristallographie (voir ici !).

Propriétés du zinc

Métal présentant un aspect gris-blanc, cassant à froid, le zinc est facilement attaqué par les acides. Il n'est maléable et ductile (facile à étirer) qu'entre 105°C et 150°C, mais redevient cassant au-delà de 200°C. Au contact de l'air humide, il se recouvre d'une couche imperméable d'hydrocarbonate de zinc. Relativement lourd (sa masse volumique est de 7,13 g/cm³), il fond facilement (à 419°C) et brûle en produisant une flamme verte.

Le zinc est un oligo-élément indispensable à notre organisme : présent dans nombre d'enzymes, il est impliqué (entre autres), dans la synthèse des protéines. On en trouve essentiellement dans les aliments d'origine animale (viande, poisson, oeufs, produits laitiers) ainsi que dans les céréales complètes. Une carence en zinc peut être à l'origine d'un retard de croissance, de problèmes de peau, d'un manque d'appétit, d'une mauvaise cicatrisation des blessures... En revanche, un excès de zinc provoque des crampes d'estomac, des vomissements, de l'anémie, et s'avère nocif pour le pancréas.

Production industrielle du zinc

Les minerais de zinc sont généralement associés à d'autres métaux (plomb, cadmium, fer, bismuth, antimoine, arsenic, germanium, indium...), qui pour certains trouvent là leur principale source (c'est notamment le cas du cadmium, du germanium et de l'indium).
Le principal minerai de zinc est la blende (sulfure de zinc), dont nous avons déjà dit qu'elle était broyée et grillée (vers 900-1 100°C) afin de transformer le sulfure de zinc en oxyde de zinc (ZnO) (nous avons déjà vu cela un peu plus haut) :

2 ZnS + 3 O₂ ---> 2 ZnO + 2 SO₂

On obtient alors ce que l'on appelle de la "calcine". Cette dernière doit encore être réduite, ce qui peut se faire par hydrométallurgie ou par pyrométallurgie.

- La pyrométallurgie est employée lorsque le minerai est riche en plomb. Elle consiste à réduire la calcine dans un four en présence de carbone, selon la réaction suivante :

ZnO + C ---> Zn + CO

Comme la température du four excède la température d'ébullition du zinc (907°C), la difficulté consiste ici à refroidir suffisamment rapidement la vapeur de zinc obtenue, afin qu'elle ne soit pas réoxydée par le monoxyde de carbone ou le dioxyde de carbone.

- L'hydrométallurgie nécessite quand à elle quatre étapes. Dans un premier temps, la calcine est attaquée par de l'acide sulfurique dilué, ce qui dissout l'oxyde de zinc (ainsi que la plupart des oxydes présents) mais pas l'oxyde de plomb, qui reste solide et est éliminé par filtration :

ZnO + 2 H⁺ + SO₄^2- ---> Zn²⁺ + SO₄^2- + H₂O

La seconde étape consiste à ajouter de la soude afin d'éliminer les ions ferriques Fe³⁺ éventuellement présents, sous forme d'un précipité d'hydroxyde de fer de formule Fe(OH)₃.
Reste à éliminer les ions métalliques autres que Zn²⁺, notamment Cu²⁺, Cd²⁺, Ni²⁺, Co²⁺. Pour cela, on ajoute de la poudre de zinc, ce qui permet de réduire ces espèces métalliques (M) :

Zn + M²⁺ ---> Zn²⁺ + M

La dernière étape consiste à électrolyser la solution de Zn²⁺ ainsi obtenue, ce qui permet de de récupérer du zinc pratiquement pur (à 99,995 %).

En 2022, la production mondiale de zinc s'élève à 12,47 millions de tonnes, la Chine produisant à elle seule un peu plus de 4 millions de tonnes, suivie du Pérou (1,37 millions de tonnes) et de l'Australie (1,23 millions de tonnes). L'Australie, première exportatrice mondiale en 2022, destine d'ailleurs l'essentiel de sa production à la Chine (57%), à la Corée du Sud (20%) et au Japon (10%).

Quelques exemples d'utilisation du zinc

Plus de 50% du zinc produit sert à protéger le fer et l'acier contre la corrosion. Il existe différentes méthodes, mais nous n'en présenteront que quelques-unes.

- La galvanisation à chaud ! consiste à nettoyer la pièce en acier avant de l'immerger dans un bain de zinc fondu (à 450°C).

- Le zingage électrolytique, appelé également galvanisation à froid, consiste à déposer sur l'acier une couche de zinc par électrolyse (donc à l'aide d'un courant électrique) : la pièce en acier, reliée à la cathode, est plongée dans un bain contenant des ions zinc, qui migrent de l'anode (+) vers la cathode (-).

- Dans le procédé appelé shérardisation, inventé au XIX^è siècle par un certain Sherard Cowper Cowle, l'acier est chauffé avec de la poudre de zinc, qui en fondant se combine avec le fer superficiel.

- Toujours dans le but de lutter contre la formation de la rouille, des blocs de zinc sont parfois reliès grâce à des fils conducteurs à des structures en acier (ponts, voies ferrées, coques de bateaux...). Le zinc, plus réducteur que le fer (il perd plus facilement ses électrons que ce dernier), va s'oxyder à sa place, raison pour laquelle cette méthode est appelée "protection par anode sacrificielle" (l'anode est par définition la borne où se produit l'oxydation).

Le zinc est également largement employé pour réaliser des alliages avec le cuivre (laitons, bronzes, maillechorts) et l'aluminium (zamak).

- Le laiton (parfois appelé cuivre jaune), composé principalement de cuivre et de zinc, peut être associé à d'autres métaux (plomb, étain, nickel, chrome magnésium). C'est de loin l'alliage de cuivre le plus utilisé, et ce dans une multitude de domaines : bijouterie, horlogerie, serrurerie, robinetterie, éléments de décoration, instruments de musique, chaudronnerie, plaques de médecins et d'avocats, douilles d'obus et d'armes à feu...

- Le bronze, alliage de cuivre et d'étain, peut également contenir de l'aluminium, du plomb, du béryllium, du manganèse et du tungstène. Il s'agit de l'un des plus anciens alliages connus, puisqu'il aurait été inventé vers -2000 av. J.-C.). Présentant l'avantage d'être plus solide que le cuivre, il servait alors à fabriquer des armes, des armures, des outils, ainsi que des instruments de musique. Beaucoup moins prisé de nos jours, il est principalement utlisé dans le domaine artistique (sculptures, cloches...). Exposées aux intempéries, sculptures en bronze sont facilement reconnaissables à la patine verte qui se forme à leur surface, le "vert-de-gris", constitué d'un mélange de sels de cuivre (en particulier du carbonate de cuivre). Présentant une bonne résistance à l'usure mécanique, le bronze est parfois utilisé dans les mécanismes où y a des frottements.

- Quant au maillechort, alliage de cuivre, d'étain et de nickel également appelé "argentan" en raison de son aspect argenté, il tire son nom des deux métallurgistes lyonnais (Maillot et Chorier) qui l'ont mis au point vers 1820. Beaucoup plus résistant à la corrosion que le laiton, il connaît de nombreux de domaines d'utilisation : calandres des anciennes Rolls-Royce, certaines assiettes et couverts, visserie, horlogerie, clés (serrurerie), bijouterie, instruments de musique... Les flûtes traversières, notamment, sont généralement faites en mailleshort (plus rarement en argent, mais le prix n'est pas le même !).

- Le zamak, alliage à base de zinc (pour près de 95%), d'aluminium (environ 4%), de cuivre et de magnésium, a été développé et breveté vers 1926 par la New Jersey Zinc Company. Le terme zamak est formé à partir des premières lettres des noms allemands de ces quatre métaux : Zink, Aluminium, Magnesium et Kupfer (cuivre). Résistant, facile à mouler et à usiner, il présente en outre l'avantage d'être relativement peu coûteux. Stocké sous forme de lingots, il est ensuite fondu (vers 420°C) et injecté dans des moules lui donnant la forme voulue. On l'utilise aussi bien dans le secteur automobile (il permet de fabriquer des véhicules plus légers), que dans le bâtiment (poignées de portes, rampes d'escalier, balustrades...), le domaine médical (défibrillateurs, fauteuils roulants, béquilles et j'en passe) ou l'armement (culasses de certaines armes)...

Les (autres) domaines d'utilisation du zinc étant très variés, nous nous contenterons des exemples ci-dessous.

- Le zinc est utilisé dans les piles salines et alcalines, où il joue le rôle de donneur d'électrons.

- L'oxyde de zinc (ZnO) est utilisé dans les crêmes solaires, car il bloque les rayons ultraviolets provenant du Soleil.

- En peinture, le pigment blanc appelé blanc de zinc (ou blanc de Chine) est constitué d'oxyde de zinc pur.

- Le pyrithione de zinc est utilisé dans les shampooings antipelliculaires (il tue les champignons et les bactéries présentes sur le cuir chevelu). Son utilisation est toutefois en passe d'être interdite par l'Union européenne car il est soupçonné d'endommager l'ADN.

Voilà pour l'essentiel.

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