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  锆:高熔点金属之一,呈浅灰色。密度6.49克/厘米3。熔点1852±2℃,沸点4377℃。化合价+2、+3和+4。第一电离能6.84电子伏特。锆的表面易形成一层氧化膜,具有光泽,故外观与钢相似。有耐腐蚀性,可溶于氢氟酸和王水;高温时,可与非金属元素和许多金属元素反应,生成固体溶液化合物。锆一般被认为是稀有金属,其实它在地壳中的含量相当大,比一般的常用的金属锌、铜、锡等都大。锆合金可以耐很高的温度,用作制作核反应的第一层保护壳。

  锆 - 概述

  锆,原子序数40,原子量91.224。1789年德国化学家克拉普罗斯在锆石中发现锆的氧化物,并根据锆石的英文名命名;1824年瑞典化学家贝采利乌斯首次制的不纯的金属锆;1925年荷兰科学家阿克尔和德博尔制得有延展性的块状金属锆。锆在地壳中的含量为0.025%,但分布非常分散。主要矿物有锆石和二氧化锆矿。天然锆有6种稳定同位素:锆90、91、92、94、96,其中锆90含量最大。 锆为银灰色金属,外观似钢,有光泽;熔点1852°C,沸点4377°C,密度6.49克/厘米³。锆容易吸收氢、氮和氧气;锆对氧的亲和力很强,1000°C氧气溶于锆中能使其体积显著增加。

  锆 - 锆合金核反应堆保护壳

  以锆为基添加其他元素组成的合金,是一类广泛用于核反应堆的难熔金属材料。锆合金具有优良的力学性能,好的可加工性和

  焊接性,在300~4。0℃的高温高压水和蒸汽中具有良好的耐蚀性能,热中子吸收截面小和对核燃料相容性好等特性,是理想的核反应堆堆芯结构材料。对核反应堆用锆合金中的杂质含量有严格要求,其中大部分金属杂质元素(钴、铜、镁、锰、钼、钛、钒)要求在50×10“以下,热中子吸收截面很大的元素硼、镉不得超过0.5×10。严重损害耐蚀性能的氮不得高于80×10,能导致材料变脆的氢不得高于25×10一。 核反应堆用锆合金主要有两个系列,锆锡系和锆铌系。

  Zr一2和Zr一4合金是使用量最多的锆合金。Zr一4合金中不含镍,而适当增加铁的含量,此合金腐蚀过程的吸氢量仅为Zr一2合金的一半左右。通常Zr一2合金用于沸水堆,Zr一4合金用于压水堆。为了提高Zr一4合金的抗腐蚀性能,80年代法国对Zr一4合金成分进行了调整,将锡含量控制在1.2%~1.5%,Fe、Cr含量控制在上限,称低锡Zr一4合金,抗腐蚀性能明显优于原Zr一4合金。同时,美国研制出了抗腐蚀性能更为优异的zr一1.0Sn一1.0Nb一0.1Fe的ZIRL0新锆合金,腐蚀性能比zr一4降低67%,辐照蠕变降低20%,效果明显,已在高燃耗压水堆运行使用。zr一2.5Nb合金是重水堆压力管的材料,Excel合金是强度较高、抗蠕变性能好的一种新的压力管材料,zr一1Nb和Ozhennite—0.5合金在前苏联用作轻水冷却反应堆的结构和包壳材料,A.T.R.锆合金在二氧化碳冷却反应堆上使用。

  锆 - 综合性质

  元素名称:锆

  元素符号:Zr

  元素英文名称:Zirconium

  元素类型:金属元素

  原子体积:(立方厘米/摩尔):14.1

  元素在太阳中的含量:(ppm):0.04

  元素在海水中的含量:(ppm):0.000009

  地壳中含量:(ppm):190

  相对原子质量:91.22

  原子序数:40

  质子数:40

  中子数:51

  摩尔质量:91

  原子半径:

  所属周期:5

  所属族数:IVB

  电子层排布: 2-8-18-10-2

  氧化态:

  Main Zr 4

  Other Zr0, Zr 1, Zr 2, Zr 3

  晶体结构:晶胞为六方晶胞。

  晶胞参数:

  a = 323.2 pm

  b = 323.2 pm

  c = 514.7 pm

  α = 90°

  β = 90°

  γ = 120°

  莫氏硬度:5

  声音在其中的传播速率:(m/S):3800

  电离能 (kJ /mol)

  M - M 660

  M - M2 1267

  M2 - M3 2218

  M3 - M4 3313

  M4 - M5 7860

  M5 - M6 9500

  M6 - M7 11200

  M7 - M8 13800

  M8 - M9 15700

  M9 - M10 17500

  常见化合价: 2, 3

  单质:Zr

  单质化学符号:Zr

  颜色和状态:

  发现人:克拉普罗德

  发现年代:1789年

  发现过程:

  1789年,德国的克拉普罗德,在分析锡兰锆时,发现了锆土。

  锆 - 元素描述

  元素英文名称:Zirconium

  相对原子质量:91.22

  核内质子数:40

  核外电子数:40

  核电核数:40

  质子质量:6.692E-26

  质子相对质量:40.28

  所属周期:5

  所属族数:IVB

  摩尔质量:91

  氢化物:ZrH4

  氧化物:ZrO2

  最高价氧化物化学式:ZrO2

  密度:6.49

  熔点:1852.0

  沸点:4377.0

  外围电子排布:4d2 5s2

  核外电子排布:2,8,18,10,2

  颜色和状态:钢灰色金属

  原子半径:2.16

  常见化合价:+2,+3,+4

  元素来源:

  四氧化锆用镁还原可制得。

  锆 - 产量分布

  锆产品的主要原料是锆英砂,全球90%的氧氯化锆(初级产品)的生产能力在中国。目前,国内锆的加工能力12万吨/年,实际产量在8万吨/年,85%以上出口,目前全球锆市场供不应求,目前锆的价格大约每吨12000元,而且价格仍在不断上涨。

  含锆的天然硅酸盐矿石被成为锆石(zircon)或风信子石(hyacinth),广泛分布在自然界中。由于它们美丽的颜色,自古以来被称为宝石。化学家很早就对锆石进行了分析,认为是含有硅、铝、钙和铁的氧化物。1789年,德国化学家克拉普罗特发表研究来自斯里兰卡锆石的报告中提到他发现了一种未知的独特而简单物质的氧化物,并提议称之为Zirconerde(锆土——氧化锆)。不久,法国化学家德毛沃和沃克兰两人都证实克拉普罗特的分析是正确的。Zirconerde的存在被肯定,元素得到zirconnium的命名,元素符号为Zr。

  锆 - 特殊性质

  金属锆的外表象钢,常温下表面被致密的氧化物层覆盖,但仍有金属光泽。粉状锆为暗灰色。金属锆的熔点为1852℃,密度6.49克/厘米3。其可塑性好,易于加工成板、丝等。锆在加热时能大量地吸收氧、氢、氮等气体,可用作贮氢材料。锆的耐蚀性比钛好,接近铌、钽。锆与铪是化学性质历史学相似、又共生在一起的两个金属,且含有放射性物质。地壳中锆的含量居第20位,几乎与铬相等。目前,自然界中具有工业价值的含锆矿物,主要有锆英石及斜锆石。锆虽为稀有金属,但在地壳中含量却超过铜、锡、锌等。

  锆在空气中比较稳定;粉末状的锆容易燃烧,细的锆丝可用火柴点燃;高温时能与溶入的氧、氮、氢直接化合。

  锆比钛软,主要用于制造防弹合金钢;锆还可作反应堆中铀燃料的包覆合金;锆在高温时易发射电子;锆还少量用于外科刀具。

  锆 - 历史

  含锆的天然硅酸盐ZrSiO4称为锆石(Zircon)或风信子石(hyacinth)广泛分布于自然界中,具有从橙到红的各种美丽的颜色,自古以来被认为是宝石,据说Zircon一词来自阿拉伯文Zarqūn,是朱砂,又说是来自波斯文Zargun,是金色,hyacinth则来自希腊文的“百合花”一词,印度洋中的岛国斯里兰卡盛产锆石。

  1789年德国人M.H.Klaproth对锆石进行研究时发现,将它与氢氧化钠共熔,用盐酸溶解冷却物,在溶液中添加碳酸钾,沉淀,过滤并清洗沉淀物,再将沉淀物与硫酸共煮,然后滤去硅的氧化物,在滤液中检查钙、镁、铝的氧化物,均未发现,在溶液中添加碳酸钾后出现沉淀,这个沉淀物不像氧化铝那样溶于碱液,也不像镁的氧化物那样和酸作用,Klaproth认为这个沉淀物和以前所知的氧化物都不一样,是由Zirkonerde(锆土,

  德文)构成的,不久,法国化学家de Morueau和Vauquelin两人都证实M.H.Klaproth的分析是正确的,该元素拉丁名为Zirconium,符号认为Zr,

  我国译成锆,1808年,英国的H.Davy利用电流分解锆的化合物,没有成功,1824年瑞典的J.J.Berzelius首先用钾还原K2ZrF6时制得金属锆,但不够纯,反应式为:K2ZrF6+4K=Zr+6KF,该反应也可用Na作还原剂,直到1914年,荷兰一家金属白热电灯制造厂的两位研究人员Lely和Ham bruger用无水四氯化锆和过量金属钠同盛入一空球中,利用电流加热500℃,取得了纯金属锆。

  锆 - 锆合金

  以锆为基体加入其他元素而构成的有色合金。主要合金元素有锡、铌、铁等。锆合金在300~400℃的高温高压水和蒸汽中有良好的耐蚀性能、适中的力学性能、较低的原子热中子吸收截面,对核燃料有良好的相容性,多用作水冷核反应堆的堆芯结构材料。此外,锆对多种酸、碱和盐有优良的抗蚀性,与氧、氮等气体有强烈的亲和力,因此锆合金也用于制造耐蚀部件和制药机械部件,在电真空和灯泡工业中被广泛用作非蒸散型消气剂。

  工业规模生产的锆合金有锆锡系和锆铌系两类。前者合金牌号有Zr-2、Zr-4,后者的典型代表是 Zr-2.5Nb 。在锆锡系合金中,合金元素锡、铁、铬、镍可提高材料的强度 、耐蚀性和耐蚀膜的导热性,降低表面状态对腐蚀的敏感性 。通常Zr-2合金用于沸水堆 ,Zr-4 合金用于压水堆 。在锆铌系合金中,铌的添加量达到使用温度下锆的晶体结构的固溶极限时,合金的耐蚀性最好。锆合金有同质异晶转变,高温下的晶体结构为体心立方,低温下为密排六方。锆合金塑性好,可通过塑性加工制成管材、板材、棒材和丝材;其焊接性也好,可用以进行焊接加工。

  锆 - 氧化锆

  氧化锆(ZrO2)自然界的氧化锆矿物原料,主要有斜锆石和锆英石。锆英石系火成岩深层矿物,颜色有淡黄、棕黄、黄绿等,比重4.6—4.7,硬度7.5,具有强烈的金属光泽,可为陶瓷釉用原料。纯的氧化锆是一种高级耐火原料,其熔融温度约为2900℃它可提高釉的高温粘度和扩大粘度变化的温度范围,有较好的热稳定性,其含量为2%-3%时,能提高釉的抗龟裂性能。还因它的化学惰性大,故能提高釉的化学稳定性和耐酸碱能力,还能起到乳浊剂的作用。在建筑陶瓷釉料中多使用锆英石,一般用量为8%—12%。并为“釉下白”的主要原料,氧化锆为黄绿色颜料良好的助色剂,若想获得较好的钒锆黄颜料必须选用质纯的氧化锆。

  锆 - 硅酸锆

  Zr(SiO4),折射率高1.93-2.01,化学稳定性能,是一种优质、价廉的乳浊剂,被广泛用于各种建筑陶瓷、卫生陶瓷、日用陶瓷、一级工艺品陶瓷等的生产中,在陶瓷釉料的加工生产中,使用范围广,应用量大。硅酸锆之所以在陶瓷生产中得以广泛应用,还因为其化学稳定性好,因而不受陶瓷烧成气氛的影响,且能显著改善陶瓷的坯釉结合性能,提高陶瓷釉面硬度。硅酸锆也在电视行业的彩色显像管、玻璃行业的乳化玻璃、搪瓷釉料生产中得到了进一步的应用。硅酸锆的熔点高:2500摄氏度,所以在耐火材料、玻璃窑炉锆捣打料、浇注料、喷涂料中也被广泛应用。

  锆 - 锆指数

  Zr index,后处理工艺中用来衡量溶剂降解程度的指标。95Zr是一种重要的裂片,降解后的溶剂对95Zr具有高选择性的保留作用,锆指数越大,溶剂降解越严重。锆指数(Z值)的测量方法是:反萃后有机相经氢氧化钠、水和硝酸洗涤后,用示踪量95Zr水相与之平衡,用3mol/L硝酸洗有机相3次,除去TBP萃取的95Zr。测定溶剂相中被保留的锆量,每109L溶剂保留的95Zr的摩尔数为溶剂的Z值。由于锆在水溶液中行为复杂,随测量条件不同,Z值会不同,因而常用不稳定系数来表征溶剂的稳定性: 戈德堡-霍格内斯盒。

  锆 - 用途

  锆的热中子俘获截面小,有突出的核性能,是发展原子能工业不可缺少的材料,可作反应堆芯结构材料。锆粉在空气中易燃烧,可作引爆雷管及无烟火药。锆可用于优质钢脱氧去硫的添加剂,也是装甲钢、大炮用钢、不锈钢及耐热钢的组元。锆是镁合金的重要合金元素,能提高镁合抗拉强度和加工性能。锆还是铝镁合金的变质剂,能细化晶粒。二氧化锆和锆英石是耐火材料中最有价值的化合物。二氧化锆是新型陶瓷的主要材料,不可用作抗高温氧化的加热材料。二氧化锆可作耐酸搪瓷、玻璃的添加剂,能显著提高玻璃的弹性、化学稳定性及耐热性。锆英石的光反射性能强、热稳定性好,在陶瓷和玻璃中可作遮光剂使用。锆在加热时能大量地吸收氧、氢、氨等气体,是理想的吸气剂,如电子管中用锆粉作除气剂,用锆丝锆片作栅极支架、阳极支架等。

  粉末状铁与硝酸锆混合,可作闪光粉。金属锆几乎全部用作核反应堆中铀燃料元件的包壳。也用来制造照相用的闪光灯,以及耐腐蚀的容器和管道,特别是能耐盐酸和硫酸。锆的化学药品可作聚合物的交联剂。

  从军工上来看,钢里只要加进千分之一的锆,硬度和强度就会惊人地捉高。含锆的装甲钢、大炮锻件钢、不锈钢和耐热钢等是制造装甲车、坦克、大炮和防弹板等武器的重要材料。

  从原子能和核能上来看,锆有突出的核能性,是发展原子能工业不可缺少的材料,我国的大型核电站普遍都用锆材,如果用核动力发电,每一百万千瓦的发电能力,一年就要消耗掉20到25吨金属锆。一艘三万马力的;核潜艇用锆和锆合金作核燃料的包套和压力管,锆的使用量达20至30吨

  锆是一种稀有金属,具有惊人的抗腐蚀性能、极高的熔点、超高的硬度和强度等特性,被广泛用在航空航天、军工、核反应、原子能领域。本次“神六”上使用的抗腐蚀性、耐高的钛产品,其抗腐蚀性能远不如锆,其熔点1600度左右,而锆的熔点则在1800度以上,二氧化锆的熔点更是高达2700度以上,所以锆作为航空航天材料,其各方面的性能大大优越于钛。

  理想的吸气剂

  在我们结识锂和钛的时候,知道它都有爱跟气体“交朋友”的怪脾气。锆也有这个脾气,它能强烈地吸收氮、氢、氧等气体。

  比方说吧,温度超过摄氏九百度,锆能猛烈地吸收氮气;在摄氏二百度的条件下,一百克金属锆能够吸收八百一十七升氢气,相当于铁的八十多万倍。

  锆的这个怪脾气,给冶炼它的工人师傅们造成了很大的麻烦,但是,在另外一些场合它又能给人们带来好处。

  比如在电真空工业中,人们广泛利用锆粉涂在电真空元件和仪表的阳极和其他受热部件的表面上,吸收真空管中的残余气体,制成高度真空的电子管和其他电真空仪表,从而提高它们的质量,延长它们的使用时间。

  锆还可以用做冶金工业的“维生素”,发挥它强有力的脱氧、除氮、去硫的作用。钢里只要加进千分之一的锆,硬度和强度就会惊人地提高;含锆的装甲钢、不锈钢和耐热钢等,是制造装甲车、坦克、大炮和防弹板等国防武器的重要材料。把锆掺进铜里,抽咸铜线,导电能力并不减弱,而熔点却大大提高,用做高压电线非常合适。含锆的锌镁合金,又轻又耐高温,强度是普通镁合金的两倍,可用到喷气发动机构件的制造上。

  前面我们曾经提到过锆粉。锆粉的特点是着火点低和燃烧速度快,可以用做起爆雷管的起爆药,这种高级雷管甚至在水下也能够爆炸。锆粉再加上氧化剂。这好比火上加油,燃烧起来强光眩目,是制造曳光弹和照明弹的好材料。

  锆 - 制取

  克拉普罗特最初研究锆的硅酸盐实验操作一直到今天仍是工业上提取锆的基础。但一直到1914年,荷兰一家金属白热电灯制造厂的两位研究人员列里和汉保格将四氯化锆和金属钠作用,取得纯金属锆。锆一般被认为是稀有金属,其实它在地壳中的含量相当大,比一般的常用的金属锌、铜、锡等都大。


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