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锆(Zirconium)是一种化学元素,它的化学符号是Zr,它的原子序数是40,是一种银白色的高熔点金属,呈浅灰色。密度6.49克/立方厘米。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
中文名称
英文名称
ZIRCONIUM
英文同义词
ZIRCONIUM POWDER (NON PYROPHORIC)
CAS号
7440-67-7
EINECS号
231-176-9
分子式
Zr
分子量
91.224
熔点
1852
沸点
4377℃

目录

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。过渡金属rl]。

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,但是溶于氢氟酸和王水;高温时,可与非金属元素和许多金属元素反应,生成固溶体。锆的可塑性好,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19位,几乎与铬相等。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。

理化性质

1.高温下,粉状锆可在空气中燃烧。主要矿物有锆石(主要组分为硅酸锆)和斜锆石(二氧化锆)。月球岩石锆的含量比地壳中要高得多。非常耐酸(氢氟酸除外)、碱、海水的腐蚀。禁止与强酸、氧、铅接触。能与氢氟酸、王水和热磷酸作用,能与熔融的氢氧化钾或硝酸钾作用,不与浓硫酸、盐酸和硝酸作用。粉状锆着火点很低(180~285℃),与氧化剂作用能引起爆炸。

2.稳定性: 稳定

3.禁配物: 氧化剂、强酸、氧、铅、二氧化碳及氮气

4.避免接触的条件:  空气

5.聚合危害:不聚合

6.体积:⒕1立方厘米/摩尔

含量:<1>太阳中的含量:0.04

<2>海水中的含量:0.000009(微量元素)

<3>地壳中含量:190(微量元素)

7.周期表参数

相对原子质量[1]  :91.224⑵

原子序数:40

质子数:40

中子数:见“同位素”

所属周期:5

所属族数:ⅣB

电子排布:[kr]4d^25s^2

8.同位素

同位素
丰度
半衰期
衰变模式
衰变能量
(MeV)
衰变产物
Zr-90(最长)
51.45 %
稳定
Zr-91
11.22 %
稳定
Zr-92
17.15 %
稳定
Zr-93
人造
1.53×10^6
β衰变
0.091
Nb
Zr-94
17.38 %
稳定
Zr-95
2.8 %
>3.8×10^19
β衰变
3.350

9.晶胞参数

锆为六方晶胞

参数
a
b
c
α
β
γ
323.2 pm
323.2 pm
514.7 pm
90°
90°
120°
10.电离能
电离能
1th
2th
3th
4th
5th
6th
7th
8th
9th
10th
kJ /mol.
660
1267
2218
3313
7860
9500
11200
13800
15700
17500

历史简介

早在古代包含锆的宝石。在1789年,德国化学家Martin Klaproth分析了一块锆石,并分离出了锆的“泥土”形式氧化锆,也就是氧化物ZrO2。Klaproth没能够独立出纯净的金属本身。

锆石锆石

在1808年,Humphry Davy试图用电解法获取也没能成功。直到1824年这个元素才被独立出来,当瑞典化学家Jöns Berzelius加热六氟锆酸钾(K2ZrF6)和钾金属后获得了黑色粉末状的锆。

1925年,完全纯净的锆被荷兰化学家Anton Eduard van Arkel和Jan Hendrik de Boer,由分解四碘化锆(ZrI4)制取。现在这种金属由镁加热四氯化锆来大量生产。

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。

相关物质

锆合金

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

锆刚玉锆刚玉
(锆为0.18靶恩),对核燃料有良好的相容性,因此可用作水冷核反应堆的堆芯结构材料(燃料包壳、压力管、支架和孔道管),这是锆合金的主要用途。锆对多种酸(如盐酸、硝酸、硫酸和醋酸)、碱和盐有优良的抗蚀性,所以锆合金也用于制作耐蚀部件和制药器件。锆与氧、氮等气体有强烈的亲和力,所以锆和锆合金还在电真空和灯泡工业中被广泛用作非蒸散型消气剂(见消气材料)。锆具有优异的发光特性,所以成为闪光和焰火材料。

氧化锆

氧化锆(ZrO₂)是自然界的矿物原料,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。

氧化锆还是一种理想的陶瓷原料,所生产氧化锆陶瓷被广泛用于航天航空、机械制造、光纤通讯、钟表饰品、医疗器械、刀具餐具等领域,有着广阔的发展空间。

硅酸锆

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。用于陶瓷、乳白釉、涂料增强剂等超细硅酸锆是一种优良的乳浊剂,广泛应用于高档陶瓷釉料、高级耐火纤维、电视显像屏等生产领域。也是特殊玻璃、瓷器用原料以及特殊橡胶增强树脂用填充剂。

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。

用途

用于核工业及耐腐蚀合金、闪光灯、烟花等的制造, 也用作冶金脱氧剂、化学试剂等。锆的热中子俘获截面小,

锆陶瓷锆陶瓷
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。

生产方法

1.将斜锆石焙烧转化为四氯化锆。锆石与炭共热,转化为碳化锆,再用氢氯化成四氯化锆,然后用镁还原可制得金属锆。工业上较好的方法是以ZrCl4或K2ZrF6为原料的熔盐电解法生产。

2.将锆石与碳一起用电炉加热可得到碳化锆,随后在500℃将碳化锆氯化可得粗四氯化锆。为了将其中的铪分离出去,首先将粗四氯化锆用水溶解,再从水溶液中分离铪。目前有代表性的溶剂抽提分离法是以异己酮为溶剂。利用这种方法可以得到氧化铪,把氧化铪在碳的存在下加热到900℃,再使它氯化生成四氯化锆,用升华提纯法提纯四氯化锆。在约850℃使用镁还原,副产品氯化镁在约900℃时可经过真空蒸馏分离除去,最后得到海绵状锆。

储藏条件

为安全起见,储存时常以不少于25%的水润湿、钝化。储存于阴凉、通风的库房。远离火种、热源。包装密封。应与酸类等分开存放,切忌混储。采用防爆型照明、通风设施。禁止使用易产生火花的机械设备和工具。储区应备有合适的材料收容泄漏物。



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