锆(Zr) 锆,高熔点金属之一,呈浅灰色。密度6.49克/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。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。 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℃,沸点4377℃,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℃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。 锆单质 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。 锆 - 锆合金核反应堆保护壳 铬锆铜 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300~400℃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50×106以下,热中子吸收截面很大的元素硼、镉不得超过0.5×106。严重损害耐蚀性能的氮不得高于80×106,能导致材料变脆的氢不得高于25×10。核反应堆用锆合金主要有两个系列,锆锡系和锆铌系。 Zr-2和Zr-4合金是使用量最多的锆合金。Zr-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-2合金的一半左右。通常Zr-2合金用于沸水堆,Zr-4合金用于压水堆。为了提高Zr-4合金的抗腐蚀性能,80年代法国对Zr-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-4合金,抗腐蚀性能明显优于原Zr-4合金。同时,美国研制出了抗腐蚀性能更为优异的zr-1.0Sn-1.0Nb-0.1Fe的ZIRL0新锆合金,腐蚀性能比zr-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-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-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。
元素名称 |
锆 |
元素符号 |
Zr |
原子序数 |
40 |
相对原子质量 (12C=12.0000) |
91.224 |
英文名称 |
Zirconium |
原子结构 |
原子半径(?) |
2.16 |
原子体积(cm3/mol) |
14.1 |
电子模型 |
|
电子构型 |
1s22s2p63s2p6d104s2p6d25s2 |
离子半径(?) |
0.72 |
共价半径(?) |
1.45 |
氧化态 |
4 |
发现 |
1789年, 由 M.H. Klaproth (德国,柏林大学)发现, 1824年, 由 J.J. Berzelius (瑞典,斯德哥尔摩)首次分离出。 |
命名起源 |
from 'zargun' (Arabic) - gold colour |
来源 |
存在于锆石(zircon)和斜锆石(baddeleyite)中。 |
用途 |
锆合金不吸收中子,用在核领域,斜锆石用于实验室坩埚。 |
物理性质 |
状态 |
灰白色金属。 |
熔 点(℃) |
1852 |
沸 点(℃) |
4377 |
密度(g/cc,300K) |
6.51 |
比 热(J/gK) |
0.27 |
蒸发热(KJ/mol) |
58.2 |
熔化热(KJ/mol) |
16.9 |
导电率(106/cm) |
0.0236 |
导热系数(W/cmK) |
0.227 |
自燃点(℃) |
- |
闪 点(℃) |
- |
|
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化学性质 |
|
地质数据 |
丰 度 |
|
滞留时间(年) |
- |
太阳 (相对于 H=1×1012) |
560 |
海水中(ppm) |
9.6×10-6 |
地壳(ppm) |
190 |
大西洋表面 |
- |
太平洋表面 |
- |
大气(ppm(体积)) |
- |
大西洋深处 |
- |
太平洋深处 |
- |
|
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生物数据 |
人体中含量 |
|
肝(ppm) |
0.11 |
器官中 |
|
肌肉(ppm) |
0.08 |
血(mg dm-3) |
0.011 |
日摄入量(mg) |
c.0.05 |
骨(ppm) |
<0.1 |
人(70Kg)均体内总量(mg) |
1 |
锆的同位素信息
同位素 |
% |
质量 |
自旋 |
核磁矩 |
磁旋比 |
Q |
频率 |
吸收率 |
[88] |
0 |
87.910226 |
|
|
|
|
|
|
90 |
51.45 |
89.904702 |
|
|
|
|
|
|
91 |
11.22 |
90.905643 |
5/2 |
-1.54246 |
-2.49743 |
-17.6 |
9.296298 |
1.07×10-3 |
92 |
17.15 |
91.905039 |
|
|
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|
|
94 |
17.38 |
93.906314 |
|
|
|
|
|
|
[95] |
0 |
94.908042 |
|
|
|
|
|
|
[96] |
2.8 |
95.908275 |
|
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