Zirconium

鋯（Zirconium），高熔點金屬之一，呈淺灰色。密度6.49克/厘米3。熔點1852±2℃，沸點4377℃。化合價+2、+3和+4。第一電離能6.84電子伏特。鋯的表面易形成一層氧化膜，具有光澤，故外觀與鋼相似。有耐腐蝕性，可溶於氫氟酸和王水；高溫時，可與非金屬元素和許多金屬元素反應，生成固體溶液化合物。鋯一般被認為是稀有金屬，其實它在地殼中的含量相當大，比一般的常用的金屬鋅、銅、錫等都大。

概述

鋯（zirconium），原子序數40，原子量91.224。1789年德國化學家克拉普羅斯在鋯石中發現鋯的氧化物，並根據鋯石的英文名命名；1824年瑞典化學家貝采利烏斯首次制的不純的金屬鋯；1925年荷蘭科學家阿克爾和德博爾製得有延展性的塊狀金屬鋯。鋯在地殼中的含量為0.025%，但分布非常分散。主要礦物有鋯石和二氧化鋯礦。天然鋯有6種穩定同位素：鋯90、91、92、94、96，其中鋯90含量最大。鋯為銀灰色金屬，外觀似鋼，有光澤；熔點1852°C，沸點4377°C，密度6.49克/厘米³。鋯容易吸收氫、氮和氧氣；鋯對氧的親和力很強，1000°C氧氣溶於鋯中能使其體積顯著增加。

綜合性質

鋯屑

元素名稱：鋯
元素符號：Zr
元素英文名稱：Zirconium
元素類型：金屬元素
原子體積:(立方厘米/摩爾)：14.1
元素在太陽中的含量:(ppm)：0.04
元素在海水中的含量:(ppm)：0.000009
地殼中含量：（ppm）：190
相對原子質量：91.22
原子序數：40
質子數：40
中子數：51
摩爾質量：91
原子半徑：
所屬周期：5
所屬族數：IVB
電子層排布：2-8-18-10-2

鑲鋯三叉項鍊

氧化態：
MainZr4
OtherZr0,Zr1,Zr2,Zr3
晶體結構：晶胞為六方晶胞。
晶胞參數：
a=323.2pm
b=323.2pm
c=514.7pm
α=90°
β=90°
γ=120°
莫氏硬度：5
聲音在其中的傳播速率：（m/S）：3800
電離能(kJ/mol)
M-M660
M-M21267

氧氯化鋯

M2-M32218
M3-M43313
M4-M57860
M5-M69500
M6-M711200
M7-M813800
M8-M915700
M9-M1017500
常見化合價：2,3
單質：Zr
單質化學符號：Zr
顏色和狀態：

發現

發現人：克拉普羅德
發現年代：1789年
發現過程：
1789年，德國的克拉普羅德，在分析錫蘭鋯時，發現了鋯土。1789年,克拉普羅特從鋯石中抽取了一種新的氧化物.1824年貝采利烏斯用金屬鉀還原該氧化物分離出鋯金屬.

發現歷史

藍鋯銀戒

含鋯的天然矽酸鹽ZrSiO4稱為鋯石(Zircon)或風信子石(hyacinth)廣泛分布於自然界中，具有從橙到紅的各種美麗的顏色，自古以來被認為是寶石，據說Zircon一詞來自阿拉伯文Zarqūn，是硃砂，又說是來自波斯文Zargun,是金色，hyacinth則來自希臘文的“百合花”一詞，印度洋中的島國斯里蘭卡盛產鋯石。
1789年德國人M.H.Klaproth對鋯石進行研究時發現，將它與氫氧化鈉共熔，用鹽酸溶解冷卻物，在溶液中添加碳酸鉀，沉澱，過濾並清洗沉澱物，再將沉澱物與硫酸共煮，然後濾去矽的氧化物，在濾液中檢查鈣、鎂、鋁的氧化物，均未發現，在溶液中添加碳酸鉀後出現沉澱，這個沉澱物不像氧化鋁那樣溶於鹼液，也不像鎂的氧化物那樣和酸作用，Klaproth認為這個沉澱物和以前所知的氧化物都不一樣，是由Zirkonerde(鋯土，
德文)構成的，不久，法國化學家deMorueau和Vauquelin兩人都證實M.H.Klaproth的分析是正確的，該元素拉丁名為Zirconium,符號認為Zr,
我國譯成鋯，1808年，英國的H.Davy利用電流分解鋯的化合物，沒有成功，1824年瑞典的J.J.Berzelius首先用鉀還原K2ZrF6時製得金屬鋯，但不夠純，反應式為：K2ZrF6+4K=Zr+6KF，該反應也可用Na作還原劑，直到1914年，荷蘭一家金屬白熱電燈製造廠的兩位研究人員Lely和Hambruger用無水四氯化鋯和過量金屬鈉同盛入一空球中，利用電流加熱500℃，取得了純金屬鋯。

特殊性質

金屬鋯的外表象鋼，常溫下表面被緻密的氧化物層覆蓋，但仍有金屬光澤。粉狀鋯為暗灰色。金屬鋯的熔點為1852℃，密度6.49克／厘米3。其可塑性好，易於加工成板、絲等。鋯在加熱時能大量地吸收氧、氫、氮等氣體，可用作貯氫材料。鋯的耐蝕性比鈦好，接近鈮、鉭。鋯與鉿是化學性質歷史學相似、又共生在一起的兩個金屬，且含有放射性物質。地殼中鋯的含量居第20位，幾乎與鉻相等。目前，自然界中具有工業價值的含鋯礦物，主要有鋯英石及斜鋯石。鋯雖為稀有金屬，但在地殼中含量卻超過銅、錫、鋅等。
鋯在空氣中比較穩定；粉末狀的鋯容易燃燒，細的鋯絲可用火柴點燃；高溫時能與溶入的氧、氮、氫直接化合。
鋯比鈦軟，主要用於製造防彈合金鋼；鋯還可作反應堆中鈾燃料的包覆合金；鋯在高溫時易發射電子；鋯還少量用於外科刀具。

鋯合金

硫酸鋯

以鋯為基體加入其他元素而構成的有色合金。主要合金元素有錫、鈮、鐵等。鋯合金在300～400℃的高溫高壓水和蒸汽中有良好的耐蝕性能、適中的力學性能、較低的原子熱中子吸收截面，對核燃料有良好的相容性，多用作水冷核反應堆的堆芯結構材料。此外，鋯對多種酸、鹼和鹽有優良的抗蝕性，與氧、氮等氣體有強烈的親和力，因此鋯合金也用於製造耐蝕部件和製藥機械部件，在電真空和燈泡工業中被廣泛用作非蒸散型消氣劑。
工業規模生產的鋯合金有鋯錫系和鋯鈮系兩類。前者合金牌號有Zr-2、Zr-4，後者的典型代表是Zr-2.5Nb。在鋯錫系合金中，合金元素錫、鐵、鉻、鎳可提高材料的強度、耐蝕性和耐蝕膜的導熱性，降低表面狀態對腐蝕的敏感性。通常Zr-2合金用於沸水堆，Zr-4合金用於壓水堆。在鋯鈮系合金中，鈮的添加量達到使用溫度下鋯的晶體結構的固溶極限時，合金的耐蝕性最好。鋯合金有同質異晶轉變，高溫下的晶體結構為體心立方，低溫下為密排六方。鋯合金塑性好，可通過塑性加工製成管材、板材、棒材和絲材；其焊接性也好，可用以進行焊接加工。

用途

氧化鈣鋯

鋯的熱中子俘獲截面小，有突出的核性能，是發展原子能工業不可缺少的材料，可作反應堆芯結構材料。鋯粉在空氣中易燃燒，可作引爆雷管及無煙火藥。鋯可用於優質鋼脫氧去硫的添加劑，也是裝甲鋼、大炮用鋼、不鏽鋼及耐熱鋼的組元。鋯是鎂合金的重要合金元素，能提高鎂合抗拉強度和加工性能。鋯還是鋁鎂合金的變質劑，能細化晶粒。二氧化鋯和鋯英石是耐火材料中最有價值的化合物。二氧化鋯是新型陶瓷的主要材料，不可用作抗高溫氧化的加熱材料。二氧化鋯可作耐酸搪瓷、玻璃的添加劑，能顯著提高玻璃的彈性、化學穩定性及耐熱性。鋯英石的光反射性能強、熱穩定性好，在陶瓷和玻璃中可作遮光劑使用。鋯在加熱時能大量地吸收氧、氫、氨等氣體，是理想的吸氣劑，如電子管中用鋯粉作除氣劑，用鋯絲鋯片作柵極支架、陽極支架等。
粉末狀鐵與硝酸鋯混合，可作閃光粉。金屬鋯幾乎全部用作核反應堆中鈾燃料元件的包殼。也用來製造照相用的閃光燈，以及耐腐蝕的容器和管道，特別是能耐鹽酸和硫酸。鋯的化學藥品可作聚合物的交聯劑。
從軍工上來看，鋼里只要加進千分之一的鋯，硬度和強度就會驚人地捉高。含鋯的裝甲鋼、大炮鍛件鋼、不鏽鋼和耐熱鋼等是製造裝甲車、坦克、大炮和防彈板等武器的重要材料。
從原子能和核能上來看，鋯有突出的核能性，是發展原子能工業不可缺少的材料，我國的大型核電站普遍都用鋯材，如果用核動力發電，每一百萬千瓦的發電能力，一年就要消耗掉20到25噸金屬鋯。一艘三萬馬力的；核潛艇用鋯和鋯合金作核燃料的包套和壓力管，鋯的使用量達20至30噸
鋯是一種稀有金屬，具有驚人的抗腐蝕性能、極高的熔點、超高的硬度和強度等特性，被廣泛用在航空航天、軍工、核反應、原子能領域。本次“神六”上使用的抗腐蝕性、耐高的鈦產品，其抗腐蝕性能遠不如鋯，其熔點1600度左右，而鋯的熔點則在1800度以上，二氧化鋯的熔點更是高達2700度以上，所以鋯作為航空航天材料，其各方面的性能大大優越於鈦。
理想的吸氣劑　

鋯管頭

在我們結識鋰和鈦的時候，知道它都有愛跟氣體“交朋友”的怪脾氣。鋯也有這個脾氣，它能強烈地吸收氮、氫、氧等氣體。
比方說吧，溫度超過攝氏九百度，鋯能猛烈地吸收氮氣；在攝氏二百度的條件下，一百克金屬鋯能夠吸收八百一十七升氫氣，相當於鐵的八十多萬倍。
鋯的這個怪脾氣，給冶煉它的工人師傅們造成了很大的麻煩，但是，在另外一些場合它又能給人們帶來好處。
比如在電真空工業中，人們廣泛利用鋯粉塗在電真空元件和儀表的陽極和其他受熱部件的表面上，吸收真空管中的殘餘氣體，製成高度真空的電子管和其他電真空儀表，從而提高它們的質量，延長它們的使用時間。
鋯還可以用做冶金工業的“維生素”，發揮它強有力的脫氧、除氮、去硫的作用。鋼里只要加進千分之一的鋯，硬度和強度就會驚人地提高；含鋯的裝甲鋼、不鏽鋼和耐熱鋼等，是製造裝甲車、坦克、大炮和防彈板等國防武器的重要材料。把鋯摻進銅里，抽鹹銅線，導電能力並不減弱，而熔點卻大大提高，用做高壓電線非常合適。含鋯的鋅鎂合金，又輕又耐高溫，強度是普通鎂合金的兩倍，可用到噴氣發動機構件的製造上。
前面我們曾經提到過鋯粉。鋯粉的特點是著火點低和燃燒速度快，可以用做起爆雷管的起爆藥，這種高級雷管甚至在水下也能夠爆炸。鋯粉再加上氧化劑。這好比火上加油，燃燒起來強光眩目，是製造曳光彈和照明彈的好材料。

產量分布

鋯英

鋯的地殼豐度為162x10-4%,拾為2.8x10-4%。已知鋯礦物30多種，但用於工業生產的只有鋯英石和斜鋯石。鋯產品的主要原料是鋯英砂，全球90％的氧氯化鋯(初級產品)的生產能力在中國。目前，國內鋯的加工能力12萬噸/年，實際產量在8萬噸/年，85％以上出口，目前全球鋯市場供不應求，目前鋯的價格大約每噸12000元，而且價格仍在不斷上漲。
含鋯的天然矽酸鹽礦石被成為鋯石（zircon）或風信子石（hyacinth），廣泛分布在自然界中。由於它們美麗的顏色，自古以來被稱為寶石。化學家很早就對鋯石進行了分析，認為是含有矽、鋁、鈣和鐵的氧化物。1789年，德國化學家克拉普羅特發表研究來自斯里蘭卡鋯石的報告中提到他發現了一種未知的獨特而簡單物質的氧化物，並提議稱之為Zirconerde（鋯土——氧化鋯）。不久，法國化學家德毛沃和沃克蘭兩人都證實克拉普羅特的分析是正確的。Zirconerde的存在被肯定，元素得到zirconnium的命名，元素符號為Zr。