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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(Å) 2.16 原子体积(cm3/mol) 14.1 电子模型

 电子构型 1s2 2s2p6 3s2p6d10 4s2 p6d2 5s2 离子半径(Å) 0.72
 共价半径(Å) 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(℃) -
 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 -
 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
 94 17.38 93.906314
 [95] 0 94.908042
 [96] 2.8 95.908275

 

上一个元素:Y 钇 Yttrium
下一个元素:Nb 铌 Niobium
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