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锆   40Zr
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外观
银白色
概况
名称·符号·序数 锆(zirconium)·Zr·40
元素类别 过渡金属
·周期· 4 ·5·d
标准原子质量 91.224(2)
电子排布

[Kr] 4d2 5s2
2, 8, 18, 10, 2

历史
发现 马丁·克拉普罗特(1789年)
分离 永斯·贝采利乌斯(1824年)
物理性质
物态 固体
密度 (接近室温
6.52 g·cm−3
熔点时液体密度 5.8 g·cm−3
熔点 2128 K,1855 °C,3371 °F
沸点 4650 K,4377 °C,7911 °F
熔化热 14 kJ·mol−1
汽化热 591 kJ·mol−1
比热容 25.36 J·mol−1·K−1

蒸气压

压/Pa 1 10 100 1 k 10 k 100 k
温/K 2639 2891 3197 3575 4053 4678
原子性质
氧化态 4, 3, 2, 1, −2
两性氧化物)
电负性 1.33(鲍林标度)
电离能

第一:640.1 kJ·mol−1
第二:1270 kJ·mol−1

第三:2218 kJ·mol−1
原子半径 160 pm
共价半径 175±7 pm
杂项
晶体结构 六方密堆积
磁序 顺磁性
电阻率 (20 °C)421 nΩ·m
热导率 22.6 W·m−1·K−1
膨胀系数 (25 °C)5.7 µm·m−1·K−1
声速(细棒) (20 °C)3800 m·s−1
杨氏模量 88 GPa
剪切模量 33 GPa
体积模量 91.1 GPa
泊松比 0.34
莫氏硬度 5.0
维氏硬度 820–1800 MPa
布氏硬度 638–1880 MPa
CAS号7440-67-7
最稳定同位素

主条目:锆的同位素

同位素 丰度 半衰期 (t1/2) 衰变
方式 能量MeV 产物
88Zr syn 83.4 天 ε - 88Y
γ 0.392D -
89Zr syn 78.4 小时 ε - 89Y
β+ 0.902 89Y
γ 0.909D -
90Zr 51.45% 稳定,带50个中子
91Zr 11.22% 稳定,带51个中子
92Zr 17.15% 稳定,带52个中子
93Zr 痕量 1.53×106 年 β 0.060 93Nb
94Zr 17.38% >1.1×1017 年 ββ 1.144 94Mo
96Zr 2.8% 2.0×1019 年[4] ββ 3.348 96Mo
β - 96Nb

gào为一元素列表为Zr的化学元素原子序数40。锆的原文名称zirconium来自锆石(德语:Zirkon),为锆元素的主要来源[5]。锆石的字源来自波斯语:زرگون‎(zargun),字面意思为“似金”。这是一种灰白色、坚硬且带有光泽的过渡金属,与极为相似,与的相似性稍低。 锆主要作为耐热剂英语refractory遮光剂英语opacifier,而少量的锆则基于它的高度抗腐蚀性作为合金用剂。锆可以形成多种不同的无机化合物有机金属化学,如二氧化锆双环戊二烯基二氯化锆英语zirconocene dichloride等。大自然中存在五种锆的同位素,其中三种能够稳定存在。锆的化合物在生物体内没有已知的功用

字源

的名称来自锆石(德语:Zirkon),锆石的字源来自波斯语زرگون‎(zargun),字面意思为“金色之光”。

发现

1787年,利用来自斯里兰卡的黄锆石,马丁·克拉普罗特抽取出一种新的氧化物,根据锆石的名称,命名为德语:Zirkonerde。1824年贝采利乌斯用金属,还原该氧化物,分离出锆金属。

特性

锆在室温时为具延展性,有光泽(矿物)的灰白色金属;但在纯度较低时则硬且易碎的英语brittle[6][7]。粉末状时极易燃,固体则否。锆对于酸、碱、盐水及其他物质具有高度的抗腐蚀性[8],但会溶解于盐酸硫酸,尤其是当存在时[9]。其与合金在低于35K(摄氏-238°,华氏-396.67°)时具有 [8]。 锆的熔点沸点各为摄氏1855 ° (华氏3371 °)与摄氏4371 ° (华氏7900 °) [8]。锆的电负度为1.33,在d区元素里排名倒数第五,在之前[10]。室温时锆呈六方最密堆积的结晶,称为α-锆;而在摄氏863°时则会转变为体心立方结晶的β-锆。锆会处于β-锆状态直到温度上升至熔点[11]

同位素

自然界中存在五种锆的同位素,其中锆90、锆91、锆92和锆94是稳定的,虽然锆94预测将会以多于1.10×1017年的半衰期进行双贝他衰变英语double beta decay,但目前在实验中并未观测到此变化。锆96的半衰期为2.4×1019年,是锆最长寿的放射性同位素。锆90是锆的同位素中最为常见的,占51.45%;锆96的含量最少,只占2.80%[12]。 目前已合成出28种锆的人工同位素,原子量从78到110。 锆的同位素的半衰期为1.35×106,为最长寿的人工同位素。最重的人工锆同位素锆110则具有最强的放射性,半衰期约为30毫秒。质量数大于等于93的放射性同位素以电子发射英语electron emission衰变,而质量数小于等于89的放射性同位素则以正子发射英语positron emission衰变。唯一的例外是锆88,以电子捕获英语electron capture衰变[12]。另有五种锆的同位素(锆83m、锆85m、锆89m、锆90m1、锆90m2和锆91m)以核同质异能素存在。其中,锆90m2的半衰期最短,只有131纳秒,锆89m最长,有4.161分钟[12]

矿藏

锆在地壳中每公斤约有130毫克的含量,海水 [13]中则每升约含有0.026微克。自然中找不到锆的天然金属英语native metal,反映其对水的不稳定性。锆的主要商品来源为锆石(ZrSiO4),一种主要出产于澳洲、巴西、印度、俄罗斯、南美洲和美国的硅酸盐矿物 [6],在世界各地也有少量分布[7]。根据2013年的资料显示,三分之二的锆石开采来自澳洲和南美洲[14]。 全球锆石含量约有六千万公吨 [15],而每年生产约九十万吨[13]。锆元素也出现在其他140种矿物中,包括具商业价值的矿物如斜锆石英语Baddeleyitekosnarite英语kosnarite[16]。 锆元素在S-型星中的含量相对丰富,且在太阳及陨石中皆可检测出。数次阿波罗任务所带回的月球岩石样本含有相对于地球岩石较高的氧化锆含量[8]

用途

锆不易腐蚀,主要在核子反应堆用作燃料棒的护套材料,以及用作抗腐蚀的合金。由于锆的中子截面积非常小,中子几乎可以完全透过锆,因此锆合金在核裂变反应堆中可以作为核燃料的包覆管结构材料,如锆2和锆4合金。唯一的坏处是到摄氏1260度以上时会跟水蒸汽反应产生氢气,造成氢爆。

锆也用在X光衍射仪器,当使用的为靶时,则利用锆以过滤其他不需要的频率。

在有机化学,锆是过渡金属参与的有机合成方法学研究中比较新颖的一种金属,锆可以和形成五元环或者六元环,然后被其他基团进攻而离去,从而构筑有机物的骨架。利用锆化学的方法可以合成很多新奇的化合物,比如中国科学院上海有机所刘元红研究组曾经通过锆化学的方法合成和分离出连五烯结构的化合物立方氧化锆莫氏硬度可达8.5。

锆合金常用于金属之切割,白色的二氧化锆陶瓷刀的主要成分,非常硬,但不耐摔,一摔即碎。

参考文献

  1. ^ Standard Atomic Weights 2013. Commission on Isotopic Abundances and Atomic Weights
  2. ^ Zirconium: zirconium(I) fluoride compound data. OpenMOPAC.net. [2007-12-10]. (原始内容存档于2011-07-21). 
  3. ^ Lide, D. R. (编). Magnetic susceptibility of the elements and inorganic compounds. CRC Handbook of Chemistry and Physics (PDF) 86th. Boca Raton (FL): CRC Press. 2005. ISBN 0-8493-0486-5. (原始内容 (PDF)存档于2011-03-03). 
  4. ^ Pritychenko, Boris; Tretyak, V. Adopted Double Beta Decay Data. National Nuclear Data Center. [2008-02-11]. 
  5. ^ Harper, Douglas. zircon. Online Etymology Dictionary. 
  6. ^ 6.0 6.1 引用错误:没有为名为nbb的参考文献提供内容
  7. ^ 7.0 7.1 引用错误:没有为名为madehow的参考文献提供内容
  8. ^ 8.0 8.1 8.2 8.3 Lide, David R. (编). Zirconium. CRC Handbook of Chemistry and Physics 4. New York: CRC Press. 2007–2008: 42. ISBN 978-0-8493-0488-0. 
  9. ^ Considine, Glenn D. (编). Zirconium. Van Nostrand's Encyclopedia of Chemistry. New York: Wylie-Interscience. 2005: 1778–1779. ISBN 978-0-471-61525-5. 
  10. ^ Winter, Mark. Electronegativity (Pauling). University of Sheffield. 2007 [2008-03-05]. 
  11. ^ Schnell I & Albers RC. Zirconium under pressure: phase transitions and thermodynamics. Journal of Physics: Condensed Matter. January 2006, 18 (5): 16. Bibcode:2006JPCM...18.1483S. doi:10.1088/0953-8984/18/5/001. 
  12. ^ 12.0 12.1 12.2 Template:NUBASE 2003
  13. ^ 13.0 13.1 Peterson, John; MacDonell, Margaret. Zirconium. Radiological and Chemical Fact Sheets to Support Health Risk Analyses for Contaminated Areas (PDF). Argonne National Laboratory. 2007: 64–65 [2008-02-26]. (原始内容 (PDF)存档于2008-05-28). 
  14. ^ Zirconium and Hafnium - Mineral resources (PDF). 2014. 
  15. ^ Zirconium and Hafnium (PDF). Mineral Commodity Summaries. January 2008: 192–193 [2008-02-24]. 
  16. ^ Ralph, Jolyon & Ralph, Ida. Minerals that include Zr. Mindat.org. 2008 [2008-02-23]. 

外部链接

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