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一种化学元素,化学符号Zr,原子序数40,原子量91.224,属周期系ⅣB族。

发现

1789年德意志化学家M.H.克拉普罗特在锆石中发现锆的氧化物,并命名为zirconium,它来源于锆石的英文名zircon。1824年瑞典化学家J.J.贝采利乌斯用金属钾还原K2ZrF6, 首次制得不纯的金属锆。1925年荷兰科学家 A.E.van阿克尔和J.H.德博尔制得有延展性的块状金属锆。

存在

锆在地壳中的含量为0.025%,比铜、铅、锌等常见金属的总量还多,但分布非常分散。比较重要的矿物有锆石ZrSiO4和二氧化锆矿ZrO2两种。锆石可在许多地方的海滩砂石中找到。天然存在的锆稳定同位素有5种:锆90、锆91、锆92、锆94、锆96,其中锆90含量最大。

物理性质

锆为银灰色金属,外观似钢,有金属光泽;熔点1852±2℃, 沸点4377℃, 密度6.49克/厘米3。金属锆有两种晶型:α锆为六方密堆积(<863℃);β锆为立方体心(>863℃)。在此转变温度前后,锆的许多物理性质发生明显的变化。例如,其电阻率降低约15%。锆的热中子俘获截面较小,可做反应堆中铀棒的外套材料。

化学性质

锆的电子构型为(Kr)4d25s2,氧化态有+2、+3、+4。锆的许多性质常受杂质元素的影响。例如,金属锆容易吸收氢、氮和氧气,它们都对锆的性质有明显的影响。此外,锆矿石中往往同时存在性质与它相似的铪,锆和铪比较难分离,在一般的金属锆中总是含有少量铪。铪对锆的许多性质影响不大,但不利于锆用作反应堆的结构材料。

紧密状态的锆在空气中比较稳定,加热时,表面会失去光泽,在非常高的温度下会燃烧。粉末状的锆容易在空气中燃烧,细的锆丝可用火柴点燃。锆对氧具有很强的亲和力,1 000℃时,氧气溶于锆中能使体积显著增加,如果超出溶解限度,锆就与氧化合成二氧化锆。锆还能夺取氧化镁、氧化铍和氧化钍等坩埚材料中的氧,因此锆只能在金属坩埚中熔融。高温时,锆可与氮和氢气直接化合。

制法

四氯化锆蒸气与熔融态的镁接触,即还原为金属锆:

ZrCl4+2Mg─→Zr+2MgCl2

高纯度的锆可用热分解四碘化锆来制备。

应用

锆比钛软,主要用于制造防弹合金钢。在铝合金中加锆,能增加抗腐蚀能力。锆还可做反应堆中铀燃料的包覆合金。锆在高温时容易发射电子,还具有吸收电子管中残留气体的能力。锆还少量用于制外科刀具。