锆的基本知识

锆的基本知识锆的基本知识锆的基本知识xxx公司锆的基本知识文件编号：文件日期：修订次数：第1.0次更改批准审核制定方案设计，管理制度锆的基本知识时间：2009/7/2715:41:32

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免费试用锆声母:g字头:锆，（，鋯，）四笔号码:3736注音:gào摘要:gao笔画:12画部首画:05部首:钅部释义:金属元素，符号Zr。银灰色，有光亮，质硬，熔点高，耐腐蚀，可用做原子反应堆铀棒的外套和真空仪器的除气剂。锆与钍、镁的合金轻而耐高温，可做飞行器的外壳。部首查询:05钅部锆

zirconium

一种化学元素。化学符号Zr，原子序数40，原子量，属周期系ⅣB族。1789年德意志.克拉普罗特在分析锆石时发现一种新元素的氧化物，新元素被命名为zirc-onium，该字来源于zircon（锆石）。1824年瑞典.贝采利乌斯用金属钾还原锆氟酸钾，制得了金属锆。锆在地壳中的含量为％，锆的主要矿物有锆石（ZrSiO4）和二氧化锆矿（ZrO2），锆石与钛铁矿、金红石、独居石共生，也可在海滩砂石中找到。

锆是银灰色有光泽的金属，外观像钢，熔点1852±2℃，沸点4377℃，密度克／厘米3。锆的化学性质不活泼，致密的金属锆在空气中比较稳定，加热时，表面形成氧化物覆盖层，失去金属光泽。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，它能夺去氧化镁、氧化铍和氧化钍中的氧，本身成为二氧化锆。锆有强烈的吸氢性能，最大吸氢量相当于ZrH，可用作储氢材料。高温下锆还能与氮作用。锆不与稀盐酸、稀硫酸和强碱溶液作用，但容易溶解在氢氟酸和王水中。锆的氧化态为＋2、＋3、＋4，其中＋4价化合物最稳定。

锆石加入适量的石油焦，在1000℃通入氯气，可得四氯化锆，它的蒸气与熔融的金属镁接触，即被还原为金属锆。高纯度金属锆可用碘化物热分解法制取。锆合金的热中子吸收截面小，耐腐蚀性能好，用作核反应堆的堆芯结构材料。锆还用于生产防弹合金钢。二氧化锆的熔点高达2675℃，化学稳定性好，用作高级耐火材料。锆是一种化学元素，它的化学符号是Zr，它的原子序数是40，是一种银白色的过渡金属。锆不易被腐蚀，主要在核子反应堆用作吸收中子，以及用作抗腐蚀的合金。鋯也被用在X光繞射儀器中，當使用的為鉬靶時，則利用鋯以過濾其他不需要的頻率。参见元素周期表同位素列表过渡金属锆

zirconium

元素符号Zr，在元素周期表中属ⅣB族,原子序数40，原子量，密排六方晶体。常见化合价为＋4，＋3。锆的大量用途是作核反应堆包覆材料和结构材料，通常归入核材料金属。

1789年德国克拉普罗特在锆石中发现了一种新的氧化物，起名叫zirconia。1824年瑞典人贝采利乌斯用钾还原K2ZrF6制得金属锆，由于含杂质多，为脆性的黑色粉末。1914年德国人莱利等用高纯钠还原提纯的ZrCl4制得韧性的金属锆。1925年范阿克耳Arkel)和德布尔两人,在电热丝上解离ZrI4获得延展性更好的金属锆。1944年美国矿务局在克劳尔的指导下，研究成功延性锆的规模较大的生产方法。

锆在地壳中的丰度居第20位，几乎与铬一般多。含ZrO220％以上的矿物虽有十几种，但工业采用的仅有锆石(zircon)和斜锆石(badeleyite)两种。锆石的来源为砂矿，与钛铁矿、金红石、独居石共生。锆石的主要产地为巴西、印度、澳大利亚、美国、中国等。所有的锆石中都含有氧化铪(HfO2)和放射性物质，放射强度一般在1×10-7毫居里/克的数量级。含HfO2高的放射性强度也高。

性质和用途

金属锆在常温下，表面有一层致密的氧化物层覆盖，仍有金属光泽。在700℃时，可以吸收30％的氧原子、20％的氮原子和50％的氢原子。锆粉和锆屑，由于比表面大，活性特大，容易引起自燃和爆炸。

锆原子的热中子吸收截面为±靶恩。原子核反应堆中常用的锆合金有Zr-2，Zr-4。它们的热中子吸收截面小，耐腐蚀性能好，加上有相当好的力学性能,用在235U富集度小的水冷却铀堆中，比用不锈钢经济。这是70年代锆的主要用途。

锆有强烈的吸氢性能，可作贮氢材料，最大吸氢量相当于。如吸氢量超过ZrH中的含氢量，锆的脆性增大，很容易磨成粉末。锆对于稀盐酸和稀硫酸的耐腐蚀性能很好，在50％的NaOH溶液中的耐腐蚀性能比钽还好,因此在化学工业中有广阔的前途。含铪2％对锆的耐腐蚀性能没有显著影响，但用作反应堆核燃料元件包覆材料的锆应同铪分离。

锆的物理性能和力学性能受杂质碳、氮、氧的影响很大。例如用碘化锆热分解制得的锆结晶棒的电阻率为微欧·厘米，如果外推到不含氧时，则应为微欧·厘米。

ZrO2因熔点高(2675℃)和化学稳定性好，是良好的耐火材料。它因在晶型转变时体积发生变化，通常要加入稳定剂CaO或Y2O3。加入稳定剂后的ZrO2,有离子导电性,近年用作固体电解质和测定钢中氧含量的探头。ZrC的熔点为3500℃左右，莫氏硬度为8～9之间；ZrN的熔点为2980℃左右，莫氏硬度为8。两者都可以作为硬质合金的添加剂。ZrB2具有金属的导电性和导热性，熔点在3000℃左右；在空气中1000℃以上不耐氧化。

ZrOCl2是一种重要的锆化合物。制造方法一般先以NaOH熔融处理锆石,以水溶去Na2SiO3后，溶在浓盐酸中结晶即得ZrOCl2·8H2O，再加工制成其他的锆化合物。ZrOSO4是一种良好的制革鞣剂，工业上叫作锆鞣剂。

K2ZrF6可用锆石加K2SiF6烧结,以水浸出后结晶制得。K2ZrF6用钠还原可制得锆粉，也可通过熔盐电解制取金属锆。K2ZrF6和K2HfF6的溶解度不同,可用重结晶法分离这两种化合物。

冶炼

由锆石制取金属锆的工艺流程见图。50年代工业上制取金属锆的第一步是用电弧炉制取Zr(C，N)，而后氯化制得四氯化锆(ZrCl4)。70年代已改用直接氯化法（见氯化冶金）。锆石加适量的石油焦，通入氯在1000℃左右进行流态化氯化，其主要反应为：ZrO2·SiO2+4Cl2+4C─→ZrCl4+SiCl4+4CO

生成物中也有CO2,其含量同温度和其他动力学因素有关。反应式中仅表示了CO的生成。

ZrCl4在常温下呈固态，437℃时升华。因此在冷凝器中所得的ZrCl4为气态凝固而成,控制好传热速度等条件,可以得到致密度高的产品。ZrCl4可以还原得到ZrCl3和ZrCl2，它们是电解制取金属锆时熔盐中的主要组分。如制取一般工业锆，无须分离铪，可用升华提纯法制成精ZrCl4后，就用镁还原制得海绵锆。

锆主要用作原子核反应堆燃料元件的包壳材料，所以锆的冶炼流程中都有锆铪分离这一过程（见核反应堆材料）。工业上最通用的分离方法是NH4CNS-MIBK溶剂萃取法,萃取剂为甲基异丁基酮(MIBK)。此法的缺点为:①分离系数低,需要的级数多；②NH4CNS容易分解产生CN-，使废水有毒，需在厂内处理。但在70年代，工业生产还是以这种方法为主。

近年有用HNO3系TBP(磷酸三丁酯)萃取法和HCl－HNO3系TBP萃取法的。前者矿石分解用NaOH熔融法,带来一系列的困难，包括萃取中出现三相的困难。后者使用ZrCl4为原料，避免了上述困难,但也有溶液腐蚀性强的缺陷。所得ZrO2，再进行氯化得到ZrCl4,工业上叫作二次氯化。ZrCl4经过升华提纯,然后用金属热还原法（镁还原或钠还原）制得粗锆,真空蒸馏除去MgCl2和回收多余的镁(钠还原时用水洗)。这一过程与钛的还原流程相似，惟一不同处为镁需经预处理提纯。镁还原法的化学反应为:ZrCl4+2Mg─→Zr+2MgCl2，还原温度为850℃左右。真空蒸馏温度为950～1000℃。锆本身有吸气作用，所以最后的真空度一般为10-5托。

碘化物热分解法

制取纯度较高的锆，是用ZrI4在热丝上分解制得，工业上叫作结晶棒。在这一过程中有ZrI2和ZrI3参与作用。

锆粉在电真空中用作吸气剂，在热电池中用作热源。除常用的海绵锆氢化、磨细然后脱氢的生产方法以外,还有用CaH2还原ZrO2的制粉法。这种方法所得的锆粉，含氯很少，比海绵锆氢化法制取的锆粉更适合用作吸气剂。粒度细达2～3微米的锆粉，容易与氧反应引起自燃和爆炸，在包装、运输、使用时必须注意安全。

熔炼和加工

锆及锆合金采用真空自耗电弧重熔炉熔炼铸锭。最常用的型材为管材。成型方法包括锻造、挤压、拉伸，与钛管的加工方法基本一样。

参考书目

P.J.H.Clark,TheChemistryofTitanium,ZirconiumandHafnium,Pergamon,Oxford,1973.

B.Lustman&F.KerzeJr.,TheMetallurgyofZirconium,McGraw-Hill,NewYork,1955.

C.B.Alcock,Zirconium,PhysicochemicalPro-pertiesofitsCompoundsandAlloys,IAEA.,Vienna,1976.

Н.В.Барышников,Мемалл埅ргияцирконияигафния，Металлургия，Москва，1979.

W.W.Stephens,ExtractiveMetallurgyofZirconium-1945tothePresent,ProceedingsofASTMSymposium,Boston,.补充元素名称：锆元素原子量：元素类型：金属发现人：克拉普罗德发现年代：1789年发现过程：1789年，德国的克拉普罗德，在分析锡兰锆时，发现了锆土。元素描述：元素英文名称：Zirconium相对原子质量：核内质子数：40核外电子数：40核电核数：40质子质量：质子相对质量：所属周期：5所属族数：IVB摩尔质量：91氢化物：ZrH4氧化物：ZrO2最高价氧化物化学式：ZrO2密度：熔点：沸点：外围电子排布：4d25s2核外电子排布：2,8,18,10,2颜色和状态：钢灰色金属原子半径：常见化合价：+2,+3,+4高熔点金属之一，呈浅灰色。密度克/厘米3。熔点1852±2℃，沸点4377℃。化合价+2、+3和+4。第一电离能电子伏特。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，不溶于氢氟酸和王水；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。元素来源：四氧化锆用镁还原可制得。元素用途：粉末状铁与硝酸锆混合，可作闪光粉。金属锆几乎全部用作核反应堆中铀燃料元件的包壳。也用来制造照相用的闪光灯，以及耐腐蚀的容器和管道，特别是能耐盐酸和硫酸。锆的化学药品可作聚合物的交联剂。元素辅助资料：含锆的天然硅酸盐矿石被成为锆石（zircon）或风信子石（hyacinth），广泛分布在自然界中。由于它们美丽的颜色，自古以来被称为宝石。化学家很早就对锆石进行了分析，认为是含有硅、铝、钙和铁的氧化物。1789年，德国化学家克拉普罗特发表研究来自斯里兰卡锆石的报告中提到他发现了一种未知的独特而简单物质的氧化物，并提议称之为Zirconerde（锆土——氧化锆）。不久，法国化学家德毛沃和沃克兰两人都证实克拉普罗特的分析是正确的。Zirconerde的存在被肯定，元素得到zirconnium的命名，元素符号为Zr。克拉普罗特最初研究锆的硅酸盐实验操作一直到今天仍是工业上提取锆的基础。但一直到1914年，荷兰一家金属白热电灯制造厂的两位研究人员列里和汉保格将四氯化锆和金属钠作用，取得纯金属锆。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。补充元素名称：锆元素原子量：元素类型：金属发现人：克拉普罗德发现年代：1789年发现过程：1789年，德国的克拉普罗德，在分析锡兰锆时，发现了锆土。元素描述：元素英文名称：Zirconium相对原子质量：核内质子数：40核外电子数：40核电核数：40质子质量：质子相对质量：所属周期：5所属族数：IVB摩尔质量：91氢化物：ZrH4氧化物：ZrO2最高价氧化物化学式：ZrO2密度：熔点：沸点：外围电子排布：4d25s2核外电子排布：2,8,18,10,2颜色和状态：钢灰色金属原子半径：常见化合价：+2,+3,+4元素符号：Zr英文名：Zirconium中文名：锆相对原子质量：常见化合价：+2,+3,+4电负性：外围电子排布：4d25s2核外电子排布：2,8,18,10,2同位素及放射线：Zr-86[]Zr-88[]Zr-89[]*Zr-90Zr-91Zr-92Zr-93[1530000y]Zr-94Zr-95[]Zr-96Zr-97[]电子亲合和能：43KJ·mol-1第一电离能：KJ·mol-1第二电离能：1267KJ·mol-1第三电离能：2217KJ·mol-1单质密度：g/cm3单质熔点：℃单质沸点：℃原子半径：埃离子半径：(+4)埃共价半径：埃常见化合物：ZrCZrNZrO2ZrF4发现人：.克拉普罗特时间：1789地点：德国名称由来：得名于矿物锆石(zircon)。元素描述：灰白色有光泽的金属，不易生锈。元素来源：见于锆石和斜锆石等许多矿物中。元素用途：锆锡合金等锆合金具有不吸收中子的特性，因此应用于核工业。斜锆石可用于制造实验室坩埚、高性能泵具和阀门。Clearzircon(ZrSiO4)是一种常见的宝石。高熔点金属之一，呈浅灰色。密度克/厘米3。熔点1852±2℃，沸点4377℃。化合价+2、+3和+4。第一电离能电子伏