元素周期表系列：第40号元素——锆元素
严浩
博士科普元素团队
你知道吗：锆元素的英文名称是Zirconium，起名来自锆石（Zircon），一种可以与金刚石媲美的天然宝石1。
锆元素是什么样一种元素呢？
博科小答：锆[gào]元素在元素周期表中排在第40位，它的原子核中含有40个质子，属于过渡金属元素。化合价有+2，+3和+4价。锆元素稳定的同位素有锆-90，锆-91，锆-92和锆-94，相对分子量为91.22。
锆元素是怎样被发现的呢？
博科小答：闪闪发亮的锆石自古以来被人们当作宝石，但是锆元素的发现却相对较晚。直到1789年，当德国人M.H.Klaproth设法将锆石溶解，并分析成分时排除了钙、镁、铝，却发现了一种神秘的沉淀物，其中隐藏的元素被命名为锆。在1824年，金属锆被瑞典科学家J.J.Berzelius首次制备出来1。
锆的单质有怎样的性质？
博科小答：锆是一种浅灰色的金属，密度为6.49g/cm3。与其他金属类似，锆具有金属光泽，它的表面易形成一层氧化膜。金属锆具有耐高温，耐腐蚀的性质，它的熔点为1852℃，沸点为4377℃，除可溶于氢氟酸和王水以外，对其他酸、碱、盐都具有很好的抗腐蚀性。然而作为金属，锆也有不安分的一面。粉末状和丝状的锆金属在200℃ 下即可燃烧，发出耀眼光芒1。
图一：金属锆2
金属锆还有一个特别的本领，那就是它与氢气、氮气、氧气的亲和力很强，在加热时可以大量吸收上述气体。根据这种特性，工业上将锆粉涂在真空原件中能够吸收其中的残留气体，提高真空度并保护元件。
金属锆是怎样生产呢？
博科小答：锆的天然矿石（如锆石）与碳可以在高温条件下形成碳化锆，接下来氯化形成氯化锆，最后通过与镁发生反应还原成金属锆。氯化锆亦可通过熔盐电解法生成金属锆。
锆合金的主要用途
锆元素具有特殊的性质。炼钢时只要加进千分之一的锆，就会使硬度和强度得到惊人地提高。含锆的装甲钢、大炮锻件钢、不锈钢和耐热钢等是制造装甲车、坦克、大炮和防弹板等武器的重要材料。
锆合金在核反应堆中有着其他合金不可比拟的优势：锆原子与热中子的碰撞截面很小，不易吸收中子，对核燃料有良好的相容性；锆合金在300～400℃的高温高压水和蒸汽中有良好的耐蚀性能、适中的力学性能。因此能够胜任水冷核反应堆的堆芯结构材料1。
坚韧的二氧化锆
二氧化锆是锆元素最重要的化合物之一。二氧化锆是一种高级的耐火材料。把白色的二氧化锆掺进陶瓷里，给陶瓷增添了新的血液，使它变得更加洁白光亮，更加耐热刚强。用这种陶瓷制成的高温绝缘瓷瓶，有很高的绝缘能力和很小的膨胀系数，是高压输电线路里必不可少的部分3。
天然宝石——锆石
锆的硅酸盐晶体锆石是可以与钻石相媲美的。在天然宝石中，锆石具有仅次于钻石的折射率，以及很高的色散率，经珠宝匠精心切割、打磨后可以放射出璀璨的光彩。除无色透明的形态以外，一些天然锆石还可呈现红褐，绿，蓝等不同颜色。
图二：红色的锆石4
健康与环境危害
工业上尚未见有锆中毒的报道1。然而天然的矿石中有可能含有放射性杂质5，切勿将来历不明的宝石贴身佩戴。
微细粉末极易燃烧，有时能自燃并会发生爆炸。锆粉也能在二氧化碳及氮气中燃烧。粉末在受热、遇明火或接触氧化剂时会引起燃烧爆炸。
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参考文献
1 百度百科 锆
2 Wikipedia, Zirconium
3《化学元素的故事》编写组编著.化学元素的故事(青少年科学馆丛书.中国出版集团，世界图书出版公司.KindleEdition
4 Wikipedia, Zircon
5 百度百科 锆石
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