40 Zr 91.224
过渡金属 d-block Period 5 Group 4

Zr · Element 40 · Titanium group

Effectively transparent to neutrons, which is why it lines the fuel rods in nearly every nuclear reactor.

20°C时的状态 固态
原子量 91.224 u
ELECTRON CONFIGURATION [Kr] 4d² 5s²

结构

锆 原子

这不是环上点阵的示意图,而是对每个已占据子层实际概率密度|ψ|²进行蒙特卡洛采样的结果。拖动即可旋转。蓝色和紫色表示波函数的相反符号,这正是成键成为可能的原因。

轨道云

测量值

性质表

每个条形图都显示锆在全部118种元素中该性质的排名位置。

物理

密度 6.52 g/cm³ 37%
熔点 2128 K 85%
沸点 4682 K 91%
比热容 0.278 J/g·K
热导率 22.6 W/m·K 50%

原子

原子半径 160 pm 52%
共价半径 175 pm
范德华半径 186 pm

电子

电负性 1.33 40%
电离能 639.7 kJ/mol 41%
电子亲和能 41.5 kJ/mol 35%

存在

地壳中的丰度 165 mg/kg 85%

身份

符号Zr
原子序数40
原子量91.224 u
类别过渡金属
d
晶体结构六方密堆积
氧化态+2, +3, +4
发现时间1789
发现者Martin Heinrich Klaproth

来源:IUPAC 2021 标准原子量 ·《CRC 化学与物理手册》· NIST。标有 ~ 的数值是预测值,而非测量值。

按比例显示的大小

How big is a 锆 atom?

Radius 160 pm — that is 0.16 nm, so about 3125 million of them side by side would span a millimetre.

热范围

Solid, liquid, gas — and when

锆 is liquid over a 2554 K window, from 2128 K to 4682 K.

所在位置

在表中的位置

sits in period 5, group 4. Everything in group 4 shares the same outer-electron count, which is why they behave so similarly.

OTHER 过渡金属

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故事

锆 是什么,以及我们如何发现它

锆是一种坚韧无比、耐腐蚀的金属,既能保障核反应堆的安全,又能让钻石闪耀光芒!这种有光泽的灰白色过渡金属具有非凡的性质:几乎能够让中子直接穿过,同时极其耐腐蚀,因此对核能发电至关重要。锆的名称源自波斯语“zargun”,意为金色,现已成为现代技术中最具战略重要性的元素之一。 1789年,德国化学家Martin Heinrich Klaproth在分析宝石锆石时发现了锆。在之后的150多年里,锆基本上只是实验室里的研究对象。直到1824年,Jöns Jacob Berzelius才分离出纯金属锆。20世纪40年代,核工业迫切需要不会干扰核反应的材料,高纯度锆才开始得到应用。 锆最非凡之处在于其独特的核性质。与大多数金属不同,锆几乎对中子透明——中子能够直接穿过而不会被吸收。因此,锆合金非常适合用作核反应堆燃料包壳,既能包容放射性燃料,又允许中子自由移动并维持核链式反应。全世界超过90%的核反应堆都使用锆合金燃料棒。 锆具有惊人的耐腐蚀性,在严苛环境中甚至超过不锈钢。它会形成一层极薄且能够自我修复的氧化物保护膜,使其免受酸、碱和海水侵蚀。因此,锆非常适合用于化学加工设备、医疗植入物和海洋应用,在这些场合其他金属会迅速腐蚀。 这里还有一件令人眼花缭乱的事实:立方氧化锆(人造二氧化锆)是迄今最受欢迎的钻石仿制品之一。它的硬度几乎与钻石相当,具有出色的光学性质,并且可以制成各种颜色,成为价值数十亿美元的珠宝产业的基础。

The discovery of 锆

宝石中的元素

Martin Heinrich Klaproth于1789年在分析锆石宝石时发现了锆。Jöns Jakob Berzelius于1824年首次分离出不纯的金属锆,不过纯锆的制备仍需等到20世纪40年代Kroll工艺的发展。

应用

锆的用途

锆:核能卫士

锆卓越的耐腐蚀性和低中子吸收率使其成为核反应堆不可或缺的材料,而其生物相容性和强度则支持先进医疗植入物及航空航天应用。

核反应堆应用

Zircaloy燃料包壳包覆核反应堆中的铀燃料芯块,在高温水环境中提供耐腐蚀保护,同时允许中子传输,以维持核裂变。锆的低中子吸收截面使其非常适合用作对中子经济性要求极高的反应堆堆芯部件。

化学加工

锆制设备能够在不锈钢几小时内就会损坏的温度和浓度条件下,处理包括盐酸、硫酸和有机酸在内的强腐蚀性化学品。制药和精细化工生产依靠锆的化学惰性进行高纯度加工。

航空航天应用

锆合金为在腐蚀性环境中运行的飞机部件提供卓越的强度重量比。航天应用利用锆耐受原子氧和热循环的特性,将其用于卫星结构部件。

锆:极高可靠性

  • 核工业
    • 核燃料棒包壳和结构部件
    • 反应堆压力容器内部构件
    • 核废料处理设备
    • 研究堆部件
  • 化学加工
    • 耐腐蚀加工设备
    • 制药生产容器
    • 高纯度化学品生产
    • 特种化学品反应系统
  • 医疗应用
    • 骨科植入物和关节置换物
    • 牙科植入物和修复体
    • 手术器械和设备
    • 生物医学设备部件
  • 工业应用
    • 高性能泵和阀门部件
    • 换热器管道和板材
    • 船用五金件和配件
    • 专用紧固件和弹簧

来源

自然存在

165 mg/kg of Earth's crust · more abundant than 85% of elements

锆:古老而耐久

锆主要存在于锆石(ZrSiO₄)斜锆石(ZrO₂)矿物中。锆石是地球上最耐久的矿物之一,历经数十亿年仍能保存,并为研究早期地球历史和行星形成提供重要信息。

处理

安全

锆的安全性:通常安全

金属锆和大多数锆化合物的毒性较低,并具有良好的生物相容性。锆粉存在火灾和爆炸危险,需要采取适当的储存和处理措施。

安全措施

锆的机械加工和制造应遵循标准金属加工安全规程。灭火系统和惰性气氛储存可防止锆粉着火。

快速回答

锆:常见问题

What is 锆?

锆 (symbol Zr) is element 40 on the periodic table, a 过渡金属 in period 5, group 4. Effectively transparent to neutrons, which is why it lines the fuel rods in nearly every nuclear reactor. At room temperature it is a solid.

What is the electron configuration of 锆?

锆's ground-state electron configuration is [Kr] 4d² 5s², giving 5 occupied shells holding 2, 8, 18, 10, 2 electrons respectively.

What are the melting and boiling points of 锆?

锆 melts at 2128 K (1854.9 °C) and boils at 4682 K (4408.9 °C). That puts it among the most refractory elements — it stays solid at temperatures that vaporise most metals.

What is the atomic mass of 锆?

The standard atomic weight of 锆 is 91.224 u. That is a weighted average across its naturally occurring isotopes, which is why it is rarely a whole number.

How dense is 锆?

锆 has a density of 6.52 g/cm³. Water is 1.0 g/cm³, so a block of 锆 is about 6.5× heavier.

What is the electronegativity of 锆?

锆 has a Pauling electronegativity of 1.33. The scale runs from 0.70 (francium, the least greedy for electrons) to 3.98 (fluorine, the most). Values in this middle band tend to form covalent rather than strongly ionic bonds.

Who discovered 锆, and when?

锆 was discovered in 1789 by Martin Heinrich Klaproth. It is named after persian zargun, "gold-coloured".

How common is 锆 on Earth?

锆 makes up about 165 mg/kg of the Earth's crust — common enough to be mined at scale.