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锆娘

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萌娘百科化学元素萌化专题正在建设中,欢迎您参与完善本条目☆chemiluminescence~
自从看了元素娘,麻麻再也不用担心我的化学成绩啦~

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敬请注意,您已经来到了过渡金属盟约同盟。请在注意自身安全的情况下,尽情享受由使魔们打造的多彩世界。
  1. 请不要害怕那些拥有坚硬的钢灰色外表的元素,我们拥有的是温暖的心灵。(注)过渡金属多为硬度、密度、熔沸点较高的金属元素,但其中有很多是生命必须微量元素。
  2. 过渡金属娘们注重召唤使魔的魔法,不同阶级的使魔常常能带来不同的色彩。(注)很多过渡金属有多个价态,并且其中的一些元素的离子颜色丰富。
  3. 请注意,勿接近工厂厂区,以免造成不必要的伤害。(注)过渡金属娘中的很多位的主要用途都是制造工业、军事领域使用的特种合金。

祝您游览愉快!

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040-Zr.jpg
画师Martin创作的一位锆娘[1]
基本资料
本名
Zirconium
泽控妮
昵称化学符号
Zr
身高原子半径
160 pm(原子半径)
175±7 pm(共价半径)
体重原子量
91.224(2)
熔点 1855 ℃(2128 K)
沸点 4377 ℃(4650 K)
密度 6.52 g/cm3(室温)
化合价 常见有0、+2、+3、+4
行动力电负性
1.33(鲍林标度)
姐妹们同位素
5种天然同位素
(按丰度递减)
90Zr,94Zr,92Zr,91Zr,96Zr
28种人工同位素
相关人士元素 铪娘钛娘铌娘钇娘

锆娘(Zirconium)是第4族(IVB族)的常见过渡元素,位于元素周期表的第5周期,原子序数为40,是家族的二姐。
Zr:“看上去闪闪亮亮的呢(* ̄︶ ̄)”

条目使用的配图形象来自于日本画师Martin创作的一位锆娘。

名字和发现史

锆娘的名字来自德文的“锆石”(Zirkon),词源则可以追溯到波斯文的“如金子(金光)般”(زرگون‎ / Zargun)。

锆娘是被普鲁士化学家、著名的元素娘猎手马丁·H·克拉普罗特在1787年发现的,锆娘也是克拉普罗特最早攻略确认发现的元素娘。

家族和元素性质

锆娘属于第4族过渡元素娘。家族情况如下:

  1. 大姐 钛娘Ti
  2. 二姐 锆娘Zr
  3. 三妹 铪娘Hf
  4. 四妹 𬬻娘Rf挂了

锆娘和三妹铪娘身形(原子半径)几乎一样,性格(化学性质)极为相似,常常难以区分,只能通过离子交换、溶剂萃取或者氟化后利用氟化物溶解度的差别才能区分。

锆娘和家族其他成员一样,最稳定的氧化态是+4。但和爱4、6配位的大姐钛娘不同,锆娘和铪娘喜欢更多的7、8配位。花心的二姐

锆娘主要以硅酸盐矿物的形式居住在我们的星球,外星球的岩石中也有锆娘的身影。

单质和化合物

单质锆娘

独处的单质锆娘强烈抗腐蚀,在常温下会在表面形成致密氧化膜,而高温下就表现得相当活泼:

与常见无机酸的反应也需要更加苛性的条件:

$$\ce{2Zr + 6HCl(conc.) ->[\triangle] 2ZrCl3 + H2^}$$

$$\ce{2Zr + 6HF(conc.) ->[\triangle] H2[ZrF6] + 2H2^}$$

$$\ce{3Zr + 4HNO3 + 18HF -> 3H2[ZrF6] + 4NO ^ + 8H2O}$$

自然界中几乎找不见独居的锆娘,主要是因为锆娘与水娘容易作用。

介绍一些锆娘的重要化合物使魔

二氧化锆娘

虽然也是两性化合物,但二氧化锆(ZrO2·nH2O)比起同族且同为两性化合物的二氧化钛来说更偏碱性。单质的锆娘在碱中就能生成ZrO32-ZrO44-,再水解后沉淀出来。

$$\ce{Na2ZrO3 + 3H2O -> 2NaOH + Zr(OH)4 v}$$

人工合成的立方和正方的二氧化锆(ZrO2)晶体,是一种外貌酷似钻石娘的人造宝石娘,也称为“苏联石”Хорошо!

卤化锆娘

卤化锆娘(ZrX4)是一类锆娘使魔的总称。

可以通过二氧化锆来制备:

$$\ce{ZrO2 + 2NH4HF2 ->[\triangle] ZrF4 + 2NH3 ^ + 2H2O}$$

$$\ce{ZrO2 + 2Cl2 + 2C ->[\triangle] ZrCl4 + 2CO}$$

但卤化锆十分容易水解,可以利用这一反应制备烟幕:

$$\ce{ZrCl4 + 9H2O ->[\triangle] ZrOCl2·8H2O +2HCl ->[H2O] ZrO2·nH2O v}$$

氟锆酸盐娘

还有一类很有实际用途的化合物,就是四价锆娘Zr(IV)的配合物:氟锆酸盐,特别是氟锆酸钾(K2[ZrF6]),是一种热水可溶、冷水不溶的物质,主要从锆英石(ZrSiO4)中制备:

$$\ce{ZrSiO4 + K2SiF6 ->[700^\circ C] K2[ZrF6] + 2SiO2}$$

性格与工作

传统对锆娘的研究,属于金属、无机和配位化学家的工作范畴。

在金属有机化学领域,有机锆化学研究的主要对象有使用卤化锆为高效引发剂的齐格勒-纳塔反应、施瓦茨试剂(即氢氯二茂锆:(C5H5)2ZrHCl)及相关研究。

在地球化学领域,锆石是大型离子探针U-Pb定年技术应用最早、最广和最成熟甚至已经做烂了的矿物,有人也专门称之为地质定年的“锆石学”研究。

核反应堆燃料的包壳消耗了大约 1% 的锆供应,主要以锆合金的形式存在。这些合金具有较强的耐腐蚀推倒性。

锆合金的一个缺点是会与水反应,产生氢气,导致燃料棒包壳溶解:

$$\ce{Zr + 2H2O -> ZrO2 + 2H2}$$

该反应在 100 °C 以下非常缓慢,但在 900 °C 以上水解迅速。在2011年3月11日地震和海啸灾难导致反应堆冷却中断后,福岛一号核电站的1号、2号和3号反应堆发生了这种反应,导致了福岛一号核事故。氢气与大气中的氧气混合并发生爆炸,严重损坏了装置。

注释与引用