锆、铪 —— 钛的兄弟们

锆、铪 —— 钛的兄弟们

王凌宇陈阵徐传明邱然

关键字钛锆铪世纪金属生物陶瓷原子能领域芯片工艺革命神奇金属

摘要本文以人们熟悉的钛为引入，以生物陶瓷、电子集成芯片等为例详细讨论了钛的同族金属——锆和铪的优良性质及其在社会生活中的巨大贡献，强调了化学学科与社会的紧密联系性。

一研究的缘起和概要

我们时常惊叹于自然界的神奇。自然界就像是一本人类永远也无法读完、读透的书，总是有意无意地给予走进她的人以意料之内或者意料之外的惊喜。人类作为她的崇拜者，从来没有停止过对她的奥秘的探寻。作为回报，一系列重要的发明和发现，大大改变了人类社会的面貌。我们的生活因此而方便，我们的文明也同时因此而进步。

本论文仅以对第四副族的三个元素的讨论做为切入点，简要论述它们的化学物理性质及其在社会生活的诸方面的重要应用，突出了该副族元素独特的优良性质所能给人类社会带来的巨大财富。我们在做资料收集和撰写论文的时候，本着阐述化学原理深入浅出、明细可靠和分析化学与社会关系时着眼长远和关注实际应用并重的原则，以经常被人们忽略的锆（Zirconium）和铪（Hafnium）为重点，并附带简略介绍钛（Titanium），以我们独特的视角观察、分析和讨论第四副族的这些元素的性质与应用，希望能在其中有所收获，有所发现，有所创新。

1 钛

钛是地壳中含量最丰富的元素之一，在所有元素中丰度占第9位。钛及其合金因有比重轻，强度高，耐腐蚀，耐高温等优良性能，广泛应用于航天、航空、航海设施、化工、冶金、发电、医药等领域。钛被誉为“21世纪的世纪金属”。

2 锆

锆及其化合物曾经被许多人认为是几乎没有工业价值的。但实际上锆及其化合物今天被广泛应用于工业生产和高新技术领域。R. Thompson曾在Specially Inorganic Chemicals 中对锆的今昔巨大变迁有过精彩的描述。

One of the most abundant minerals of the earth, ranking twentieth in order of abundance in the earth’s crust.

In ancient time, zirconium minerals were regarded as gemstones which only aristocates had the privilege to own. Now since the technology of extacting pure zirconium from its compounds is highly developed comparatively, it is not a kind of jewellery any more. Instead, the ceramic industry widely uses zirconium silica and oxide to make requisites, facilitaing our way of living.

First used as a wax emulsion for waterproofing of texile, it experienced a legengary prcocess from a nobody of the elements’ kingdom to a hero in our indusrialized world.

作为有如此传奇般经历的元素，锆今天在社会的许多方面发挥着开拓者般的重要作用。本论文将在概述锆的基本物理及化学性质之后，以其在生物陶瓷领域和原子能领域的为例，展现锆的优良特性及其在社会发展和文明进步中所能够扮演的重要角色。

3 铪

铪的单质是重要的战略金属，它有良好的可塑性和强的抗腐蚀性，抗蚀性超过钛。铪还具有特殊的核性能。铪已经成为原子能、电子、化工、冶金国防等部门需用的重要材料。

铪的发现过程是很有趣的，它和锆的性质是如此的相似，以至于其实人们早就应该发现它了，甚至事实上已经发现它了，但是由于种种原因，总是误认为是“另一种的锆”，它就因此而沉默了几个世纪c。

本论文将结合近几年的最新科技成就，较为详细地讨论铪在电子领域的巨大实际应用价值和广阔的实际应用前景，从中体现铪元素对社会造福的无限潜力。随着电脑技术的发展，电脑芯片变得越来越薄。传统的主体芯片材料二氧化硅已经越来越不能适应摩尔定律的要求。铪元素的化合物以其合适的介电常数及其他方面优良的性质，历史地承担了新一代芯片制造主材料的重任，为开发更高性能的计算机做出了具有历史意义的贡献，成为计算机科学史上里程碑式的重要材料。

二．钛的介绍

什么是钛？

钛，学术的解释是：一种金属元素，灰色，可以在氮气中燃烧，熔点高。22号元素。

金属钛的特点及应用：

1.钛没有磁性，用钛建造的核潜艇不必担心磁性水雷的攻击。

2.钛的耐热性很好，熔点高达1725℃。

3.在常温下，钛可以安然无恙地躺在各种强酸强碱的溶液中。就连最凶猛的酸——王水，也不能腐蚀它。

4.钛不怕海水，有人曾把一块钛沉到海底，五年以后取上来一看，上面粘了许多小动物与海底植物，却一点也没有生锈，依旧亮闪闪的。

钛的实际应用：

5.钛的储量非常大：地理表面十公里厚的地层中，含钛达千分之六，

比铜多61倍。随便从地下抓起一把泥土，其中都含有千分之几的钛，

世界上储量超过一千万吨的钛矿并不稀罕。

6. 钛的硬度与钢铁差不多，而它的重量几乎只有同体积的钢铁的一半，钛虽然稍稍比铝重一点，它的硬度却比铝大2倍。所以钛在某些领域，已经替代了钢铁，如宇宙火箭和导弹中。

7.钛非常结实，能承受很高的压力，所以现在有些国家用钛来制造潜艇。

8.液态钛几乎能溶解所有的金属，因此可以和多种金属形成合金。钛加

入钢中制得的钛钢坚韧而富有弹性。钛与金属Al、Sb、Be、Cr、Fe等生成填隙式化合物或