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金属间化合物9.钛在人体中分布广泛，正常人体中的含量为每70kg体重不超过15mg，其作用尚不清楚。

但钛能刺激吞噬细胞，使免疫力增强这一作用已被证实10. 钛具有“亲生物“’性。

在人体内，能抵抗分泌物的腐蚀且无毒，对任何杀菌方法都适应。

因此被广泛用于制医疗器械，制人造髋关节、膝关节、肩关节、胁关节、头盖骨，主动心瓣、骨骼固定夹。

当新的肌肉纤维环包在这些“钛骨”上时，这些钛骨就开始维系着人体的正常活动。

钛的化合物：世界上最白的东西？二氧化钛! 1克二氧化钛可以把 450多平方厘米的面积涂得雪白。

它比常用的白颜料一—锌钡白还要白5倍，因此是调制白油漆的最好颜料。

世界上用作颜料的二氧化钛，一年多到几十万吨。

二氧化钛可以加在纸里，使纸变白并且不透明，效果比其他物质大10倍，因此，钞票纸和美术品用纸就要加二氧化钛。

人造烟雾剂？四氯化钛！它在湿空气中便会大冒白烟——水解了，变成白色的二氧化钛的水凝胶。

在海洋上，水气多，一放四氯化钛，浓烟就象一道白色的长城，挡住了敌人的视线（四氯化钛泄露图）钛，量多，而且能力强，太完美了！它有缺点吗？有——难于提炼！主要是因为钛在高温下化合能力极强，可以与氧、碳、氮以及其他许多元素化合。

因此，不论在冶炼或者铸造的时候，人们都小心地防止这些元素“侵袭”钛。

在冶炼钛的时候，空气与水当然是严格禁止接近的，甚至连冶金上常用的氧化铝坩埚也禁止使用，因为钛会从氧化铝里夺取氧。

现在，人们利用镁与四氯化钛在惰性气体——氦气或氩气中相作用，来提炼钛。

价格成本自然相当高。

这个问题就有待于大家继续探索呢！三．锆的物化性质及其应用自从钛元素作为功能轻金属的代表元素广受关注以来，钛族元素开始渐渐成为材料科学研究的新兴领域。

其中，锆以其优良的物理化学性质，在各方面开始拥有独特应用，其上升势头已开始逐渐逼近钛这个龙头老大。

锆是高熔点金属之一，呈浅灰色。

密度 6.49克/厘米3。

熔点1852±2℃，沸点4377℃。

化合价+2、+3和+4。

第一电离能6.84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。

锆粉在空气中易燃烧，可作引爆雷管及无烟火药。

锆可用于优质钢脱氧去硫的添加剂，也是装甲钢、大炮用钢、不锈钢及耐热钢的组元。

锆是镁合金的重要合金元素，能提高镁合抗拉强度和加工性能。

锆还是铝镁合金的变质剂，能细化晶粒。

二氧化锆和锆英石是耐火材料中最有价值的化合物。

二氧化锆是新型陶瓷的主要材料，不可用作抗高温氧化的加热材料。

二氧化锆可作耐酸搪瓷、玻璃的添加剂，能显著提高玻璃的弹性、化学稳定性及耐热性。

锆英石的光反射性能强、热稳定性好，在陶瓷和玻璃中可作遮光剂使用。

锆在加热时能大量地吸收氧、氢、氨等气体，是理想的吸气剂，如电子管中用锆粉作除气剂，用锆丝锆片作栅极支架、阳极支架等。

粉末状铁与硝酸锆混合，可作闪光粉。

金属锆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。

以下主要以锆在两个主要领域的最新应用为例：锆在生物陶瓷领域的应用生物陶瓷指与生物体或生物化学有关的新型陶瓷。

包括精细陶瓷、多孔陶瓷、某些玻璃和单晶。

在化学成分上，生物陶瓷通常由存在于生理环境中的离子(钙、磷、钾、镁、钠等)或对人体组织仅有极小毒性的离子(铝、钛、锆等)所组成，因此具有良好的生物相容性。

根据使用情况，生物陶瓷可分为与生物体相关的植入陶瓷和与生物化学相关的生物工艺学陶瓷。

前者植入体内以恢复和增强生物体的机能，是直接与生物体接触使用的生物陶瓷。

后者用于固定酶、分离细菌和病毒以及作为生物化学反应的催化剂，是使用时不直接与生物体接触的生物陶瓷。

氧化锆生物陶瓷不仅具有良好的耐磨性、抗生理腐蚀性和生物相容性，而且其断裂韧性和强度均优于氧化铝陶瓷，用其制作的髋关节头比氧化铝陶瓷的小20%左右，从而具有更好的耐磨性和更长的寿命，主要用于关节、牙等硬组织的修复和替换，其中氧化锆生物陶瓷应用于牙科全瓷牙的制造已成为近期生物非金属材料的重要话题。

其相对于金属及其他材料的主要优点是：1、最佳美学效果因为它对光线通透性良好，与真牙接近。

由于二氧化锆全瓷牙的基底冠颜色是牙白色，镶入后颈部不会变黑变暗发青。

2、最佳生物相容性二氧化锆全瓷牙是一种很优秀的高科技生物材料，生物相容性好，优于各种金属合金，包括黄金。

并对牙龈无刺激、无过敏反应、无腐蚀作用很适合应用于口腔。

导热性能极低，仅为黄金的十七分之一，更有利于牙髓的保护。

3、最具可靠性二氧化锆不会发生氧化作用，不仅避免金属腐蚀，更能防止金属异味的产生。

另外，非金属的二氧化锆对X线无阻射，只要镶入二氧化锆烤瓷牙，日后需头颅x线、CT、核磁共振检查时都不需要拆掉假牙，省去很多麻烦。