鋯——元素故事

　　廢鋯從仿鉆到核電站防護殼，JohnEmsley細數了鋯的諸多用途。

 

　　鋯石——對化學家來說即硅酸鋯（ZrSiO4）——是一種自古以來就為人所知的半寶石（如圖）。由于其具有高折射率，切割和拋光后的鋯石晶體能閃耀出奇光異彩。透明的鋯石酷似鉆石。鋯石中的金屬成分最早是MartinHeinrichKlaproth于1789年在柏林分析該物質的晶體時確定的。同年他還發現了鈾，如今這兩種金屬元素對于核能發電都至關重要。

 

　　鋯合金，即鋯錫合金，被用作氧化鈾燃料部件的包殼。該材料在高溫下耐腐蝕，且不會吸收中子，因此不會產生放射性。核工業幾乎消耗了所有的鋯金屬產能，一些核電站配備的鋯合金管足有數公里長。

 

　　雖說如此，它在水冷反應堆中仍有可能發生腐蝕，有時這會引發事故。盡管該金屬接觸溫度低于900℃的水是穩定的，但在此溫度以上，它們會反應生成氧化物和氫氣。正是這個過程導致了1979年發生在美國三里島的爆炸，以及2011年地震和海嘯后發生在福島的爆炸。

 

　　鋯的主要來源是鋯石，該礦物每年開采量超過150萬噸，主要產地為澳大利亞和南非。一直以來，鋯砂都是一種耐火材料——它在高溫下仍能保持足夠強度，因此可用作耐熱內襯以保護熔爐、轉移熔融金屬的巨型鋼包和鑄造模具。鋯的其它化合物，例如它的氧化物——二氧化鋯也可應用于高溫環境。二氧化鋯更常用的英文名字是zirconia，它的熔點高達2500°C，可用于制造耐火坩堝——燒至紅熱的二氧化鋯坩堝即便被投入冷水中也不會開裂。

 

　　全球純二氧化鋯的年產量接近25000噸，被用于化妝品、止汗劑、食品包裝，甚至被制成仿鉆。二氧化鋯最出人意料的應用是超強陶瓷。這一領域的研究主要由軍方推動，目標是用非金屬制造坦克發動機，以避免使用潤滑油和冷卻系統。

 

　　最終，新一代堅韌而耐熱的陶瓷材料被開發出來，它比硬化鋼更堅固鋒利，成為了制造業中優質的高速切削工具。一些日常用品中也有二氧化鋯的身影，比如刀，剪刀和高爾夫球桿。同時，因為它的耐用性和生物相容性，它也被用來制造牙貼面。

 

　　二氧化鋯可以形成三種不同的晶體結構：單斜晶、四方晶以及最受歡迎的立方二氧化鋯（通常簡稱為CZ），后者的晶體結構與金剛石相同，甚至更加光彩奪目。用二氧化鋯制成的仿鉆可以通過摻雜其他金屬氧化物著色：微量的鉻能讓其變身綠寶石，鈰能賦予其紅色，摻雜釹則是紫色。

 

　　二氧化鋯的一個更嚴肅的用途是形成堅韌并能抵御化學腐蝕的涂層。二氧化鋯陶瓷層能夠保護噴氣發動機的槳葉以及燃氣渦輪機，同時該陶瓷層還兼具隔熱作用。

 

　　在有關生命與死亡的話題中，鋯也發揮了一定的影響。2000年，在澳大利亞巖石中發現的鋯石表明，生命起源的時間可能比我們想象的要早得多。根據這些44億年前的樣品中氧-16/氧-18同位素的比值，只有在地球表面有液態水時，它們才有可能形成，這比以前預計的時間早了近5億年。鋯也有黑暗的一面，一些集束炸彈會利用超細鋯粉產生燃燒粒子對靶區進行地毯式覆蓋。

 

　　鋯的金屬單體也被用于某些合金中——比如增加鋼的強度并提升其可加工性。由于其生物相容性——即在生命體中無已知的功能或毒性，它也被用于外科植入物和假體中。金屬鋯在高溫下仍能保持穩定，因此可用來保護重返地球大氣層時被加熱的太空飛行器。

 

　　鋯的儲量是銅和鋅的兩倍，更是鉛的十倍多。由于鋯被認為是完全無毒和對環境無害的，它的應用或許還將持續增長。例如，它被添加到顏料中用以取代其中仍然需要的少量鉛化合物。?