The history of zirconium dates back to antiquity with the natural gem known as zircon, which has been known for millennia in Asia and the Middle East. The name 锆石 probably derives from the Persian 抱歉，您提供的文本 "zargun" 看起来像是一个专有名词（可能是人名、地名或特定术语），在中文中通常直接音译为 **扎尔贡** 或保留原样。如果您能提供更多上下文，我可以给出更准确的翻译。, meaning golden, referring to the yellow-brown color of some varieties of this mineral. However, the chemical composition of zircon and the existence of zirconium as a distinct element were not recognized until much later.
In 1789, the German chemist 马丁·海因里希·克拉普罗特 (1743-1817), famous for also discovering uranium and titanium, analyzed a sample of zircon from Ceylon (present-day Sri Lanka). He succeeded in isolating a white oxide which he named 氧化锆 (ZrO₂), recognizing that it contained a new element which he called 锆. Klaproth did not manage to isolate the metal itself, but clearly established that zirconia was the oxide of an unknown element.
For more than three decades, chemists attempted unsuccessfully to isolate metallic zirconium. In 1824, the Swedish chemist 永斯·雅各布·贝采利乌斯 (1779-1848), who had already discovered selenium, cerium, and thorium, succeeded in obtaining impure zirconium by reducing zirconium tetrafluoride (ZrF₄) with metallic potassium. The product obtained was a black powder containing zirconium mixed with impurities.
It was not until 1914 that the Dutch chemists 安东·爱德华·范·阿克尔 and 扬·亨德里克·德·布尔 developed a process to obtain pure and ductile metallic zirconium. Their method, known as the van Arkel-de Boer process, involved the thermal decomposition of zirconium tetraiodide (ZrI₄) on a heated filament under vacuum. This process revealed for the first time the remarkable properties of pure zirconium.
锆的战略重要性随着20世纪40年代和50年代核能的发展而急剧提升。锆具有极低的中子俘获截面，这意味着它吸收的中子非常少。这一特性，加上其出色的耐腐蚀性和高温下的机械稳定性，使其成为核反应堆燃料包壳的理想材料。
锆（符号Zr，原子序数40）是元素周期表第4族的一种过渡金属。其原子含有40个质子，通常有50个中子（对应最丰富的同位素\(\,^{90}\mathrm{Zr}\)），以及40个电子，电子排布为[Kr] 4d² 5s²。
锆是一种亮灰色的金属，外观类似于不锈钢。其密度为6.52克/立方厘米，属于中等重量，与铁相近。纯锆质地较软且具有延展性，但即使含有少量杂质（尤其是氧、氮和碳），其硬度也会显著增加。
锆呈现两种同素异形体。在室温至863°C范围内，它以六方密排（hcp）结构结晶，称为α-Zr。在863°C以上至熔点时，它采用体心立方（bcc）结构，称为β-Zr。这种同素异形转变会影响其力学性能及吸氢能力。
Zirconium melts at 1855 °C (2128 K) and boils at 4409 °C (4682 K), making it a refractory metal with a very wide liquid temperature range (about 2554 °C). This exceptional thermal stability contributes to its use in high-temperature applications.
| 同位素 / 符号 | 质子（Z） | 中子（N） | 原子质量（u） | 天然丰度 | 半衰期 / 稳定性 | 衰变 / 备注 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 锆-90 — \(\,^{90}\mathrm{Zr}\,\) | 40 | 50 | 89.904704 u | ≈ 51.45% | 稳定 | 天然锆中含量最丰富的同位素，占总量的半数以上。 |
| 锆-91 — \(\,^{91}\mathrm{Zr}\,\) | 40 | 51 | 90.905645 u | ≈ 11.22% | 稳定 | 第二丰富的稳定同位素。用于核研究。 |
| 锆-92 — \(\,^{92}\mathrm{Zr}\,\) | 40 | 52 | 91.905040 u | ≈ 17.15% | 稳定 | 天然锆中第三丰富的稳定同位素。 |
| 锆-94 — \(\,^{94}\mathrm{Zr}\,\) | 40 | 54 | 93.906316 u | ≈ 17.38% | 稳定 | 第四种稳定同位素，丰度几乎与锆-92相当。 |
| 锆-96 — \(\,^{96}\mathrm{Zr}\,\) | 40 | 56 | 95.908276 u | ≈ 2.80% | ≈ 2.0 × 10¹⁹ 年 | 放射性（β⁻β⁻）。极慢的双β衰变，被视为准稳定。 |
| 锆-93 — \(\,^{93}\mathrm{Zr}\,\) | 40 | 53 | 92.906476 u | 合成 | 约 1.53 × 10⁶ 年 | 放射性（β⁻）。核反应堆中的活化产物。长寿命放射性废物。 |
| 锆-95 — \(\,^{95}\mathrm{Zr}\,\) | 40 | 55 | 94.908043 u | 合成 | ≈ 64.0 天 | 放射性（β⁻）。主要裂变产物。用作研究和工业中的示踪剂。 |
注意：:
Electron shells: 电子如何围绕原子核组织.
锆有40个电子，分布在五个电子层中。其完整电子排布为：1s² 2s² 2p⁶ 3s² 3p⁶ 3d¹⁰ 4s² 4p⁶ 4d² 5s²，或简写为：[Kr] 4d² 5s²。该排布也可写作：K(2) L(8) M(18) N(10) O(2)。
K壳层（n=1）: contains 2 electrons in the 1s subshell. This inner shell is complete and very stable.
L壳层（n=2）: contains 8 electrons distributed as 2s² 2p⁶. This shell is also complete, forming a noble gas configuration (neon).
M壳层（n=3）: contains 18 electrons distributed as 3s² 3p⁶ 3d¹⁰. This complete shell contributes to the electronic shielding.
N层（n=4）: contains 10 electrons distributed as 4s² 4p⁶ 4d². The two 4d electrons are valence electrons.
O壳层（n=5）: contains 2 electrons in the 5s subshell. These electrons are also valence electrons.
Zirconium has 4 价电子: two 4d² electrons and two 5s² electrons. This [Kr] 4d² 5s² configuration is typical of group 4 transition metals and determines the chemistry of zirconium.
The most common and stable oxidation state of zirconium is +4, where it loses its four valence electrons to form the Zr⁴⁺ ion with the configuration [Kr] (isoelectronic with krypton). Zirconium dioxide (ZrO₂) or zirconia is the most important compound, extremely stable thermally and chemically. Zirconium tetrachloride (ZrCl₄) is also a common compound of zirconium(IV).
Lower oxidation states exist but are much less stable. The +3 state appears in a few compounds such as zirconium trichloride (ZrCl₃), but these compounds are unstable and easily disproportionate. The +2 and +1 states are very rare and only exist in highly reactive or transient compounds.
The 0 oxidation state corresponds to metallic zirconium. Zirconium also forms important organometallic compounds, particularly with cyclopentadienyl ligands, used as catalysts in polymerization (modified Ziegler-Natta catalysts).
锆的电负性适中（鲍林标度1.33），表明其键合可具有部分共价性，尤其在有机金属化合物中；尽管其大多数无机化合物主要以Zr⁴⁺离子形式呈现离子键特性。
在室温下，块状锆具有显著的耐腐蚀性。它会自发形成一层薄而致密的氧化锆（ZrO₂）薄膜，使其钝化而阻止进一步氧化。这层仅几纳米厚的氧化膜效果极佳，使得锆在常温下能抵抗空气、水，甚至多种酸碱的侵蚀。
细粉状或粉末状的锆具有自燃性，即由于高比表面积促进快速氧化，可在空气中自发燃烧。锆燃烧时产生氧化锆（ZrO₂）并发出强光：Zr + O₂ → ZrO₂。锆火难以扑灭，因为该金属在高温下能与水、二氧化碳甚至氮气发生反应。
锆与卤素剧烈反应生成四卤化物：Zr + 2X₂ → ZrX₄（其中X = F、Cl、Br、I）。四氯化锆（ZrCl₄）是一种可升华的白色固体，用作生产金属锆及有机金属化合物的前驱体。四氟化锆（ZrF₄）则具有极高的稳定性。
在室温下，锆因其保护性氧化层而能抵抗大多数稀酸。然而，氢氟酸（HF）会侵蚀锆，通过形成可溶性氟化物络合物溶解氧化层：Zr + 6HF → H₂ZrF₆ + 2H₂。热浓盐酸也能侵蚀锆。王水溶液（HCl/HNO₃混合物）同样会溶解锆。
锆在高温（300-400 °C）下与氢反应生成氢化锆（ZrH₂、ZrH₃、ZrH₄），但由于氧化层的存在，室温下反应缓慢。氢的吸收会显著导致锆脆化，这种现象称为氢脆，是核应用中的一个主要关注点。
在高温（超过700°C）下，锆与氮反应生成氮化物（ZrN、Zr₃N₄），这些是极硬且耐高温的陶瓷材料。在极高温度下与碳反应，则形成碳化锆（ZrC），这是已知最耐高温的材料之一，熔点为3540°C。
锆在现代核工业中扮演着绝对关键的角色。全球超过90%的锆产量用于核能领域，主要制成名为锆合金（Zircaloy-2和Zircaloy-4）的合金，其中锆含量约达98%，并含有少量锡、铁、铬和镍。
使锆在核反应堆中不可或缺的基本特性是其极低的中子俘获截面，热中子截面约为0.18靶恩。这意味着锆吸收的中子极少，从而让尽可能多的中子参与核裂变链式反应。这种中子透明性对反应堆的效率和中子经济性至关重要。
锆合金燃料包壳包裹着轻水反应堆（压水堆和沸水堆）燃料组件中的二氧化铀（UO₂）芯块。这些包壳必须承受极端条件：高温（300-350°C）、显著压力、强中子通量以及长期与高温水接触。锆在辐照数年的条件下仍能保持其结构完整性。
然而，锆在极高温度下存在一个关键弱点。当温度超过1200°C时，锆与水蒸气的氧化反应会变为放热且自催化：Zr + 2H₂O → ZrO₂ + 2H₂。该反应产生的氢气可能积聚并引发爆炸风险。这一机制在1979年三里岛、1986年切尔诺贝利和2011年福岛的重大核事故中均扮演了关键角色。
福岛事故后，为提升反应堆在失水事故中的安全性，针对锆合金的替代包壳材料或防护涂层开展了深入研究。目前正在研究采用铬、钼或碳化硅涂层的耐事故燃料。
二氧化锆（ZrO₂），俗称氧化锆，是最重要的陶瓷氧化物之一。氧化锆存在多种晶型：单斜相（室温下稳定）、四方相（在1170-2370°C之间稳定）以及立方相（在2370°C以上至熔点2715°C之间稳定）。
通过添加氧化钇（Y₂O₃）、氧化镁（MgO）或氧化钙（CaO）获得的稳定氧化锆，在室温下保持立方相或四方相。这种氧化钇稳定氧化锆（YSZ）具有卓越性能：高机械强度、显著韧性、优异耐磨性、化学惰性及生物相容性。
合成立方氧化锆通过熔融稳定氧化锆晶体生长制成，是珠宝中主要的人造钻石替代品。其折射率为2.15-2.18，色散度高，虽略逊于钻石，但能呈现与钻石相似的璀璨光泽与火彩。莫氏硬度达8-8.5，足以满足珠宝日常佩戴的耐久性需求，而价格远低于天然钻石。
在医学领域，氧化锆已成为牙科修复体（牙冠、牙桥）和骨科植入物（髋关节假体股骨头）的首选材料。其天然的象牙白色、完美的生物相容性、卓越的抗断裂性以及无腐蚀性，使其成为这些高要求生物医学应用的理想材料。
氧化锆在高温下还表现出氧离子导电性，这一特性被应用于氧传感器（汽车氧传感器）和固体氧化物燃料电池（SOFC）中。在这些应用中，O²⁻离子通过氧化锆的晶体结构迁移，从而能够测量氧气浓度或产生电能。
Zirconium is synthesized in stars mainly by the s-过程 (slow neutron capture) in asymptotic giant branch (AGB) stars. The five stable isotopes of zirconium are produced by this process, with minor contributions from the r-process (rapid neutron capture) during supernovae and neutron star mergers.
锆在宇宙中的丰度约为氢原子数量的1.1×10⁻⁹倍，使其在宇宙中相对稀有。这种适中的丰度反映了它在核稳定性曲线中远离铁峰的位置。
锆石（ZrSiO₄）在地质年代学与行星科学中具有特殊地位。锆石晶体对化学和物理风化具有极强的抗性，能够经受变质作用与沉积过程。其在形成过程中会吸收铀和钍，但排斥铅，因此成为铀铅（U-Pb）定年法的理想地质计时器。
已知最古老的陆地锆石晶体发现于西澳大利亚的杰克山，其年代可追溯至约44亿年前，仅比地球形成晚1.6亿年。这些古老锆石为早期地球的环境条件提供了宝贵信息，表明大陆地壳和液态水的存在时间远早于此前的认知。
中性锆（Zr I）和电离锆（Zr II）的光谱线在许多恒星的光谱中均可观测到，尤其是光谱类型为F、G和K的恒星。对这些谱线的分析能够测定恒星大气中锆元素的丰度，并追溯星系在其演化过程中的化学富集过程。
在一些化学性质特殊的恒星中，尤其是碳星和钡星，已检测到过量的锆。这些恒星因从演化的伴星发生质量转移而富集了慢中子俘获过程元素。这些观测结果证实了我们对双星系统中重元素核合成的理解。
在陨石中，太阳前锆石（太阳系形成前在恒星环境中形成的颗粒）表现出特征性的同位素异常，这使得能够识别其特定的恒星起源。对这些颗粒的研究可直接揭示它们形成时恒星中存在的物理和化学条件。
注意：:
Zirconium is present in the Earth's crust at an average concentration of about 0.019% by mass (190 ppm), making it the 20th most abundant element in the crust, more abundant than copper, zinc, or lead. Zirconium is never found in its native state but always combined in minerals.
锆的主要矿石是锆石（ZrSiO₄），这是一种天然硅酸盐，约含67%的ZrO₂。锆石以透明至不透明的四方晶系晶体形式存在，因杂质不同呈现多种颜色（无色、黄色、棕色、红色、绿色）。斜锆石（天然ZrO₂）是另一种重要但更为稀有的矿石。主要锆石矿床分布于澳大利亚、南非、中国、印度和美国。
全球锆英石精矿年产量约为150万吨，主要通过自然重力富集作用从重矿物砂（砂矿矿床）中提取。澳大利亚以约占全球总量37%的产量主导世界生产，其次是南非和中国。锆英石通过磁选和静电分选技术与其他重矿物（钛铁矿、金红石、独居石）分离。
金属锆主要通过克罗尔法生产，该方法与钛的生产工艺类似。首先将锆石通过氯化反应转化为四氯化锆（ZrCl₄），随后用熔融镁还原四氯化锆：ZrCl₄ + 2Mg → Zr + 2MgCl₂。得到的海绵状锆经熔炼后，通过真空电弧熔炼进行提纯。用于核工业时，需额外提纯以去除铪——这是一种化学性质与锆极为相似但中子俘获截面较高的元素。
铪（元素72）因其与锆的化学性质极度相似（镧系收缩效应），在天然矿石中总是与锆共生。天然锆通常含有1-4%的铪。分离铪和锆是提取冶金中最困难的工序之一，需要通过多轮液液萃取或四氯化物的分馏才能实现。对于核级锆，铪含量必须降至100 ppm以下。
锆市场分为核应用领域（高纯度锆金属，这是一个高度专业化和受监管的市场）和陶瓷应用领域（氧化锆，这是一个更为广泛的市场）。锆精矿的价格根据质量和市场条件在每吨1000至2000美元之间波动。核级锆金属则昂贵得多，价格可达每公斤数十美元。
全球对锆的需求稳步增长，主要受以下因素推动：多个国家（中国、印度、俄罗斯）核能产业的扩张、牙科及骨科陶瓷应用的增加，以及氧化锆在先进电子领域使用量的提升。由于锆对核工业的重要性，多个国家将其视为战略材料。
原子的各种形态：从古代直觉到量子力学 
