铪将军：核金属，舍我其谁？
刘继顺
2007-03-23
在自然界，锆铪形影不离，它们都是核反应堆必不可少的原材料，故有核反应堆的“哼哈”二将之称！
作为核反应堆的“哈将”，铪元素被发现的时间很晚。
话说莫斯莱，研究元素的X射线时，认为钡和钽之间应有16个元素存在。当时除了61号元素和72号元素之外，其余14个元素都已经被发现，即镧系稀土元素。那么72号元素应当归属于稀土元素？还是和钛、锆同属一族？当时多数化学家主张属于前者。法国化学家乌尔班1911年从镱的氧化物中分离出镥后，又分离出一个新的元素。在1914年乌尔班去英国将该元素的样品送请莫斯莱进行X射线光谱检测，得到的结论是否定的，没有发现相当于72号元素的谱线。乌尔班坚信新元素的存在，认为出现这样的结果是因为新研制的机器灵敏度不够，无法检测到样品中痕量新元素的存在。他回到巴黎后与光谱科学家达维利埃，用第一次世界大战后改进的X射线谱仪进行检测。1922年5月，他们宣布测到两条X谱线，因此断定新元素是存在的。1913年，丹麦物理学家玻尔提出了原子结构的量子论，接着在1921-1922年之间又提出原子核外电子排布理论，且推定，72号元素不属于稀土元素，而和锆一样是同族元素，72号元素应当从含锆和钛的矿石中去寻找。
根据玻尔的推论，匈牙利化学家G.C.von
Hevesey和丹麦物理学家D.Coster，于1923年对来自挪威和格陵兰的锆石中进行了X射线光谱分析，果真发现了这一元素。他们为了纪念该元素的发现所在地——丹麦的首都哥本哈根，命名它为hafnium，元素符号定为Hf。1925年他们用含氟络盐分级结晶的方法得到纯的铪盐，并用金属钠还原，得到纯的金属铪。
铪，原子序数72，原子量178.49。地壳中铪的含量为0.00045%，常与锆伴生，产于锆矿中。铪有6种天然稳定同位素：铪174、176、177、178、179、180。
铪为银灰色的有光泽金属，熔点2227°C，沸点4602°C，密度13.31克/厘米3；金属铪有较高的中子俘获能力。铪与锆的化学性质相似，都具有良好的抗腐蚀性，不受一般的酸碱侵蚀；易溶于氢氟酸；高温下可与氧、氮等气体直接化合。铪常用作X射线的阴极和钨丝制造工业。因其对中子有较好的吸收能力，因此常用来做核反应堆的控制棒，以减慢核子连锁反应的速率，同时抑制核子反应的"火焰"。
金属铪强度适中，抗腐蚀性好，中子吸收能力高，大量用于核工业；铪可以生成多种合金，还可作贱金属的表面包膜。
锆和铪是两个性质相似的元素。它们都是银灰色的难熔金属。锆的熔点为1852℃，铪的熔点更高达2229℃。两个金属都具有良好的抗腐蚀能力，各方面的化学性质都很接近。但是这两个元素的原子核的性质有一个重要的差别：元素锆的原子核在核反应堆中很少吸收反应堆里面的中子，而元素铪的原子核在反应堆中却能大量吸收里面的中子，它们俘获中子的能力相差达800倍。正是由于锆的热中子俘获能力特别小，铪的热中子俘获能力又特别大，这两种金属又有优良的热稳定性和化学稳定性，因此在核工业中这两种金属都可以发挥很好的作用：金属锆用来做包装燃料铀的包套和反应堆芯的其他结构材料，这样可减少核反应所必须的中子的无谓损失，它在核电站和核动力舰艇中得到广泛的应用；热中子俘获截面很大的铪可以做成核反应的控制棒。如果反应堆里的核反应过于激烈，在堆芯中多插几根铪棒能够有效地吸收过多的热中子，反应堆里的核反应就减缓了。反之，将反应堆中的铪棒提出少许，就可以使反应加速，由金属铪制成的控制棒在核潜艇中得到普遍应用。锆和铪两个元素在核反应堆中正好象哼哈二将。
锆和铪的高熔点化合物可以做成高级耐火材料，在熔炼高规格的合金时用来做炉体材料；熔点高达3895℃的碳化铪可以做宇宙火箭的喷嘴。在这些场合，很难用其他耐火材料来代替锆和铪的化合物。
铪的熔点为2 230 ℃,沸点为5 197
℃，密度为13.31(20
℃)。银白色金属，有光泽、有韧性。由于表面形成氧化膜而具有抗腐蚀性；粉末在空气中燃烧，不与酸（除HF）和碱反应。用于核反应堆的控制测杆、高温合金和陶瓷等。
加载中，请稍候......
加载中…