HAFNIUM: FELFEDEZÉS, FELÉPÍTÉS, TULAJDONSÁGOK, FELHASZNÁLÁSOK, KOCKÁZATOK - KÉMIA - 2026

A hafnium egy átmeneti fém, amelynek kémiai szimbóluma Hf, és atomszáma 72. Ez a periódusos rendszer 4. csoportának harmadik eleme, rokon titán és cirkónium. Az utóbbival számos kémiai tulajdonsággal rendelkezik, mivel a földkéreg ásványain belül helyezkedik el.

Hafniumot keresve arra törekszik, hogy hol van a cirkónium, mivel az extrakció mellékterméke. Ennek a fémnek a neve a latin „hafnia” szóból származik, amelynek jelentése Koppenhága neve, egy város, ahol a cirkon ásványokban fedezték fel, és a valódi kémiai természetével kapcsolatos viták véget vettek.

Fémhafnium-minta. Forrás: Kémiai elemek nagy felbontású képei

A hafnium egy olyan fém, amely az általános értelemben észrevétlenül marad, sőt, kevés ember még hallott róla. Még néhány vegyi anyag esetében is ritka elem, részben a magas gyártási költségek miatt, mivel a legtöbb alkalmazásban a cirkónium probléma nélkül helyettesítheti azt.

Ez a fém azt különbözteti meg, hogy az utoljára a Földön felfedezett legstabilabb elemek közé tartozik; Más szavakkal, a többi felfedezés rendkívül nehéz, radioaktív elemek és / vagy mesterséges izotópok sorozatát alkotja.

Hafnium vegyületek hasonlóak a titán és a cirkónium, az oxidációs száma +4 túlsúlyban őket, mint például a HfCl ₄, HfO ₂, HFI ₄ és HFBR ₄. Néhányuk az eddig létrehozott leginkább tűzálló anyagok listáján, valamint az olyan hőszigetelő ötvözetek listáján helyezkedik el, amelyek kiváló neutronok abszorbensei.

Ezért a hafnium sokat vesz részt a nukleáris kémiában, különösen a nyomás alatt álló vízreaktorok vonatkozásában.

Felfedezés

Átmeneti vagy ritkaföldfémek

A hafnium felfedezését vita vette körül annak ellenére, hogy annak létezését Mendelejev periodikus táblázata révén már 1869 óta előre jelezték.

A probléma az volt, hogy a cirkónium alatt helyezkedik el, de ugyanazon időszakban egybeesett a ritkaföldfémekkel: a lantanoidokkal. A kémikusok akkoriban nem tudták, hogy ez egy átmeneti fém vagy egy ritkaföldfém.

A francia kémikus, Georges Urbain, a hautnium szomszédos fémének lutecium felfedezője, 1911-ben azt állította, hogy felfedezte a 72. elemet, amelyet Celtiumnak hívott, és kijelentette, hogy ez ritkaföldfémek. Három évvel később azt a következtetést vonták le, hogy eredményei nem voltak helytállóak, és csak a lantanoidok keverékét izolálta.

A lutecium és a 72 elem közötti szomszédságot csak az 1914-es Henry Moseley munkájának köszönhetően, az atomszámuk alapján rendelték el, és bizonyították a szomszédságot a lutecium és a 72. elem között, egyetértve Mendelejev előrejelzéseivel, amikor ez az utolsó elem ugyanolyan csoport, mint a titán és a cirkónium.

Detektálás Koppenhágában

1921-ben, miután Niels Bohr tanulmányozta az atomstruktúrát, és előre jelezte a 72. elem röntgensugár-emisszióspektrumát, abbahagyta ennek a fémnek a ritkaföldfémekben való keresését; Ehelyett a cirkónium-ásványok kutatására összpontosított, mivel mindkét elemnek különböző kémiai tulajdonságokkal kell rendelkeznie.

Dirk Coster dán vegyész és Georg von Hevesy 1923-ban 1923-ban végre sikerült felismernie a Niels Bohr által előrejelzett spektrumot a norvég és grönlandi cirkonmintákban. A koppenhágai felfedezés után a város latin neve szerint a 72-es elemet hívták: hafnia, amelyből később „hafnium” -ból származtak.

Izolálás és előállítás

A hafniumatomok és a cirkónium atomjainak elválasztása azonban nem volt könnyű feladat, mivel méretük hasonló és ugyanúgy reagálnak. Noha 1924-ben frakcionált átkristályosítási módszert dolgoztak ki a hafnium-tetraklorid (HfCl _{4) előállítására}, Anton Eduard van Arkel és Jan Hendrik de Boer holland vegyészek a hafnium-fémre redukálták.

Ehhez a HfCl _4- et redukáltuk fém-magnéziummal (Kroll-eljárás):

HfCl ₄ + 2 Mg (1100 ° C) → 2 MgCl ₂ + Hf

Másrészt, kezdve a hafnium-tetrajodid, HFI ₄, ezt elpárologtatott alávetni hőbomlás egy izzólámpa volfrámszálból amelyen fém hafnium letétbe előállítására egy bárban egy polikristályos megjelenése (folyamat a kristályos bárban vagy Arkel-De Boer-folyamat):

HfI ₄ (1700 ° C) → Hf + 2 I ₂

Hafnium szerkezete

A Hf hafnium atomok környezeti nyomáson összekapcsolódnak egy kompakt, hatszögletű hcp kristályban, a titán és a cirkónium fémekhez hasonlóan. Ez a hcp hafnium-kristály α-fázisává válik, amely 2030 K hőmérsékleten állandó marad, amikor átalakul a β-fázisra, és a test középpontjában egy kocka alakú, bcc.

Ezt akkor értjük meg, ha úgy gondoljuk, hogy a hő "ellazítja" a kristályt, és ezért a Hf-atomok igyekszik olyan helyzetbe állni, hogy csökkenjen tömörítésük. Ez a két szakasz elegendő a hafnium polimorfizmusának megfontolásához.

Hasonlóképpen, polimorfizmust mutat, amely a magas nyomástól függ. Az α és β fázis 1 atm nyomáson létezik; míg a hex fázis, hatszögletű, de még tömörebb, mint a szokásos hcp, akkor jelenik meg, ha a nyomás meghaladja a 40 GPa-t. Érdekes, hogy amikor a nyomás tovább növekszik, akkor megjelenik a legkevésbé sűrű β-fázis.

Tulajdonságok

Fizikai megjelenés

Ezüstfehér szilárd anyag, amely sötét tónusú, ha oxid- és nitridbevonattal rendelkezik.

Moláris tömeg

178,49 g / mol

Olvadáspont

2233 ° C

Forráspont

4603 ° C

Sűrűség

Szobahőmérsékleten: 13,31 g / cm ³, kétszer olyan sűrű, mint a cirkónium

Közvetlenül az olvadáspontban: 12 g / cm ³

A fúziós hő

27,2 kJ / mol

A párolgás hője

648 kJ / mol

elektronegativitás

1.3 a Pauling skálán

Ionizációs energiák

Először: 658,5 kJ / mol (Hf ⁺ gáznemű)

Második: 1440 kJ / mol (Hf ²⁺ gáznemű)

Harmadik: 2250 kJ / mol (Hf ³⁺ gáznemű)

Hővezető

23,0 W / (mK)

Elektromos ellenállás

331 nm

Mohs keménysége

5.5

Reakcióképesség

Hacsak a fém nem csiszolódik és nem éget el, és 2000 ° C hőmérsékleten szikrákat bocsát ki, nem érzékeny rozsdára vagy korrodálódásra, mivel oxidjának egy vékony rétege védi azt. Ebben az értelemben ez a legstabilabb fémek. Valójában sem erõs savak, sem erõs bázisok nem oldják fel; A hidrogén-fluorid és az oxidálni képes halogének kivételével.

Elektronikus konfiguráció

A hafnium atom elektronikus konfigurációja a következő:

4f ¹⁴ 5d ² 6s ²

Ez egybeesik azzal, hogy a periodikus táblázat 4. csoportjába tartozik, a titánnal és a cirkóniummal együtt, mivel négy valencia elektrontal rendelkezik az 5d és 6s körüli pályákon. Vegye figyelembe azt is, hogy a hafnium nem lehet lantanoid, mivel 4f körüli pályája teljesen meg van töltve.

Oxidációs számok

Ugyanez az elektronkonfiguráció feltárja, hogy egy hafniumatom hány elektronot képes elveszíteni egy vegyület részeként. Feltételezve, hogy elveszíti négy vegyérték elektronát, tetravalens kationként Hf ^{4+ marad} (a Ti ⁴⁺ és Zr ⁴⁺ analógiával analóg módon), és ezért oxidációs száma +4.

Ez valójában a legstabilabb és leggyakoribb oxidációs számainak. Egyéb kevésbé relevánsak: -2 (Hf ^2-), +1 (Hf ⁺), +2 (Hf ²⁺) és +3 (Hf ³⁺).

Izotóp

A hafnium a Földön öt stabil izotópként és egy nagyon hosszú élettartamú radioaktív anyagként fordul elő:

- ¹⁷⁴ Hf (0,16%, átlagos élettartama 2 · 10 ¹⁵ év, tehát gyakorlatilag stabilnak tekinthető)

- ¹⁷⁶ Hf (5,26%)

- ¹⁷⁷ Hf (18,60%)

- ¹⁷⁸ Hf (27,28%)

- ¹⁷⁹ Hf (13,62%)

- ¹⁸⁰ Hf (35,08%)

Megjegyezzük, hogy önmagában nincs olyan izotóp, amely kiemelkedik a bőségben, és ez tükröződik a hafnium átlagos atomtömegében (178,49 amu).

A hafnium összes radioaktív izotópja közül, amelyek a természetes anyagokkal együtt összesen 34-et tesznek ki, ^178m2 Hf a legellentmondásosabb, mivel radioaktív bomlásában gamma-sugárzást bocsát ki, így ezeket az atomokat háborús fegyverként lehet használni..

Alkalmazások

Nukleáris reakciók

A hafnium fém, amely ellenáll a páratartalomnak és a magas hőmérsékleteknek, és kiválóan abszorbeálja a neutronokat. Ezért használják nyomás alatt álló vízreaktorokban, valamint nukleáris reaktorok vezérlőrudainak gyártásához, amelyek bevonatai ultra-tiszta cirkóniumból készülnek, mivel képesnek kell lennie arra, hogy neutronokat átjuttasson rajta..

ötvözetek

A hafnium-atomok más fémkristályokat integrálhatnak, és így különböző ötvözetek alakulhatnak ki. Ezeket az jellemzi, hogy kemények és hőállóak, ezért űrhajózási célokra szolgálnak, például rakéták motorfúvókáinak gyártásához.

Másrészt egyes ötvözetek és szilárd hafniumvegyületek különleges tulajdonságokkal rendelkeznek; például a karbidjaik és a nitridjeik, a HfC és HfN, amelyek erősen tűzálló anyagok. A tantál-hafnium-karbid, Ta ₄ HfC ₅, olvadáspontja 4215 ° C, az egyik leginkább tűzálló anyag, amit valaha ismertek.

Katalízis

A hafnium-metallocéneket szerves katalizátorként használják polimerek, például polietilén és polisztirol szintéziséhez.

kockázatok

A mai napig ismeretlen, hogy a Hf ⁴⁺ ionok milyen hatással lehetnek a testünkre. Másrészt, mivel a természetben megtalálhatók a cirkónium ásványokban, úgy gondolják, hogy nem változtatják meg az ökoszisztémát azáltal, hogy sóikat a környezetbe engedik.

Ajánlott azonban a hafniumvegyületeket körültekintően kezelni, mintha toxikusak lennének, még akkor is, ha nincs olyan orvosi vizsgálat, amely bizonyítja, hogy káros az egészségre.

A hafnium valódi veszélyét szilárd anyag finoman őrölt részecskéi képezik, amelyek alig tudnak égni, amikor érintkezésbe kerülnek a levegőben lévő oxigénnel.

Ez megmagyarázza, hogy miközben csiszolják az olyan művelet, amely lekaparja a felületét és tiszta fémrészecskéket szabadít fel, az égő szikra 2000 ºC hőmérsékleten szabadul fel; azaz a hafnium piroforitást mutat, az egyetlen olyan tulajdonság, amely tüzet vagy súlyos égési sérüléseket hordoz magában.

Irodalom

1. Shiver és Atkins. (2008). Szervetlen kémia. (Negyedik kiadás). Mc Graw Hill.
2. Wikipedia. (2020). Hafnium. Helyreállítva: en.wikipedia.org
3. Steve Gagnon. (Sf). Hafnium elem. Jefferson Lab Resources. Helyreállítva: Education.jlab.org
4. Az Encyclopaedia Britannica szerkesztői. (2019. december 18.). Hafnium. Encyclopædia Britannica. Helyreállítva: britannica.com
5. Dr. Doug Stewart. (2020). Hafnium elem tények. Helyreállítva: chemicool.com
6. Országos Biotechnológiai Információs Központ. (2020). Hafnium. PubChem Database, AtomicNumber = 72. Helyreállítva: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
7. Pandey K. és mtsai. (Sf). A nagynyomású polimorfizmus újbóli vizsgálata a Hafnium fémben. Helyreállítva: arxiv.org
8. Eric Scerri. (2009. szeptember 1.). Hafnium. Kémia az elemeiben. Helyreállítva: chemistryworld.com