HAFNIUM: LÖYTÖ, RAKENNE, OMINAISUUDET, KÄYTTÖ, RISKIT - KEMIA - 2026

Hafnium on siirtymämetalli, jonka kemiallinen merkki on Hf ja on atomiluku on 72. Se on kolmas osa ryhmän 4 jaksollisen, on yhdisteen titaani ja zirkonium. Jälkimmäisen kanssa sillä on monia kemiallisia ominaisuuksia, ja se sijaitsee yhdessä maankuoren mineraaleissa.

Hafniumia etsien etsitään missä zirkonium on, koska se on uuton sivutuote. Tämän metallin nimi tulee latinalaisesta sanasta ”hafnia”, jonka merkitys on Kööpenhaminan nimi, kaupunki, josta se löydettiin zirkon mineraaleista ja kiista sen todellisesta kemiallisesta luonteesta päättyi.

Metallinen hafnium-näyte. Lähde: Hi-Res-kuvat kemiallisista elementeistä

Hafnium on metalli, joka huomaamatta jää yleisessä älyssä, tosiasiassa harva on edes kuullut siitä. Joissakin kemikaaleissa se on harvinainen alkuaine, johtuen osittain sen korkeista tuotantokustannuksista, koska useimmissa sovelluksissa zirkonium voi korvata sen ilman ongelmia.

Tämä metalli erottaa sen, että se on viimeisin vakaimmista elementeistä, jotka löydettiin täältä Maapallolta; Toisin sanoen, muut löytöt ovat muodostaneet sarjan erittäin painavia, radioaktiivisia elementtejä ja / tai keinotekoisia isotooppeja.

Hafnium yhdisteet ovat analogisia kuin titaanin ja zirkoniumin, jossa hapetusluku +4 hallitseva, kuten HfCl ₄, HfO ₂, HFI ₄ ja HFBR ₄. Jotkut niistä ovat kärjessä luettelossa kaikkien aikojen luotuista tulenkestävimmistä materiaaleista, samoin kuin seoksista, joilla on korkea lämpövastus ja jotka toimivat myös erinomaisina neutronien absorboijina.

Tästä syystä hafnium osallistuu paljon ydinkemiaan, etenkin painevesireaktorien osalta.

Löytö

Siirtymä- tai harvinaiset maametallit

Hafniumin löytäminen oli kiisteltyä siitä huolimatta, että sen olemassaololle oli jo ennustettu jo vuodesta 1869 Mendelejevin jaksollisen taulukon ansiosta.

Ongelmana oli, että se oli sijoitettu zirkoniumin alapuolelle, mutta se osui samaan aikaan harvinaisten maametallien: lantanoidien kanssa. Kemikot eivät tuolloin tienneet, oliko kyse siirtymämetallista vai harvinaisesta maametallista.

Ranskan kemisti Georges Urbain, hafniumin viereisen metallin lutetiumin löytäjä, väitti vuonna 1911 löytäneensä alkuaineen 72, jota hän kutsui Celtiumksi ja julisti, että se oli harvinainen maametalli. Mutta kolme vuotta myöhemmin pääteltiin, että hänen tulokset olivat vääriä ja että hän oli eristänyt vain lantanoidien seoksen.

Vasta lutetiumin ja elementin 72 välinen naapuruus asetettiin todisteisiin vasta sen jälkeen, kun niiden atominumerot olivat järjestyksessä atominumeronsa ansiosta, vuonna 1914, Henry Moseleyn tekemän työn ansiosta. Menelejevin ennusteiden mukaan viimeinen elementti sijaitsi sama ryhmä kuin metallit, titaani ja zirkonium.

Havaitseminen Kööpenhaminassa

Vuonna 1921 Niels Bohrin tutkittua atomirakennetta ja hänen ennustettaessa elementin 72 röntgensäteily-spektriä, tämän metallin etsintä harvinaisten maametallien mineraaleista lopetettiin; Sen sijaan hän keskittyi etsimään zirkoniummineraaleja, koska molemmilla elementeillä on oltava samat erilaiset kemialliset ominaisuudet.

Tanskalainen kemisti Dirk Coster ja unkarilainen kemisti Georg von Hevesy vuonna 1923 onnistuivat lopulta tunnistamaan Niels Bohrin ennustaman spektrin Norjan ja Grönlannin sirkonäytteistä. Tehtyään löytön Kööpenhaminassa he nimittivät elementin 72 tämän kaupungin latinankielisellä nimellä: hafnia, josta se myöhemmin johdettiin ”hafnium”.

Eristäminen ja tuotanto

Hafniumatomien erottaminen zirkoniumista ei kuitenkaan ollut helppo tehtävä, koska niiden koot ovat samanlaiset ja ne reagoivat samalla tavalla. Vaikka vuonna 1924 oli kehitetty fraktioitu uudelleenkiteytysmenetelmä hafniumtetrakloridin, HfCl ₄, saamiseksi, hollantilaiset kemistit Anton Eduard van Arkel ja Jan Hendrik de Boer pelkäsivät sen hafniummetalliksi.

Tätä varten HfCl ₄ saatettiin pelkistysreaktio käyttäen metallista magnesiumia (Kroll prosessi):

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

Toisaalta, alkaen hafnium tetrajodidi, HFI ₄, tämä on höyrystynyt tehdään terminen hajoaminen hehkulamppu volframihehkulankainen, johon metallinen hafnium talletettiin tuottaa baari monikiteisen ulkonäkö (menetelmä kiteisen baarissa tai Arkel-De Boer -prosessi):

HFI ₄ (1700 ° C) → Hf + 2 I ₂

Hafnium-rakenne

Hafniumatomit, Hf, kutistuvat yhdessä ympäröivässä paineessa kiteessä, jolla on kompakti kuusikulmainen rakenne, hcp, samoin kuin titaani- ja zirkoniummetallit. Tästä hcp-hafniumkiteestä tulee sen α-vaihe, joka pysyy vakiona lämpötilaan 2030 K asti, kun se siirtyy β-vaiheeseen, jolloin kuutiomainen rakenne on keskittynyt vartaloon, ccc.

Tämä ymmärretään, jos katsotaan, että lämpö "rentouttaa" kidettä ja siksi Hf-atomit pyrkivät asettamaan itsensä siten, että niiden tiivistyminen vähenee. Nämä kaksi vaihetta ovat riittäviä harkitsemaan hafniumin polymorfismia.

Samoin se kuvaa polymorfismia, joka riippuu korkeista paineista. A- ja p-vaiheet esiintyvät paineessa 1 atm; kun taas ω-vaihe, kuusikulmainen, mutta jopa tiiviimmin kuin tavallinen hcp, ilmestyy, kun paineet ylittävät 40 GPa. Mielenkiintoista on, että kun paineet jatkavat nousuaan, β-vaihe, joka on vähiten tiheä, ilmestyy uudelleen.

ominaisuudet

Fyysinen ulkonäkö

Hopeanvalkoinen kiinteä aine, joka näyttää tummat sävyt, jos siinä on oksidi- ja nitridipinnoite.

Moolimassa

178,49 g / mol

Sulamispiste

2233 ° C

Kiehumispiste

4603 ° C

Tiheys

Huoneen lämpötilassa: 13,31 g / cm ³, on kaksi kertaa niin tiheä kuin zirkonium

Juuri sulamispisteessä: 12 g / cm ³

Fuusion lämpö

27,2 kJ / mol

Höyrystymislämpö

648 kJ / mol

elektronegatiivisuus

1.3 Pauling-asteikolla

Ionisaatioenergiat

Ensin: 658,5 kJ / mol (Hf ⁺ kaasumainen)

Toinen: 1440 kJ / mol (Hf ²⁺ kaasumainen)

Kolmas: 2250 kJ / mol (Hf ³⁺ kaasumainen)

Lämmönjohtokyky

23,0 W / (mK)

Sähkövastus

331 nm

Mohsin kovuus

5.5

reaktiivisuus

Ellei metallia ole kiillotettu ja palaa, se antaa kipinöitä 2000 ° C: n lämpötilassa, joten sillä ei ole ruostumis- tai syöpymisherkkyyttä, koska sen oksidikerros suojaa sitä. Tässä mielessä se on yksi vakaimmista metalleista. Itse asiassa vahvat hapot tai vahvat emäkset eivät pysty liuottamaan sitä; Lukuun ottamatta fluorivetyhappoa ja halogeeneja, jotka pystyvät hapettamaan sitä.

Sähköinen kokoonpano

Hafniumatomilla on seuraava elektroninen kokoonpano:

4f ¹⁴ 5d ² 6s ²

Tämä tapahtuu samanaikaisesti sen kanssa, että kuulutaan jaksollisen ryhmän 4 joukkoon yhdessä titaanin ja zirkoniumin kanssa, koska siinä on neljä valenssielektronia 5d: n ja 6s: n kiertoradalla. Huomaa myös, että hafnium ei voinut olla lantanoidi, koska sen 4f kiertorata on täynnä.

Hapetusnumerot

Sama elektronikonfiguraatio paljastaa kuinka monta elektronia hafniumiatomi on teoreettisesti kykenevä menettämään osana yhdistettä. Olettaen, että se menettää neljä valenssielektroniään, se säilyisi tetravalenssina kationina Hf ⁴⁺ (analogisesti Ti ^{4+: n} ja Zr ^{4+: n kanssa}), ja siksi sen hapetusluku olisi +4.

Tämä on itse asiassa vakain ja yleisin sen hapetusluvuista. Muita vähemmän merkityksellisiä ovat: -2 (Hf ^2-), +1 (Hf ⁺), +2 (Hf ²⁺) ja +3 (Hf ³⁺).

isotoopit

Hafnium esiintyy maapallolla viidellä vakaalla isotoopilla ja yhdellä radioaktiivisella, jolla on erittäin pitkä käyttöikä:

- ¹⁷⁴ Hf (0,16%, keskimääräinen käyttöaika 2 10 ¹⁵ vuotta, joten sitä pidetään käytännöllisesti katsoen vakaana)

- ¹⁷⁶ Hf (5,26%)

- ¹⁷⁷ Hf (18,60%)

- ¹⁷⁸ Hf (27,28%)

- ¹⁷⁹ Hf (13,62%)

- ¹⁸⁰ Hf (35,08%)

Huomaa, että sellaisenaan ei ole mitään isotooppia, joka erottuisi runsaasti, ja tämä heijastuu hafniumin keskimääräisessä atomimassassa, 178,49 amu.

Kaikista hafniumin radioaktiivisista isotoopeista, jotka yhdessä luonnollisten kanssa muodostavat yhteensä 34, ^{178 m 2} Hf on kiistanalaisin, koska radioaktiivisessa hajoamisessaan se vapauttaa gammasäteilyä, minkä vuoksi näitä atomeja voidaan käyttää sota-aseena..

Sovellukset

Ydinreaktiot

Hafnium on kosteudelle ja korkeille lämpötiloille kestävä metalli, joka on erinomainen neutronien absorboija. Tästä syystä sitä käytetään painevesireaktorissa, samoin kuin ydinreaktorien säätösauvojen valmistuksessa, joiden päällysteissä ne on valmistettu erittäin puhtaasta zirkoniumista, koska sen on kyettävä siirtämään neutroneja sen läpi..

Alloys

Hafniumiatomit voivat integroida muita metallikiteitä, jolloin syntyy erilaisia ​​seoksia. Näille on tunnusomaista, että ne ovat sitkeitä ja lämmönkestäviä, minkä vuoksi ne on tarkoitettu avaruussovelluksiin, kuten rakettien moottorisuuttimien rakentamiseen.

Toisaalta joillakin seoksilla ja kiinteillä hafniiniyhdisteillä on erityisiä ominaisuuksia; kuten sen karbidit ja nitridit, vastaavasti HfC ja HfN, jotka ovat erittäin tulenkestäviä materiaaleja. Tantaali hafniumkarbidi, Ta ₄ HfC ₅, jonka sulamispiste on 4215 ° C, on yksi tulenkestävien materiaalien koskaan tiedossa.

katalyysi

Hafniummetalloseenejä käytetään orgaanisina katalyytteinä polymeerien, kuten polyeteenin ja polystyreenin, synteesissä.

riskit

Tähän päivään mennessä ei tiedetä, miten Hf ⁴⁺ -ionit voisivat olla ruumiissamme. Toisaalta, koska niitä esiintyy luonnossa zirkoniummineraaleissa, niiden ei uskota muuttavan ekosysteemiä vapauttamalla suolojaan ympäristöön.

Hafniiniyhdisteitä on kuitenkin suositeltavaa käsitellä varoen, ikään kuin ne olisivat myrkyllisiä, vaikka lääketieteellisiä tutkimuksia ei olisi osoitettu haitallisiksi terveydelle.

Hafniumin todellinen vaara on sen kiinteän aineen hienoksi jauhettuissa hiukkasissa, jotka voivat tuskin palaa palaessaan kosketuksiin ilman hapen kanssa.

Tämä selittää, miksi kiillotettaessa vaikutus, joka raaputtaa sen pinnan ja vapauttaa puhtaan metallin hiukkasia, palavat kipinät vapautuvat lämpötilassa 2000 ºC; toisin sanoen hafnium osoittaa pyroforisuutta, joka on ainoa ominaisuus, josta aiheutuu tulipalo- tai vakavia palovammoja.

Viitteet

1. Shiver ja Atkins. (2008). Epäorgaaninen kemia. (Neljäs painos). Mc Graw Hill.
2. Wikipedia. (2020). Hafnium. Palautettu osoitteesta: en.wikipedia.org
3. Steve Gagnon. (SF). Elementti Hafnium. Jefferson Lab -resurssit. Palautettu osoitteesta: education.jlab.org
4. Encyclopaedia Britannican toimittajat. (18. joulukuuta 2019). Hafnium. Encyclopædia Britannica. Palautettu osoitteesta: britannica.com
5. Dr. Doug Stewart. (2020). Hafnium-elementti. Palautettu osoitteesta: chemicool.com
6. Kansallinen bioteknologiatietokeskus. (2020). Hafnium. PubChem-tietokanta, AtomicNumber = 72. Palautettu: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
7. K. Pandey et ai. (SF). Hafnium-metallin korkeapaineisen polymorfismin tutkimus. Palautettu osoitteesta: arxiv.org
8. Eric Scerri. (1. syyskuuta 2009). Hafnium. Kemia sen alkuaineissa. Palautettu osoitteesta: chemistryworld.com