HAFNIUM: ODKRITJE, STRUKTURA, LASTNOSTI, UPORABE, TVEGANJA - KEMIJA - 2026

Hafnij je prehodna kovina, katerega kemijska simbol Hf in ima atomsko število 72. To je tretji element skupine 4 periodičnega sistema, pri čemer je spojina iz titana in cirkonija. S slednjo si deli številne kemijske lastnosti, saj se skupaj nahaja v mineralih zemeljske skorje.

Pri iskanju hafnija gledamo, kje je cirkonij, saj je stranski produkt njegovega pridobivanja. Ime te kovine izvira iz latinske besede 'hafnia', katere pomen pomeni ime Kopenhagna, mesta, kjer so odkrili rudnine cirkonov in končale so se prepirke o njeni resnični kemični naravi.

Vzorec kovinskega hafnija. Vir: Hi-Res slike kemičnih elementov

Hafnium je kovina, ki v splošnem razumu ostane neopažena, pravzaprav je malo ljudi že slišalo zanjo. Tudi med nekaterimi kemikalijami je to nenavaden element, deloma zaradi visokih proizvodnih stroškov, saj jih lahko cirkonij v večini primerov nadomešča brez težav.

Ta kovina nosi razliko, da je zadnji od najbolj stabilnih elementov, odkritih tukaj na Zemlji; Z drugimi besedami, druga odkritja so bila niz ultra težkih, radioaktivnih elementov in / ali umetnih izotopov.

Hafnijeve spojine so podobne titanijevim in cirkonijevim, pri čemer v njih prevladuje oksidacijsko število +4, kot so HfCl ₄ , HfO ₂ , HfI ₄ in HfBr ₄ . Nekateri od njih so na vrhu seznama najbolj ognjevarnih materialov, ki so jih kdaj ustvarili, in zlitin z veliko toplotno odpornostjo, ki delujejo tudi kot odlični absorbtorji nevtronov.

Zaradi tega ima hafnij veliko udeležbo v jedrski kemiji, zlasti pri vodnih reaktorjih pod tlakom.

Odkritje

Prehodna ali redko zemeljska kovina

Odkritje hafnija je bilo obkroženo s polemiko, kljub dejstvu, da je bil njegov obstoj predviden že od leta 1869 po zaslugi Mendelejevega periodičnega tabele.

Težava je bila v tem, da je bil nameščen pod cirkonijem, vendar je v istem obdobju sovpadal redke zemeljske elemente: lantanoide. Kemiki takrat niso vedeli, ali gre za prehodno kovino ali redko zemeljsko kovino.

Francoski kemik Georges Urbain, odkritelj lutecija, sosednje kovine hafnija, je leta 1911 trdil, da je odkril element 72, ki ga je imenoval celcij in razglasil, da gre za redko zemeljsko kovino. Toda tri leta kasneje je bilo sklenjeno, da so bili njegovi rezultati napačni in da je izoliral le mešanico lantanoidov.

Šele ko so elemente razvrstili njihove atomske številke, zahvaljujoč delu Henryja Moseleyja iz leta 1914, so sosesko med lutecijem in elementom 72 postavili v dokaz, kar se je strinjalo z Mendeleevimi napovedmi, ko se je ta zadnji element nahajal v iste skupine kot kovine titan in cirkonij.

Zaznavanje v Kopenhagnu

Leta 1921, po študijah atomske zgradbe Nielsa Bohra in njegovem napovedovanju radiofrekvenčnega spektra za element 72, je bilo iskanje te kovine v redko zemeljskih mineralih ustavljeno; Namesto tega je svoje iskanje osredotočil na cirkonijeve minerale, saj morata oba elementa imeti različne kemijske lastnosti.

Danskemu kemiku Dirku Costerju in madžarskemu kemiku Georgu von Hevesyju leta 1923 sta končno uspela prepoznati spekter, ki ga je napovedal Niels Bohr v vzorcih cirkonov z Norveške in Grenlandije. Po odkritju v Kopenhagnu so element 72 poimenovali po latinskem imenu tega mesta: hafnia, od koder je pozneje izpeljan "hafnium".

Izolacija in proizvodnja

Vendar ločiti atome hafnija od tistih iz cirkonija ni bila lahka naloga, saj so njihove velikosti podobne in reagirajo na enak način. Čeprav je bila leta 1924 zasnovana metoda frakcijske rekristalizacije za pridobivanje hafnijevega tetraklorida, HfCl ₄ , sta ga nizozemska kemika Anton Eduard van Arkel in Jan Hendrik de Boer zmanjšala na kovino hafnija.

Za to smo HfCl ₄ podvrgli redukciji z uporabo kovinskega magnezija (postopek Kroll):

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

Po drugi strani, od hafnijevega tetraiodida, HfI ₄ , je bil ta uparjen , da je bil podvržen termični razgradnji na žarilno volframovo žarilno nitko, na katero je bil odložen kovinski hafnij, da nastane palica s polikristalnim videzom (postopek kristalne palice oz. Arkel-De Boer postopek):

HfI ₄ (1700 ° C) → Hf + 2 I ₂

Hafnijeva struktura

Atomi hafnija, Hf, se pri sobnem tlaku združijo v kristalu s kompaktno šestkotno strukturo, hcp, kot tudi kovine titan in cirkonij. Ta kristal hafnijev kristal postane njegova α faza, ki ob prehodu v β fazo ostane konstantna do temperature 2030 K, kubična struktura pa je centrirana v telesu, bcc.

To razumemo, če upoštevamo, da toplota "sprosti" kristal in se zato Hf-atomi poskušajo postaviti tako, da se zmanjša njihovo stiskanje. Ti dve fazi sta dovolj, da upoštevamo polimorfizem hafnija.

Prav tako predstavlja polimorfizem, ki je odvisen od visokih pritiskov. Faza α in β obstajata pri tlaku 1 atm; medtem ko se ω faza, šestkotna, vendar še bolj zgoščena od navadnega hcp, pojavi, ko tlaki presegajo 40 GPa. Zanimivo je, da se β faza, najmanj gosta, ko se pritiski še naprej povečujejo, ponovno pojavi.

Lastnosti

Fizični videz

Srebrno-bela trdna snov, ki pokaže temne tone, če ima oksidno in nitridno prevleko.

Molarna masa

178,49 g / mol

Tališče

2233 ºC

Vrelišče

4603 ºC

Gostota

Pri sobni temperaturi: 13,31 g / cm ³ , saj je dvakrat gostejši od cirkonija

Tik ob tališču: 12 g / cm ³

Vročina fuzije

27,2 kJ / mol

Toplota izparevanja

648 kJ / mol

Elektronegativnost

1.3 po Paulingovi lestvici

Ionizacijske energije

Prvič: 658,5 kJ / mol (Hf ⁺ plinasti)

Drugič: 1440 kJ / mol (Hf ²⁺ plinasti)

Tretjič: 2250 kJ / mol (Hf ³⁺ plinasti)

Toplotna prevodnost

23,0 W / (mK)

Električni upor

331 nΩ m

Mohsova trdota

5.5

Reaktivnost

Če kovina ni polirana in ne gori, kar daje iskre pri temperaturi 2000 ° C, nima občutljivosti na rjo ali korozijo, saj jo zaščiti tanka plast njenega oksida. V tem smislu gre za eno najbolj stabilnih kovin. Pravzaprav ga niti močne kisline niti močne baze ne morejo raztopiti; Z izjemo fluorovodikove kisline in halogeni, ki jo lahko oksidirajo.

Elektronska konfiguracija

Atom hafnija ima naslednjo elektronsko konfiguracijo:

4f ¹⁴ 5d ² 6s ²

To sovpada z dejstvom, da pripada skupini 4 periodične tabele, skupaj s titanom in cirkonijem, ker ima v orbiti 5d in 6s štiri valenčne elektrone. Upoštevajte tudi, da hafnij ne bi mogel biti lantanoid, saj ima svoje 4f orbite popolnoma napolnjene.

Oksidacijske številke

Ista elektronska konfiguracija razkriva, koliko elektronov je atom hafnija teoretično sposoben izgubiti kot del spojine. Ob predpostavki, da izgubi štiri valenčne elektrone, bi ostal kot štirivalentni kation Hf ⁴⁺ (po analogiji s Ti ⁴⁺ in Zr ⁴⁺ ), zato bi imel oksidacijsko število +4.

To je pravzaprav najbolj stabilna in pogosta njena oksidacijska številka. Drugi manj pomembni so: -2 (Hf ^2- ), +1 (Hf ⁺ ), +2 (Hf ²⁺ ) in +3 (Hf ³⁺ ).

Izotopi

Hafnij se na Zemlji pojavlja kot pet stabilnih izotopov in en radioaktivni z zelo dolgo življenjsko dobo:

- ¹⁷⁴ Hf (0,16%, s povprečno življenjsko dobo 2 · 10 ¹⁵ let, zato velja za praktično stabilno)

- ¹⁷⁶ Hf (5,26%)

- ¹⁷⁷ Hf (18,60%)

- ¹⁷⁸ Hf (27,28%)

- ¹⁷⁹ Hf (13,62%)

- ¹⁸⁰ Hf (35,08%)

Upoštevajte, da tak izotop ne izstopa v izobilju, kar se odraža v povprečni atomski masi hafnija, 178,49 amu.

Od vseh radioaktivnih izotopov hafnija, ki skupaj z naravnimi seštevajo skupno 34, ^178m2 Hf, je najbolj sporen, ker v svojem radioaktivnem razpadu sprošča gama sevanje, zato bi te atome lahko uporabili kot orožje vojne .

Prijave

Jedrske reakcije

Hafnium je kovina, odporna proti vlagi in visokim temperaturam, poleg tega pa je odličen absorber nevtronov. Zaradi tega se uporablja v vodnih reaktorjih pod tlakom, pa tudi pri izdelavi krmilnih palic za jedrske reaktorje, katerih prevleke so narejene iz ultra čistega cirkonija, saj mora ta preko njega prenašati nevtrone. .

Zlitine

Hafnijevi atomi lahko integrirajo druge kovinske kristale, da nastanejo različne zlitine. Za njih je značilno, da so žilavi in ​​toplotno odporni, zato so namenjeni vesoljskim aplikacijam, na primer pri gradnji motornih šob za rakete.

Po drugi strani imajo nekatere zlitine in trdne hafnijeve spojine posebne lastnosti; kot so njeni karbidi in nitridi, HfC in HfN, ki so zelo ognjevzdržni materiali. Tantalov hafnijev karbid, Ta ₄ HfC ₅ , s tališčem 4215 ° C je eden najbolj ognjevzdržnih materialov, kar jih je bilo doslej znanih.

Kataliza

Hafnijevi metaloceni se uporabljajo kot organski katalizatorji za sintezo polimerov, kot sta polietilen in polistiren.

Tveganja

Do danes ni znano, kakšen vpliv bi lahko imeli ioni Hf ⁴⁺ na naše telo . Po drugi strani zato, ker jih v naravi najdemo v cirkonijevih mineralih, ne verjamejo, da bodo spreminjali ekosistem s sproščanjem svojih soli v okolje.

Vendar je priporočljivo, da s hafnijevimi spojinami ravnate previdno, kot da so strupene, četudi ni medicinskih študij, ki bi dokazovale, da so škodljive za zdravje.

Resnična nevarnost hafnija je v drobno zmletih delcih njegove trdne snovi, ki komaj gorijo, ko pridejo v stik s kisikom v zraku.

To pojasnjuje, zakaj se pri poliranju sprosti delovanje, ki strga njegovo površino in sprosti delce čiste kovine, pri temperaturi 2000 ºC se sproščajo goreče iskre; to pomeni, da ima hafnij pirofornost, edino lastnost, ki nosi požar ali resne nevarnosti opeklin.

Reference

1. Shiver & Atkins. (2008). Anorganska kemija. (Četrta izdaja). Mc Graw Hill.
2. Wikipedija. (2020). Hafnij. Pridobljeno: en.wikipedia.org
3. Steve Gagnon. (sf). Element Hafnium. Viri laboratorija Jefferson. Pridobljeno od: education.jlab.org
4. Uredniki Encyclopeedia Britannica. (18. december 2019). Hafnij. Encyclopædia Britannica. Pridobljeno: britannica.com
5. Dr. Doug Stewart. (2020). Dejstva o elementu hafnija. Pridobljeno: chemicool.com
6. Nacionalni center za informacije o biotehnologiji. (2020). Hafnij. Baza podatkov PubChem, AtomicNumber = 72. Pridobljeno: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
7. K. Pandey in sod. (sf). Ponovna preiskava visokotlačnega polimorfizma kovine Hafnium. Pridobljeno: arxiv.org
8. Eric Scerri. (1. september 2009). Hafnij. Kemija v njenih elementih. Pridobljeno: chemistryworld.com