HAFNIUM: FUNN, STRUKTUR, EGENSKAPER, BRUK, RISIKO - KJEMI - 2026

Den hafnium er et overgangsmetall hvis kjemiske symbol er Hf og har et atomnummer på 72. Det er det tredje element i gruppe 4 i det periodiske system, blir kongener titan og zirkonium. Med sistnevnte deler den mange kjemiske egenskaper ved å være lokalisert i mineraler i jordskorpen.

Ser du etter hafnium ser du hvor sirkoniumet er, da det er et biprodukt av ekstraksjonen. Navnet på dette metallet kommer fra det latinske ordet 'hafnia', hvis betydning kommer til å være navnet på København, en by der det ble oppdaget i zirkonmineraler og kontroversen om dens sanne kjemiske natur ble avsluttet.

Metallisk hafnium-prøve. Kilde: Hi-Res Images of Chemical Elements

Hafnium er et metall som går upåaktet hen i det generelle intellektet, faktisk har få mennesker til og med hørt om det før. Selv blant noen kjemikalier er det et uvanlig element, delvis på grunn av de høye produksjonskostnadene, siden zirkonium i de fleste bruksområder kan erstatte det uten problemer.

Dette metallet bærer skillet om å være det siste av de mest stabile elementene som er oppdaget her på jorden; De andre funnene har med andre ord utgjort en serie ultratunge, radioaktive elementer og / eller kunstige isotoper.

Hafniumforbindelser er analoge med de av titan og zirkonium, med et oksidasjonstall av 4 dominerende i dem, slik som HfCl ₄ , HFO ₂ , HFI- ₄ og HFBR ₄ . Noen av dem topper listen over de mest ildfaste materialene som noen gang er laget, så vel som legeringer med stor termisk motstand, og som også fungerer som utmerkede absorbere av nøytroner.

Av denne grunn har hafnium mye deltakelse i kjernekjemi, spesielt med tanke på reaktorer under trykk.

Oppdagelse

Overgang eller sjeldent jordartsmetall

Oppdagelsen av hafnium var omgitt av kontrovers, til tross for at dens eksistens allerede var forutsagt siden 1869 takket være Mendeleevs periodiske tabell.

Problemet var at det var plassert under zirkonium, men det falt sammen i samme periode med de sjeldne jordelementene: lanthanoidene. Kjemikere på den tiden visste ikke om det var et overgangsmetall eller et sjeldent jordmetall.

Den franske kjemikeren Georges Urbain, oppdager av lutetium, hafniums nabometall, hevdet i 1911 å ha oppdaget element 72, som han kalte celtium og forkynte at det var et sjeldent jordmetall. Men tre år senere ble det konkludert med at resultatene hans var gale, og at han bare hadde isolert en blanding av lantanoider.

Det var ikke før elementene ble beordret etter atomnumrene, takket være arbeidet til Henry Moseley i 1914, at nabolaget mellom lutetium og element 72 ble satt i bevis, og stemte overens med Mendeleevs spådommer da det siste elementet lå i samme gruppe som titan og zirkoniummetaller.

Deteksjon i København

I 1921, etter Niels Bohrs studier av atomstrukturen og hans prediksjon av røntgenutslippsspekteret for element 72, ble søket etter dette metallet i sjeldne jordartsmineraler stoppet; I stedet fokuserte han søket på zirkoniummineraler, siden begge elementene må ha delt forskjellige kjemiske egenskaper.

Den danske kjemikeren Dirk Coster og den ungarske kjemikeren Georg von Hevesy i 1923 klarte endelig å gjenkjenne spekteret som Niels Bohr var forutsagt i zirkonprøver fra Norge og Grønland. Etter å ha blitt oppdaget i København, kalte de element 72 med det latinske navnet på denne byen: hafnia, hvorfra det senere ble avledet 'hafnium'.

Isolasjon og produksjon

Imidlertid var det ikke en lett oppgave å skille hafnium-atomer fra zirkonium, siden størrelsene deres er like og de reagerer på samme måte. Selv om en fraksjonell omkrystalliseringsmetode var blitt utarbeidet i 1924 for å oppnå hafnium tetraklorid, HfCl ₄ , var det de nederlandske kjemikerne Anton Eduard van Arkel og Jan Hendrik de Boer som reduserte den til hafniummetall.

For dette, HfCl ₄ ble underkastet en reduksjon ved hjelp av metallisk magnesium (Kroll-prosessen):

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

På den annen side, med utgangspunkt i hafnium tetraiodide, HfI ₄ , ble dette fordampet for å undergå termisk spaltning på en glødende volframfilament, hvorpå metallisk hafnium ble avsatt for å produsere en bar med polykrystallinsk utseende (prosess med den krystallinske stangen eller Arkel- De Boer-prosessen):

HfI ₄ (1700 ° C) → Hf + 2 I ₂

Hafnium struktur

Hafnium-atomer, Hf, klumper seg sammen ved omgivelsestrykk i en krystall med en kompakt sekskantet struktur, hcp, og det samme gjør metaller titan og zirkonium. Denne hcp hafniumkrystallen blir α-fasen, som forblir konstant opp til en temperatur på 2030 K, når den gjennomgår en overgang til ß-fasen, med en kubisk struktur sentrert i kroppen, bcc.

Dette forstås hvis det anses at varmen "slapper av" krystallen, og derfor prøver Hf-atomene å plassere seg på en slik måte at de reduserer deres komprimering. Disse to fasene er tilstrekkelige til å vurdere hafniums polymorfisme.

På samme måte presenterer den en polymorfisme som er avhengig av høyt trykk. Α- og ß-fasene eksisterer ved et trykk på 1 atm; mens ω-fasen, sekskantet, men enda mer komprimert enn vanlig hcp, vises når trykket overstiger 40 GPa. Interessant nok, når trykket fortsetter å øke, dukker β-fasen, den minst tette, opp igjen.

Egenskaper

Fysisk utseende

Sølvhvitt fast stoff, som viser mørke toner hvis det har et oksid- og nitridbelegg.

Molmasse

178,49 g / mol

Smeltepunkt

2233 ºC

Kokepunkt

4603 ºC

tetthet

Ved værelsetemperatur: 13,31 g / cm ³ , er to ganger så tett som zirkonium

Rett ved smeltepunktet: 12 g / cm ³

Fusjonsvarme

27,2 kJ / mol

Fordampingsvarme

648 kJ / mol

elektro

1.3 på Pauling-skalaen

Ioniseringsenergier

Først: 658,5 kJ / mol (Hf ⁺ gassformig)

Andre: 1440 kJ / mol (Hf ²⁺ gassformig)

Tredje: 2250 kJ / mol (Hf ³⁺ gassformig)

Termisk ledningsevne

23,0 W / (mK)

Elektrisk resistivitet

331 nΩ m

Mohs hardhet

5.5

reaktivitet

Med mindre metallet er polert og brenner og gir gnister ved en temperatur på 2000 ° C, har det ingen følsomhet for rust eller korrodering, ettersom et tynt lag av oksydet beskytter det. I denne forstand er det en av de mest stabile metaller. Hverken sterke syrer eller sterke baser kan faktisk løse den opp; Med unntak av flussyre og halogener som er i stand til å oksidere den.

Elektronisk konfigurasjon

Hafnium-atomet har følgende elektroniske konfigurasjoner:

4f ¹⁴ 5d ² 6s ²

Dette sammenfaller med det faktum at det tilhører gruppe 4 i det periodiske systemet, sammen med titan og zirkonium, fordi det har fire valenselektroner i 5d og 6s orbitaler. Legg også merke til at hafnium ikke kan være en lanthanoid, siden den har sine 4F-orbitaler fullstendig fylt.

Oksidasjonsnummer

Den samme elektroniske konfigurasjonen avslører hvor mange elektroner et hafnium-atom teoretisk kan miste som en del av en forbindelse. Forutsatt at den mister sine fire valenselektroner, vil den forbli som en tetravalent kation Hf ⁴⁺ (i analogi med Ti ⁴⁺ og Zr ⁴⁺ ), og vil derfor ha et oksidasjonsnummer på +4.

Dette er faktisk det mest stabile og vanlige av oksidasjonstallene. Andre mindre relevante er: -2 (Hf ^2- ), +1 (Hf ⁺ ), +2 (Hf ²⁺ ) og +3 (Hf ³⁺ ).

isotoper

Hafnium forekommer på jorden som fem stabile isotoper og en radioaktiv med svært lang levetid:

- ¹⁷⁴ Hf (0,16%, med en gjennomsnittlig levetid på 2 · 10 ¹⁵ år, så det anses som praktisk stabilt)

- ¹⁷⁶ Hf (5,26%)

- ¹⁷⁷ Hf (18,60%)

- ¹⁷⁸ Hf (27,28%)

- ¹⁷⁹ Hf (13,62%)

- ¹⁸⁰ Hf (35,08%)

Legg merke til at det som sådan ikke er noen isotop som skiller seg ut i overflod, og dette gjenspeiles i den gjennomsnittlige atommassen i hafnium, 178,49 amu.

Av alle de radioaktive isotoper av hafnium, som sammen med de naturlige utgjør totalt 34, er ^178m2 Hf den mest kontroversielle fordi den i sitt radioaktive forfall frigjør gammastråling, og det er derfor disse atomene kan brukes som krigsvåpen .

applikasjoner

Atomreaksjoner

Hafnium er et metall som er motstandsdyktig mot fuktighet og høye temperaturer, i tillegg til å være en utmerket absorber av nøytroner. Av denne grunn brukes den i reaksjonsvann under trykk, så vel som til fremstilling av kontrollstenger for kjernereaktorer, hvis belegg er laget av ultra-rent zirkonium, siden det må være i stand til å overføre nøytroner gjennom det. .

legeringer

Hafnium-atomer kan integrere andre metalliske krystaller for å gi opphav til forskjellige legeringer. Disse kjennetegnes ved å være tøffe og termisk motstandsdyktige, og det er derfor de er beregnet på plassbruk, for eksempel ved konstruksjon av motordyser for raketter.

På den annen side har noen legeringer og faste hafniumforbindelser spesielle egenskaper; så som karbider og nitrider, henholdsvis HfC og HfN, som er svært ildfaste materialer. Tantal hafniumkarbid , Ta ₄ HfC ₅ , med et smeltepunkt på 4215 ° C, er et av de mest ildfaste materialene som noen gang er kjent.

Katalyse

Hafnium metallocener brukes som organiske katalysatorer for syntese av polymerer som polyetylen og polystyren.

risiko

Det er foreløpig ukjent hvilken innvirkning Hf ⁴⁺ -ioner kan ha på kroppen vår . På den annen side, fordi de finnes i naturen i zirkoniummineraler, antas de ikke å endre økosystemet ved å frigjøre saltene deres i miljøet.

Det anbefales imidlertid å håndtere hafniumforbindelser med omhu, som om de var giftige, selv om det ikke er noen medisinske studier som viser at de er helseskadelige.

Den virkelige faren for hafnium ligger i de finmalte partiklene i det faste stoffet, som knapt kan brenne når de kommer i kontakt med oksygen i luften.

Dette forklarer hvorfor når en polert, en handling som skraper overflaten og frigjør partikler av rent metall, frigjøres brennende gnister med en temperatur på 2000 ºC; det vil si at hafnium utviser pyroforisitet, den eneste egenskapen som medfører fare for brann eller alvorlige brannskader.

referanser

1. Shiver & Atkins. (2008). Uorganisk kjemi. (Fjerde utgave). Mc Graw Hill.
2. Wikipedia. (2020). Hafnium. Gjenopprettet fra: en.wikipedia.org
3. Steve Gagnon. (SF). Elementet Hafnium. Jefferson Lab Resources. Gjenopprettet fra: education.jlab.org
4. Redaktørene av Encyclopaedia Britannica. (18. desember 2019). Hafnium. Encyclopædia Britannica. Gjenopprettet fra: britannica.com
5. Dr. Doug Stewart. (2020). Hafnium element fakta. Gjenopprettet fra: chemicool.com
6. Nasjonalt senter for informasjon om bioteknologi. (2020). Hafnium. PubChem-databasen, AtomicNumber = 72. Gjenopprettet fra: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
7. K. Pandey et al. (SF). Reinvestigation av høytrykk polymorfisme i Hafnium metal. Gjenopprettet fra: arxiv.org
8. Eric Scerri. (1. september 2009). Hafnium. Kjemi i dets elementer. Gjenopprettet fra: chemistryworld.com