Plik hafn jest to metal przejściowy o symbolu chemicznym Hf i liczbie atomowej 72. Jest trzecim pierwiastkiem z grupy 4 układu okresowego, będącym kongenerem tytanu i cyrkonu. Z tym ostatnim ma wiele właściwości chemicznych, będąc razem w minerałach skorupy ziemskiej.
Poszukuje hafnu poszukuje się tam, gdzie jest cyrkon, gdyż jest on produktem ubocznym jego wydobycia. Nazwa tego metalu pochodzi od łacińskiego słowa „hafnia”, co oznacza Kopenhagę, miasto, w którym odkryto go w minerałach cyrkonu i zakończyły się kontrowersje dotyczące jego prawdziwego chemicznego charakteru..
Hafn to metal, który pozostaje niezauważony przez ogólny intelekt, w rzeczywistości niewiele osób o nim słyszało. Nawet wśród niektórych chemikaliów jest pierwiastkiem rzadkim, po części ze względu na wysokie koszty produkcji oraz fakt, że w większości zastosowań cyrkon może go bez problemu zastąpić..
Metal ten wyróżnia się tym, że jest ostatnim z najbardziej stabilnych pierwiastków odkrytych na Ziemi; to znaczy, że inne odkrycia stanowiły serię ultraciężkich, radioaktywnych pierwiastków i / lub sztucznych izotopów.
Związki hafnu są analogiczne do związków tytanu i cyrkonu, z dominującym w nich stopniem utlenienia +4, jak np. HfCl4, HfOdwa, HfI4 i HfBr4. Niektóre z nich znajdują się na szczycie listy najbardziej ogniotrwałych materiałów, jakie kiedykolwiek powstały, a także stopów o wysokiej odporności termicznej, które są również doskonałymi absorbentami neutronów..
Z tego powodu hafn ma duży udział w chemii jądrowej, zwłaszcza w reaktorach wodnych ciśnieniowych..
Indeks artykułów
Odkrycie hafnu budziło kontrowersje, mimo że jego istnienie przewidywano już od 1869 roku dzięki układowi okresowemu Mendelejewa..
Problem polegał na tym, że znajdowała się poniżej cyrkonu, ale zbiegła się w tym samym okresie z pierwiastkami ziem rzadkich: lantanowcami. Chemicy w tamtym czasie nie wiedzieli, czy jest to metal przejściowy, czy metal ziem rzadkich..
Francuski chemik Georges Urbain, odkrywca lutetu, sąsiedniego metalu hafnu, twierdził w 1911 roku, że odkrył pierwiastek 72, który nazwał celtium i ogłosił, że jest to metal ziem rzadkich. Ale trzy lata później stwierdzono, że jego wyniki są błędne i że wyizolował tylko mieszaninę lantanoidów.
Dopiero, gdy pierwiastki zostały uporządkowane według ich liczb atomowych, dzięki pracy Henry'ego Moseleya w 1914 roku, sąsiedztwo lutetu i pierwiastka 72 zostało udowodnione, zgadzając się z przewidywaniami Mendelejewa, kiedy ten ostatni pierwiastek znajdował się w tej samej grupie jak metale tytan i cyrkon.
W 1921 r., Po badaniach struktury atomu Nielsa Bohra i jego przewidywaniu widma promieniowania rentgenowskiego dla pierwiastka 72, poszukiwania tego metalu w minerałach ziem rzadkich przerwano; Zamiast tego skupił się w swoich poszukiwaniach na minerałach cyrkonu, ponieważ oba pierwiastki muszą mieć kilka wspólnych właściwości chemicznych..
Duński chemik Dirk Coster i węgierski chemik Georg von Hevesy w 1923 roku w końcu zdołali rozpoznać widmo przewidziane przez Nielsa Bohra w próbkach cyrkonu z Norwegii i Grenlandii. Dokonawszy odkrycia w Kopenhadze, nazwali element 72 łacińską nazwą tego miasta: hafnia, od której później pochodziło `` hafn ''.
Jednak oddzielenie atomów hafnu od atomów cyrkonu nie było łatwym zadaniem, ponieważ ich rozmiary są podobne i reagują w ten sam sposób. Chociaż w 1924 r. Opracowano metodę rekrystalizacji frakcyjnej w celu uzyskania czterochlorku hafnu, HfCl4, to holenderscy chemicy Anton Eduard van Arkel i Jan Hendrik de Boer zredukowali go do metalicznego hafnu.
Aby to zrobić, HfCl4 poddane redukcji metalicznym magnezem (proces Kroll):
HfCl4 + 2 Mg (1100 ° C) → 2 MgCldwa + Hf
Z drugiej strony, zaczynając od czterojodku hafnu, HfI4, Zostało to odparowane, aby ulec termicznemu rozkładowi na żarzącym się włóknie wolframowym, na którym osadzono metaliczny hafn w celu wytworzenia polikrystalicznego pręta (proces krystaliczny prętowy lub proces Arkela-De Boera):
HfI4 (1700 ° C) → Hf + 2 I.dwa
Atomy hafnu, Hf, grupują się razem pod ciśnieniem otoczenia w krysztale o zwartej strukturze heksagonalnej, hcp, podobnie jak metale tytan i cyrkon. Ten kryształ hafnu hcp staje się jego fazą α, która pozostaje stała do temperatury 2030 K, kiedy przechodzi w fazę β, o sześciennej strukturze wyśrodkowanej w ciele, bcc.
Jest to zrozumiałe, jeśli weźmie się pod uwagę, że ciepło „rozluźnia” kryształ, a zatem atomy Hf usiłują ustawić się w taki sposób, aby zmniejszyć ich zagęszczenie. Te dwie fazy wystarczą do rozważenia polimorfizmu hafnu.
Podobnie przedstawia polimorfizm zależny od wysokich ciśnień. Fazy α i β istnieją pod ciśnieniem 1 atm; podczas gdy faza ω, sześciokątna, ale jeszcze bardziej zagęszczona niż zwykły hcp, pojawia się, gdy ciśnienie przekracza 40 GPa. Co ciekawe, gdy ciśnienie nadal rośnie, mniej gęsta faza β pojawia się ponownie.
Srebrzysto-białe ciało stałe, które ma ciemne odcienie, jeśli ma warstwę tlenku i azotku.
178,49 g / mol
2233 ° C
4603 ºC
W temperaturze pokojowej: 13,31 g / cm3, jest dwukrotnie gęstszy od cyrkonu
Bezpośrednio w temperaturze topnienia: 12 g / cm3
27,2 kJ / mol
648 kJ / mol
1,3 w skali Paulinga
Pierwsza: 658,5 kJ / mol (Hf+ gazowy)
Po drugie: 1440 kJ / mol (Hfdwa+ gazowy)
Po trzecie: 2250 kJ / mol (Hf3+ gazowy)
23,0 W / (mK)
331 nΩ m
5.5
O ile metal nie jest wypolerowany i nie spala się, wydzielając iskry w temperaturze 2000 ° C, nie jest podatny na rdzewienie ani korozję, gdyż chroni go cienka warstwa jego tlenku. W tym sensie jest to jeden z najbardziej stabilnych metali. W rzeczywistości ani mocne kwasy, ani mocne zasady nie mogą go rozpuścić; z wyjątkiem kwasu fluorowodorowego i halogenów zdolnych do jego utleniania.
Atom hafnu ma następującą konfigurację elektroniczną:
[Xe] 4f14 5 ddwa 6sdwa
Zbiega się to z faktem przynależności do grupy 4 układu okresowego wraz z tytanem i cyrkonem, ponieważ ma on cztery elektrony walencyjne na orbitali 5d i 6s. Zauważ również, że hafn nie może być lantanoidem, ponieważ jego orbitale 4f są całkowicie wypełnione.
Ta sama konfiguracja elektronów pokazuje, ile elektronów teoretycznie atom hafnu może utracić jako część związku. Zakładając, że straci cztery elektrony walencyjne, będzie to czterowartościowy kation Hf4+ (analogicznie do Ti4+ i Zr4+), a zatem miałby stopień utlenienia +4.
Jest to w rzeczywistości najbardziej stabilny i powszechny stopień utlenienia. Inne mniej istotne to: -2 (Hfdwa-), +1 (Hf+), +2 (Hfdwa+) i +3 (Hf3+).
Hafn występuje na Ziemi w postaci pięciu stabilnych izotopów i jednego radioaktywnego o bardzo długim okresie życia:
-174Hf (0,16%, z okresem półtrwania 2 10piętnaście lat, więc uważa się, że jest praktycznie stabilny)
-176Hf (5,26%)
-177Hf (18,60%)
-178Hf (27,28%)
-179Hf (13,62%)
-180Hf (35,08%)
Zauważ, że jako taki nie ma izotopu, który wyróżniałby się w obfitości, co znajduje odzwierciedlenie w średniej masie atomowej hafnu, 178,49 amu.
Ze wszystkich radioaktywnych izotopów hafnu, które razem z naturalnymi stanowią łącznie 34, 178m2Hf jest najbardziej kontrowersyjny, ponieważ w swoim radioaktywnym rozpadzie uwalnia promieniowanie gamma, więc atomy te mogą być użyte jako broń wojenna.
Hafn to metal odporny na wilgoć i wysokie temperatury, a także doskonały pochłaniacz neutronów. Z tego powodu jest stosowany w ciśnieniowych reaktorach wodnych, a także do produkcji prętów sterujących do reaktorów jądrowych, których powłoki są wykonane z ultra czystego cyrkonu, ponieważ musi on przepuszczać przez niego neutrony..
Atomy hafnu mogą integrować inne kryształy metaliczne, dając początek różnym stopom. Charakteryzują się wytrzymałością i odpornością termiczną, dlatego są przeznaczone do zastosowań kosmicznych, takich jak budowa dysz silnikowych do rakiet..
Z drugiej strony, niektóre stopy i stałe związki hafnu mają specjalne właściwości; takie jak jego węgliki i azotki, odpowiednio HfC i HfN, które są materiałami wysoce ogniotrwałymi. Węglik tantalu i hafn, Ta4HfC5, Dzięki temperaturze topnienia 4215 ° C jest to jeden z najbardziej ogniotrwałych znanych materiałów..
Metaloceny hafnu są stosowane jako katalizatory organiczne do syntezy polimerów, takich jak polietylen i polistyren.
Jak dotąd nie wiadomo, jaki wpływ mogą mieć jony Hf na nasz organizm4+. Z drugiej strony, ponieważ występują w naturze w minerałach cyrkonu, nie uważa się, że zmieniają ekosystem, uwalniając ich sole do środowiska..
Zaleca się jednak ostrożne obchodzenie się ze związkami hafnu, jakby były toksyczne, nawet jeśli nie ma badań medycznych, które dowodzą, że są szkodliwe dla zdrowia.
Prawdziwe niebezpieczeństwo hafnu tkwi w drobno zmielonych cząstkach jego ciała stałego, które ledwo mogą się spalić, gdy wejdą w kontakt z tlenem w powietrzu..
To wyjaśnia, dlaczego po polerowaniu, w wyniku działania, które drapie jego powierzchnię i uwalnia cząsteczki czystego metalu, wydzielają się płonące iskry o temperaturze 2000 ºC; to znaczy, że hafn ma właściwości piroforyczne, jedyną właściwość, która niesie ze sobą ryzyko pożaru lub poważnych oparzeń.
Jeszcze bez komentarzy