Hafnium, metaal HF, atoomnommer 72, atoomgewig 178.49, is 'n blink silwergrys oorgangsmetaal.
Hafnium het ses natuurlik stabiele isotope: Hafnium 174, 176, 177, 178, 179 en 180. Hafnium reageer nie met verdunde soutsuur nie, verdunde swaelsuur, en sterk alkaliese oplossings, maar is oplosbaar in hidrofluoorsuur en Aqua Regia. Die elementnaam kom van die Latynse naam van Copenhagen City.
In 1925 het die Sweedse chemikus Hervey en die Nederlandse fisikus Koster suiwer hafniumsout verkry deur fraksionele kristallisasie van gefluoreerde komplekse soute, en dit met metaal natrium verminder om suiwer metaal hafnium te verkry. Hafnium bevat 0,00045% van die aardkors en word dikwels geassosieer met sirkonium van aard.
Produknaam: Hafnium
Elementsimbool: HF
Atoomgewig: 178.49
Elementtipe: metaalelement
Fisiese eienskappe:
Hafniumis 'n silwergrys metaal met 'n metaalagtige glans; Daar is twee variante van metaal hafnium: α hafnium is 'n seskantige nou gepakte variant (1750 ℃) met 'n hoër transformasietemperatuur as sirkonium. Metal Hafnium het allotrope -variante by hoë temperature. Metal Hafnium het 'n hoë neutronabsorpsie-dwarssnit en kan as kontrolemateriaal vir reaktore gebruik word.
Daar is twee soorte kristalstrukture: seskantige digte verpakking by temperature onder 1300 ℃ （α- Vergelyking); By temperature bo 1300 ℃ is dit liggaamsgesentreerde kubieke （β- Vergelyking). 'N Metaal met plastisiteit wat verhard en bros word in die teenwoordigheid van onsuiwerhede. Stabiel in die lug, verduister net op die oppervlak as dit verbrand word. Die filamente kan aan die brand gesteek word deur die vlam van 'n wedstryd. Eienskappe soortgelyk aan sirkonium. Dit reageer nie met water, verdunde sure of sterk basisse nie, maar is maklik oplosbaar in Aqua Regia en Hydrofluoric Acid. Hoofsaaklik in verbindings met 'n+4 -valensie. Dit is bekend dat Hafnium -legering (TA4HFC5) die hoogste smeltpunt het (ongeveer 4215 ℃).
Kristalstruktuur: die kristalsel is seskantig
CAS nommer: 7440-58-6
Smeltpunt: 2227 ℃
Kookpunt: 4602 ℃
Chemiese eienskappe:
Die chemiese eienskappe van hafnium is baie soortgelyk aan dié van sirkonium, en dit het 'n goeie korrosieweerstand en word nie maklik deur algemene suur alkali -waterige oplossings gekorreleer nie; Maklik oplosbaar in hydrofluorsuur om gefluorineerde komplekse te vorm. By hoë temperature kan hafnium ook direk kombineer met gasse soos suurstof en stikstof om oksiede en nitriede te vorm.
Hafnium het dikwels 'n+4 -valensie in verbindings. Die hoofverbinding ishafniumoksiedHFO2. Daar is drie verskillende variante van hafniumoksied:hafniumoksiedverkry deur deurlopende kalsinering van hafniumsulfaat en chloriedoksied is 'n monokliniese variant; Die hafniumoksied wat verkry is deur die hidroksied van hafnium by ongeveer 400 ℃ te verhit, is 'n tetragonale variant; As dit gekalsineer is bo 1000 ℃, kan 'n kubieke variant verkry word. Nog 'n verbinding ishafnium tetrachloried, wat die grondstof is vir die voorbereiding van metaal hafnium en kan voorberei word deur chloorgas op 'n mengsel van hafniumoksied en koolstof te reageer. Hafnium tetrachloride kom in kontak met water en hidroliseer onmiddellik in hoogs stabiele HFO (4H2O) 2+ione. HFO2+-ione bestaan in baie verbindings van hafnium, en kan naaldvormige gehidreerde hafnium -oksichloried HFOCL2 · 8H2O kristalle in hidrochloorsuurversuurde hafnium tetrachloriedoplossing kristalliseer.
4-valente hafnium is ook geneig om komplekse met fluoried te vorm, bestaande uit K2HFF6, K3HFF7, (NH4) 2HFF6, en (NH4) 3HFF7. Hierdie komplekse is gebruik vir die skeiding van sirkonium en hafnium.
Algemene verbindings:
Hafniumdioksied: naam hafnium dioksied; Hafniumdioksied; Molekulêre formule: HFO2 [4]; Eiendom: Wit poeier met drie kristalstrukture: monoklinies, tetragonaal en kubiek. Die digthede is onderskeidelik 10.3, 10.1 en 10.43g/cm3. Smeltpunt 2780-2920K. Kookpunt 5400K. Termiese uitbreidingskoëffisiënt 5,8 × 10-6/℃. Onoplosbaar in water, soutsuur en salpetersuur, maar oplosbaar in gekonsentreerde swaelsuur en hidrofluoorsuur. Geproduseer deur termiese ontbinding of hidrolise van verbindings soos hafniumsulfaat en hafnium -oksichloried. Grondstowwe vir die produksie van metaal hafnium en hafniumlegerings. Word gebruik as vuurvaste materiale, anti -radioaktiewe bedekkings en katalisators. [5] Atoom -energievlak HFO is 'n produk wat gelyktydig verkry word wanneer die atoomenergievlak ZRO vervaardig word. Vanaf sekondêre chlorering is die prosesse van suiwering, vermindering en vakuumdistillasie byna identies aan dié van sirkonium.
Hafnium tetrachloried: Hafnium (iv) chloried, hafnium tetrachloried molekulêre formule hfcl4 molekulêre gewig 320.30 Karakter: wit kristallyne blok. Sensitief vir vog. Oplosbaar in asetoon en metanol. Hidroliseer in water om hafnium -oksichloried (HFOCL2) te produseer. Verhit tot 250 ℃ en verdamp. Irriterend vir oë, asemhalingstelsel en vel.
Hafnium hidroksied: hafniumhidroksied (H4HFO4), gewoonlik teenwoordig as 'n gehidreerde oksied HFO2 · NH2O, is onoplosbaar in water, maklik oplosbaar in anorganiese sure, onoplosbaar in ammoniak en selde oplosbaar in Sodiumhidroksied. Verhit tot 100 ℃ om hafniumhidroksied HFO (OH) te genereer 2. Wit Hafnium -hidroksied -neerslag kan verkry word deur hafnium (IV) sout met ammoniakwater te reageer. Dit kan gebruik word om ander hafniumverbindings te produseer.
Navorsingsgeskiedenis
Discovery History:
In 1923 ontdek die Sweedse chemikus Hervey en die Nederlandse fisikus D. Koster hafnium in sirkon wat in Noorweë en Groenland geproduseer is, en noem dit Hafnium, wat afkomstig is van die Latynse naam Hafnia van Kopenhagen. In 1925 het Hervey en Coster sirkonium en titaan geskei met behulp van die metode van fraksionele kristallisasie van gefluoreerde komplekse soute om suiwer hafniumsoute te verkry; En verminder hafniumsout met metaal natrium om suiwer metaal hafnium te verkry. Hervey het 'n monster van verskeie milligram suiwer hafnium voorberei.
Chemiese eksperimente op sirkonium en hafnium:
In 'n eksperiment wat in 1998 deur professor Carl Collins aan die Universiteit van Texas uitgevoer is, is beweer dat Gamma bestraalde Hafnium 178M2 (die isomeer hafnium-178M2 [7]) enorme energie vrygestel kan word, wat vyf ordes hoër is as chemiese reaksies, maar drie ordes van grootte as kernreaksies. [8] HF178M2 (Hafnium 178M2) het die langste leeftyd onder soortgelyke langlewende isotope: HF178M2 (Hafnium 178M2) het 'n halfleeftyd van 31 jaar, wat lei tot 'n natuurlike radioaktiwiteit van ongeveer 1,6 triljoen becquerels. Collins se verslag lui dat een gram suiwer HF178M2 (Hafnium 178M2) ongeveer 1330 megajoules bevat, wat gelykstaande is aan die energie wat vrygestel word deur die ontploffing van 300 kilogram TNT -plofstof. Collins se verslag dui aan dat alle energie in hierdie reaksie vrygestel word in die vorm van X-strale of gammastrale, wat energie teen 'n buitengewone vinnige tempo vrystel, en HF178M2 (Hafnium 178M2) kan steeds op buitengewone lae konsentrasies reageer. [9] Die Pentagon het fondse vir navorsing toegewys. In die eksperiment was die sein-tot-geraas-verhouding baie laag (met beduidende foute), en sedertdien, ondanks veelvuldige eksperimente deur wetenskaplikes van verskeie organisasies, waaronder die Amerikaanse departement van verdediging Advanced Projects Research Agency (DARPA) en Jason Defense Advisory Group [13], kon geen wetenskaplike nie die reaksie onder die voorwaardes bewerkstellig nie, en Collins het nie 'n bewys gegee nie Gamma -straal -emissie om energie van HF178M2 (Hafnium 178M2) vry te stel [15], maar ander wetenskaplikes het teoreties bewys dat hierdie reaksie nie bereik kan word nie. [16] HF178M2 (Hafnium 178M2) word wyd geglo in die akademiese gemeenskap as 'n bron van energie
Toepassingsveld:
Hafnium is baie nuttig vanweë die vermoë om elektrone uit te stuur, soos soos gebruik as 'n gloeidraad in gloeilampe. Word gebruik as die katode vir x-straalbuise, en legerings van hafnium en wolfram of molibdeen word as elektrodes vir hoëspanningsafvoerbuise gebruik. Word gereeld in die katode en wolframvervaardigingsbedryf vir x-strale gebruik. Suiwer hafnium is 'n belangrike materiaal in die atoomenergiebedryf as gevolg van die plastisiteit, maklike verwerking, hoë temperatuurweerstand en korrosieweerstand. Hafnium het 'n groot dwarssnit van die termiese neutron en is 'n ideale neutronabsorber, wat as 'n kontrole-staaf en beskermende apparaat vir atoomreaktors gebruik kan word. Hafniumpoeier kan as dryfmiddel vir vuurpyle gebruik word. Die katode van x-straalbuise kan in die elektriese industrie vervaardig word. Hafnium-legering kan dien as die voorwaartse beskermende laag vir vuurpylpunte en gly-hertoelatingsvliegtuie, terwyl HF TA-legering gebruik kan word om werktuigstaal en weerstandsmateriaal te vervaardig. Hafnium word gebruik as 'n toevoegingselement in hittebestande legerings, soos wolfram, molibdeen en tantalum. HFC kan gebruik word as toevoeging vir harde legerings vanweë die hoë hardheid en smeltpunt. Die smeltpunt van 4TACHFC is ongeveer 4215 ℃, wat dit die verbinding maak met die hoogste bekende smeltpunt. Hafnium kan in baie inflasiestelsels as getter gebruik word. Hafnium getters kan onnodige gasse soos suurstof en stikstof in die stelsel verwyder. Hafnium word dikwels gebruik as 'n toevoeging in hidrouliese olie om die vlugtiging van hidrouliese olie tydens hoë-risiko-bedrywighede te voorkom, en het sterk anti-wisselvalligheidseienskappe. Daarom word dit gewoonlik in industriële hidrouliese olie gebruik. Mediese hidrouliese olie.
Hafnium -element word ook in die nuutste Intel 45 nanoprosessors gebruik. Vanweë die vervaardigbaarheid van silikonkioksied (SiO2) en die vermoë om die dikte te verminder om die transistorprestasie voortdurend te verbeter, gebruik die vervaardigers van silikonkioksied as die materiaal vir hekdielektrika. Toe Intel die 65 nanometer -vervaardigingsproses bekendstel, hoewel dit alles probeer het om die dikte van die silikondioksiedhek -diëlektries tot 1,2 nanometer te verminder, gelykstaande aan 5 lae atome, sou die probleme van kragverbruik en hittedissipasie ook toeneem as die transistor tot die grootte van 'n atoom verminder is, wat lei tot huidige afval en die nodige hittenergie. As daar dus steeds huidige materiale gebruik word en die dikte verder verminder word, sal die lekkasie van die hekdielektrikum aansienlik toeneem, wat die transistor -tegnologie tot sy grense laat verlaag. Om hierdie kritieke kwessie aan te spreek, is Intel van plan om dikker hoë K -materiale (Hafnium -gebaseerde materiale) te gebruik as hekdielektrika in plaas van silikondioksied, wat die lekkasie met meer as tien keer suksesvol verminder het. In vergelyking met die vorige generasie van 65 nm -tegnologie, verhoog Intel se 45 nm -proses die transistordigtheid met byna twee keer, waardeur 'n toename in die totale aantal transistors of 'n vermindering in die verwerking van die verwerker moontlik is. Daarbenewens is die drywing wat benodig word vir transistor -omskakeling laer, wat die kragverbruik met byna 30%verminder. Die interne verbindings is gemaak van koperdraad, gepaard met 'n lae K -diëlektriese, gladde verbeterde doeltreffendheid en die vermindering van kragverbruik, en die skakelsnelheid is ongeveer 20% vinniger
Minerale verspreiding:
Hafnium het 'n hoër oorvloed van die korst as wat algemeen gebruik word metale soos bismut, kadmium en kwik, en is gelykstaande aan inhoud aan berillium, germanium en uraan. Alle minerale wat sirkonium bevat, bevat hafnium. Die zirkoon wat in die industrie gebruik word, bevat 0,5-2% hafnium. Die berilliumsirkoon (alviet) in sekondêre sirkoniumerts kan tot 15% hafnium bevat. Daar is ook 'n tipe metamorfe sirkon, cyrtolite, wat meer as 5% HFO bevat. Die reserwes van laasgenoemde twee minerale is klein en is nog nie in die industrie aangeneem nie. Hafnium word hoofsaaklik herstel tydens die produksie van sirkonium.
Dit bestaan in die meeste sirkoniumerts. [18] [19] Omdat daar baie min inhoud in die kors is. Dit bestaan dikwels saam met sirkonium en het geen aparte erts nie.
Voorbereidingsmetode:
1. Dit kan voorberei word deur magnesiumvermindering van hafnium tetrachloried of termiese ontbinding van hafniumjodied. HFCL4 en K2HFF6 kan ook as grondstowwe gebruik word. Die proses van elektrolitiese produksie in NaCl KCl HFCL4 of K2HFF6 smelt is soortgelyk aan dié van elektrolitiese produksie van sirkonium.
2. Hafnium bestaan saam met sirkonium, en daar is geen aparte grondstof vir hafnium nie. Die grondstof vir die vervaardiging van hafnium is ru -hafniumoksied wat tydens die vervaardigingsproses geskei is. Uittreksel hafniumoksied met behulp van ioonuitruilhars, en gebruik dan dieselfde metode as sirkonium om metaal hafnium uit hierdie hafniumoksied te berei.
3. Dit kan berei word deur CO -verhitting hafnium tetrachloride (HFCL4) met natrium deur vermindering.
Die vroegste metodes om sirkonium en hafnium te skei, was fraksionele kristallisasie van gefluoreerde komplekse soute en fraksionele neerslag van fosfate. Hierdie metodes is omslagtig om te werk en is beperk tot laboratoriumgebruik. Nuwe tegnologieë vir die skeiding van sirkonium en hafnium, soos fraksioneringsdistillasie, onttrekking van oplosmiddels, ioonuitruiling en fraksioneringsadsorpsie, het die een na die ander na vore gekom, met die onttrekking van oplosmiddels meer prakties. Die twee algemeen gebruikte skeidingstelsels is die tiocyanaat -sikloheksanonstelsel en die tributielfosfaat salpetersuurstelsel. Die produkte wat deur bogenoemde metodes verkry word, is almal hafniumhidroksied, en suiwer hafniumoksied kan deur kalsinering verkry word. Hafnium met 'n hoë suiwerheid kan volgens ioonuitruilmetode verkry word.
In die industrie behels die produksie van Metal Hafnium dikwels sowel die Krollproses as die Debor Aker -proses. Die Kroll -proses behels die vermindering van hafnium tetrachloried met behulp van metaal magnesium:
2 mg+hfcl4- → 2mgcl2+hf
Die Debor Aker -metode, ook bekend as die jodiseringsmetode, word gebruik om spons soos hafnium te suiwer en om smeebare metaal hafnium te verkry.
5. Die smelt van hafnium is basies dieselfde as dié van sirkonium:
Die eerste stap is die ontbinding van die erts, wat drie metodes behels: chlorering van sirkon om (zr, hf) cl. Alkali smelt van sirkon. Sirkoon smelt met NaOH op ongeveer 600, en meer as 90% van (Zr, HF) O transformeer in Na (Zr, HF) O, met SIO omskep in Nasio, wat in water opgelos word vir verwydering. NA (Zr, HF) O kan gebruik word as die oorspronklike oplossing vir die skeiding van sirkonium en hafnium nadat dit in HNO opgelos is. Die teenwoordigheid van SIO -kolloïede maak egter die onttrekkingsskeiding van oplosmiddels moeilik. Sinter met KSIF en week in water om K (Zr, HF) F -oplossing te verkry. Die oplossing kan sirkonium en hafnium deur fraksionele kristallisasie skei;
Die tweede stap is die skeiding van sirkonium en hafnium, wat bewerkstellig kan word met behulp van oplosmiddel-ekstraksie-skeidingsmetodes met behulp van hidrochloorsuur MIBK (metiel-isobutielketoon) stelsel en HNO-TBP (tributylfosfaat) stelsel. Die tegnologie van meerfase-fraksionering met behulp van die verskil in dampdruk tussen HFCL en ZRCL smelt onder hoë druk (meer as 20 atmosfeer) is lankal bestudeer, wat die sekondêre chlorineringsproses kan bespaar en koste kan verlaag. Vanweë die korrosieprobleem van (ZR, HF) CL en HCL, is dit egter nie maklik om geskikte fraksioneringsmateriaal te vind nie, en dit sal ook die kwaliteit van ZRCL en HFCL verminder, wat die suiweringskoste verhoog. In die 1970's was dit nog in die tussentydstoetsstadium;
Die derde stap is die sekondêre chlorering van HFO om ru HFCL vir vermindering te verkry;
Die vierde stap is die suiwering van HFCL en magnesiumvermindering. Hierdie proses is dieselfde as die suiwering en vermindering van ZRCL, en die gevolglike semi-afgewerkte produk is growwe spons hafnium;
Die vyfde stap is om ruwe spons hafnium te distilleer om MGCL te verwyder en oortollige metaalmagnesium te herwin, wat lei tot 'n voltooide produk van sponsmetaal hafnium. As die verminderde middel natrium in plaas van magnesium gebruik, moet die vyfde stap verander word na onderdompeling van water
Bergingsmetode:
Bêre in 'n koel en geventileerde pakhuis. Hou weg van vonke en hittesbronne. Dit moet afsonderlik van oksidante, sure, halogene, ens. Geberg word, en vermy die opberging van vermenging. Met behulp van ontploffingsvaste beligting- en ventilasiefasiliteite. Verbied die gebruik van meganiese toerusting en gereedskap wat geneig is tot vonke. Die opbergarea moet toegerus wees met geskikte materiale om lekkasies te bevat.
Postyd: Sep-25-2023