Хафний, Metal HF, атомно номер 72, атомно тегло 178.49, е лъскав сребърен сив преходен метал.
Hafnium има шест естествено стабилни изотопа: Hafnium 174, 176, 177, 178, 179 и 180. Hafnium не реагира с разредена солна киселина, разредена сярна киселина и силни алкални разтвори. Името на елемента идва от латинското име на град Копенхаген.
През 1925 г. шведският химик Херви и холандският физик Костер получават чиста хафниева сол чрез фракционна кристализация на флуорирани сложни соли и я редуцират с метален натрий, за да се получи чист метален хафний. Hafnium съдържа 0,00045% от земната кора и често е свързана с цирконий в природата.
Име на продукта: Hafnium
Символ на елемента: hf
Атомно тегло: 178.49
Тип елемент: Метален елемент
Физични свойства:
Хафнийе сребърен сив метал с метален блясък; Има два варианта на метален хафний: α hafnium е шестоъгълен тясно опакован вариант (1750 ℃) с по -висока температура на трансформация от цирконий. Металният хафний има варианти на алотроп при високи температури. Metal Hafnium има високо напречно сечение на абсорбция на неутрони и може да се използва като контролен материал за реактори.
Има два вида кристални структури: шестоъгълна плътна опаковка при температури под 1300 ℃( α-уравнение); При температури над 1300 ℃, той е центриран с тялото кубично (β-уравнение). Метал с пластичност, който се втвърдява и става крехък при наличие на примеси. Стабилен във въздуха, потъмнява само на повърхността, когато се изгаря. Нишките могат да бъдат запалени от пламъка на съвпадение. Свойства, подобни на цирконий. Той не реагира с вода, разредени киселини или силни основи, но лесно се разтвори в аква и хидрофлуорови киселина. Главно в съединения с+4 валентност. Известно е, че Hafnium Alloy (TA4HFC5) има най -високата точка на топене (приблизително 4215 ℃).
Кристална структура: Кристалната клетка е шестоъгълна
Номер на CAS: 7440-58-6
Точка за топене: 2227 ℃
Точка на кипене: 4602 ℃
Химични свойства:
Химичните свойства на Hafnium са много подобни на тези на цирконий и той има добра устойчивост на корозия и не се корозира лесно от общи киселинни алкални водни разтвори; Лесно разтворими в хидрофлуорови киселина за образуване на флуорирани комплекси. При високи температури Hafnium може директно да се комбинира с газове като кислород и азот, за да образува оксиди и атриди.
Hafnium често има+4 валентност в съединения. Основното съединение еХафний оксидHFO2. Има три различни варианта на хафниев оксид:Хафний оксидПолученото чрез непрекъснато калциниране на хафниев сулфат и хлориден оксид е моноклиничен вариант; Хафний оксид, получен чрез нагряване на хидроксида на хафний при около 400 ℃, е тетрагонална вариант; Ако е калциран над 1000 ℃, може да се получи кубичен вариант. Друго съединение еHafnium tetrachloride, която е суровината за приготвяне на метален хафний и може да се приготви чрез реагиране на хлорен газ върху смес от хафний оксид и въглерод. Hafnium Tetrachloride влиза в контакт с вода и веднага хидролизира във силно стабилен HFO (4H2O) 2+йони. HFO2+йони съществуват в много съединения на Hafnium и могат да кристализират иглата с форма на хидратиран хафниев оксихлорид HfoCl2 · 8H2O кристали в разтвор на хидрохлорна киселина подкислена хафний тетрахлорид.
4-валент Hafnium също е предразположен да образува комплекси с флуорид, състоящ се от K2HFF6, K3HFF7, (NH4) 2HFF6 и (NH4) 3HFF7. Тези комплекси са използвани за разделяне на цирконий и хафний.
Общи съединения:
Hafnium dioxide: Име Hafnium dioxide; Хафниев диоксид; Молекулна формула: HFO2 [4]; Свойство: Бял прах с три кристални структури: моноклинични, тетрагонални и кубични. Плътността е съответно 10,3, 10,1 и 10,43g/cm3. Точка на топене 2780-2920K. Точка на кипене 5400k. Коефициент на термично разширение 5.8 × 10-6/℃. Неразтворими във вода, солна киселина и азотна киселина, но разтворима в концентрирана сярна киселина и хидрофлуороводородна киселина. Произведен чрез термично разлагане или хидролиза на съединения като хафниев сулфат и хафниев оксихлорид. Суровини за производство на метални сплави Hafnium и Hafnium. Използва се като огнеупорни материали, антиактивни покрития и катализатори. [5] Атомното енергийно ниво HFO е продукт, получен едновременно при производството на ZRO на нивото на атомната енергия. Започвайки от вторично хлориране, процесите на пречистване, редукция и вакуумна дестилация са почти идентични с тези на цирконий.
Hafnium tetrachloride: Hafnium (iv) хлорид, молекулна формула Hafnium tetrachloride HFCL4 молекулно тегло 320.30 Характер: Бял кристален блок. Чувствителен към влагата. Разтворим в ацетон и метанол. Хидролизиране във вода за получаване на хафниев оксихлорид (HfoCl2). Загрейте до 250 ℃ и се изпарете. Дразнеща на очите, дихателната система и кожата.
Хафниев хидроксид: хафниев хидроксид (H4HFO4), обикновено присъстващ като хидратиран оксид HFO2 · NH2O, е неразтворим във вода, лесно разтворим в неорганични киселини, неразтворим в амония и рядко разтворими в натриев хидроксид. Загряване до 100 ℃ за генериране на хафниев хидроксид HFO (OH) 2. Бялата утайка от хафниев хидроксид може да се получи чрез реагиране на хафний (IV) сол с амонячна вода. Може да се използва за получаване на други Hafnium съединения.
История на изследванията
История на откриването:
През 1923 г. шведският химик Херви и холандският физик Д. Костер откриват Хафний в Циркон, произведен в Норвегия и Гренландия, и го нарече Хафний, който произхожда от латинското име Хафния от Копенхаген. През 1925 г. Херви и Костер отделят цирконий и титан, използвайки метода на фракционната кристализация на флуорирани сложни соли, за да получат чисти соли на хафний; И намалете хафниевата сол с метален натрий, за да се получи чист метален хафний. Херви приготви проба от няколко милиграма чист хафний.
Химически експерименти върху цирконий и хафний:
В експеримент, проведен от професор Карл Колинс от Тексаския университет през 1998 г., се твърди, че гама облъчва Hafnium 178M2 (Isomer Hafnium-178M2 [7]), но три порядъка по-ниска от ядрената реакция по-висока от химичните реакции, но три порядъци по-ниски от ядрените реакции. [8] HF178M2 (Hafnium 178M2) има най-дълъг живот сред сходни дълголедени изотопи: HF178M2 (Hafnium 178M2) има полуживот от 31 години, което води до естествена радиоактивност от приблизително 1,6 трилиона бекерела. Докладът на Колинс се посочва, че един грам чист HF178M2 (Hafnium 178M2) съдържа приблизително 1330 мегаджула, което е еквивалентна на енергията, освободена от експлозията от 300 килограма експлозиви на TNT. Докладът на Колинс показва, че цялата енергия в тази реакция се освобождава под формата на рентгенови лъчи или гама лъчи, които отделят енергия с изключително бърза скорост, а HF178M2 (Hafnium 178M2) все още може да реагира при изключително ниски концентрации. [9] Пентагонът е разпределил средства за изследвания. In the experiment, the signal-to-noise ratio was very low (with significant errors), and since then, despite multiple experiments by scientists from multiple organizations including the United States Department of Defense Advanced Projects Research Agency (DARPA) and JASON Defense Advisory Group [13], no scientist has been able to achieve this reaction under the conditions claimed by Collins, and Collins has not provided strong evidence to prove the existence of this reaction, Collins proposed a method of using induced Емисиите на гама лъчи за освобождаване на енергия от HF178M2 (Hafnium 178M2) [15], но други учени теоретично са доказали, че тази реакция не може да бъде постигната. [16] HF178M2 (Hafnium 178M2) се смята широко в академичната общност да не е източник на енергия
Поле за кандидатстване:
Hafnium е много полезен поради способността си да отделя електрони, като например, използвани като нишка в лампи с нажежаема жичка. Използва се като катод за рентгенови тръби, а сплавите на хафний и волфрам или молибден се използват като електроди за епруветки с високо напрежение. Обикновено се използва в индустрията за производство на катчета и волфрамови тел за рентгенови лъчи. Чистият хафний е важен материал в атомната енергийна индустрия поради неговата пластичност, лесна обработка, висока температурна устойчивост и устойчивост на корозия. Hafnium има голямо напречно сечение на термично неутрон и е идеален неутронен абсорбер, който може да се използва като контролен прът и защитно устройство за атомни реактори. Hafnium Powder може да се използва като гориво за ракети. Катодът на рентгенови тръби може да се произвежда в електрическата промишленост. Hafnium Alloy може да служи като защитен слой за ракетни дюзи и самолета за повторно влизане на плъзгане, докато HF TA Alloy може да се използва за производство на инструментални стоманени и устойчиви материали. Hafnium се използва като адитивен елемент в устойчиви на топлина сплави, като волфрам, молибден и танталум. HFC може да се използва като добавка за твърди сплави поради високата си твърдост и точката на топене. Точката на топене на 4TACHFC е приблизително 4215 ℃, което го прави съединението с най -високата известна точка на топене. Hafnium може да се използва като Getter в много инфлационни системи. Getters Hafnium могат да премахнат ненужните газове като кислород и азот, присъстващи в системата. Hafnium често се използва като добавка в хидравличното масло, за да се предотврати изпарението на хидравличното масло по време на високорискови операции и има силни анти-променливи свойства. Следователно, той обикновено се използва в индустриално хидравлично масло. Медицинско хидравлично масло.
Hafnium Element се използва и в най -новите нанопроцесори на Intel 45. Поради производството на силициев диоксид (SIO2) и способността му да намалява дебелината за непрекъснато подобряване на производителността на транзистора, производителите на процесори използват силиконов диоксид като материал за диелектриците на портата. Когато Intel въведе процеса на производство на 65 нанометра, въпреки че беше положил всички усилия да намали дебелината на диелектрика на силициевия диоксид до 1,2 нанометра, еквивалентна на 5 слоя атоми, трудността на консумацията на енергия и разсейването на топлина също ще се увеличи, когато транзисторът се намали до размера на атома, резултат в текущия отпадък и нелекуващия топлинен енергия. Следователно, ако текущите материали продължават да се използват и дебелината допълнително намалява, изтичането на диелектрика на портата значително ще се увеличи, като намали транзисторната технология до нейните граници. За да се справи с този критичен проблем, Intel планира да използва по -дебели високо K материали (материали на основата на хафний) като диелектрици на портата вместо силициев диоксид, който успешно намалява изтичането с повече от 10 пъти. В сравнение с предишното поколение 65 nm технология, 45nm процесът на Intel увеличава плътността на транзистора с близо два пъти, което позволява увеличаване на общия брой транзистори или намаляване на обема на процесора. В допълнение, мощността, необходима за превключване на транзистора, е по -ниска, като намалява консумацията на енергия с близо 30%. Вътрешните връзки са изработени от меден тел, сдвоен с нисък k диелектрик, като гладко подобряващи ефективността и намаляване на консумацията на енергия, а скоростта на превключване е с около 20% по -бърза
Минерално разпределение:
Hafnium има по -голямо изобилие от кората от често използваните метали като бисмут, кадмий и живак и е еквивалентен на съдържание на берилий, германий и уран. Всички минерали, съдържащи цирконий, съдържат хафний. Цирконът, използван в индустрията, съдържа 0,5-2% хафний. Берилийният циркон (алвит) във вторична циркониева руда може да съдържа до 15% хафний. Има и вид метаморфен циркон, циртолит, който съдържа над 5% HFO. Резервите на последните два минерала са малки и все още не са приети в индустрията. Хафний се възстановява главно по време на производството на цирконий.
Той съществува в повечето циркониеви руди. [18] [19], защото в коричката има много малко съдържание. Често съжителства с цирконий и няма отделна руда.
Метод на подготовка:
1. Той може да се приготви чрез намаляване на магнезий на тетрахлорид Hafnium или термично разлагане на Hafnium йодид. HFCL4 и K2HFF6 също могат да се използват като суровини. Процесът на електролитично производство в NaCl KCl HFCL4 или K2HFF6 стопилката е подобен на този на електролитичното производство на цирконий.
2. Hafnium съжителства с цирконий и няма отделна суровина за Hafnium. Суровината за производство на хафний е суров хафниев оксид, разделен по време на процеса на производство на цирконий. Екстрактирайте хафниев оксид, използвайки йонообменна смола и след това използвайте същия метод като цирконий за приготвяне на метален хафний от този хафниев оксид.
3. Може да се приготви чрез нагряване на CO Hafnium tetrachloride (HFCL4) с натрий чрез редукция.
Най -ранните методи за разделяне на цирконий и хафний са фракционната кристализация на флуорирани сложни соли и фракционно утаяване на фосфати. Тези методи са тромави за работа и са ограничени до лабораторна употреба. Нови технологии за разделяне на цирконий и хафний, като дестилация на фракциониране, екстракция на разтворител, йонен обмен и адсорбция на фракциониране, се появиха една след друга, като екстракцията на разтворителя е по -практична. Двете често използвани системи за разделяне са системата за циклохексанон на тиоцианата и системата на азотната киселина на трибутил фосфат. Продуктите, получени по горните методи, са всички хафниев хидроксид, а чистият хафниев оксид може да се получи чрез калциниране. Hafnium с висока чистота може да бъде получен чрез метод на йонен обмен.
В индустрията производството на метален хафний често включва както процеса на Kroll, така и процеса на Debor Aker. Процесът на Kroll включва намаляване на тетрахлорид Hafnium с помощта на метален магнезий:
2MG+HFCL4- → 2MGCL2+HF
Методът на Debor Aker, известен още като метод на йодизация, се използва за пречистване на гъбата като хафний и получаване на ковък метален хафний.
5. Топенето на хафний е основно като това на цирконий:
Първата стъпка е разлагането на рудата, която включва три метода: хлориране на циркона за получаване на (Zr, HF) Cl. Алкално топене на циркон. Цирконът се топи с NaOH при около 600 и над 90% от (Zr, HF) O се трансформира в Na (ZR, HF) O, като SIO се трансформира в Насио, който се разтваря във вода за отстраняване. Na (Zr, HF) O може да се използва като оригинален разтвор за разделяне на цирконий и хафний след разтваряне в HNO. Въпреки това, наличието на колоиди на SIO затруднява отделянето на екстракция на разтворителя. Синтер с KSIF и накисване във вода, за да се получи K (Zr, HF) F разтвор. Разтворът може да отдели цирконий и хафний чрез фракционна кристализация;
Вторият етап е разделянето на цирконий и хафний, които могат да бъдат постигнати с помощта на методи за отделяне на екстракция на разтворител, използвайки система на хидрохлорна киселина MIBK (метил изобутил кетон) и HNO-TBP (трибутил фосфат) система. Технологията на многоетапното фракциониране, използваща разликата в налягането на парата между HFCL и ZRCL, се разтопява при високо налягане (над 20 атмосфера), отдавна е проучена, което може да спести вторичния процес на хлориране и да намали разходите. Поради проблема с корозията на (Zr, HF) Cl и HCl, не е лесно да се намерят подходящи материали за фракциониране на колоните, а също така ще намали качеството на ZRCL и HFCL, увеличавайки разходите за пречистване. През 70 -те години той все още е бил в етапа на тестване на междинните растения;
Третата стъпка е вторичната хлориране на HFO за получаване на суров HFCL за намаляване;
Четвъртата стъпка е пречистването на редукцията на HFCL и магнезий. Този процес е същият като пречистването и редукцията на ZRCL, а полученият полу-завършен продукт е груба гъба Hafnium;
Петата стъпка е да вакуумирайте дестила на суровата гъба хафний за отстраняване на MGCL и възстановяване на излишния метален магнезий, което води до завършен продукт от гъба метал хафний. Ако редуциращият агент използва натрий вместо магнезий, петата стъпка трябва да бъде променена на потапяне на вода
Метод за съхранение:
Съхранявайте в хладен и вентилиран склад. Дръжте се от искри и източници на топлина. Той трябва да се съхранява отделно от окислители, киселини, халогени и т.н., и да избягва смесване на съхранение. Използване на съоръжения за осветление и вентилация, устойчиво на експлозия. Забранете използването на механично оборудване и инструменти, които са склонни към искри. Зоната за съхранение трябва да бъде оборудвана с подходящи материали за съдържане на течове.
Време за публикация: септември 25-2023