Element 72: Hafnium

Hafnium, Metal HF, número atòmic 72, pes atòmic 178,49, és un metall de transició de color gris de plata brillant.

Hafnium té sis isòtops naturalment estables: Hafnium 174, 176, 177, 178, 179 i 180. Hafnium no reacciona amb l’àcid clorhídric diluït, l’àcid sulfúric diluït i les fortes solucions alcalines, sinó que és soluble en àcid hidrofluòric i aqua regia. El nom de l'element prové del nom llatí de la ciutat de Copenhaguen.

El 1925, el químic suec Hervey i el físic holandès Koster van obtenir sal de Hafnium pur mitjançant la cristal·lització fraccionada de sals complexes fluorades i la van reduir amb sodi metàl·lic per obtenir hafni de metall pur. Hafnium conté el 0,00045% de l’escorça terrestre i sovint s’associa a la naturalesa del zirconi.

Nom del producte: Hafnium

Símbol de l'element: HF

Pes atòmic: 178,49

Tipus d’elements: element metàl·lic

Propietats físiques:

Hafniumés un metall gris de plata amb una brillantor metàl·lica; Hi ha dues variants de metall Hafnium: α Hafnium és una variant hexagonal estretament plena (1750 ℃) amb una temperatura de transformació més alta que el zirconi. El metall Hafnium té variants d’al·lúropes a temperatures altes. El metall Hafnium té una secció d’absorció de neutrons elevada i es pot utilitzar com a material de control per als reactors.

Hi ha dos tipus d’estructures de cristall: l’embalatge dens hexagonal a temperatures inferiors a 1300 ℃ (α- equació); A temperatures superiors a 1300 ℃, és cúbic centrat en el cos (β- equació). Un metall amb plasticitat que s’endureix i es torna trencadís en presència d’impureses. Estable a l’aire, només s’enfosqueix a la superfície quan es crema. Els filaments es poden encendre amb la flama d'un partit. Propietats similars al zirconi. No reacciona amb aigua, àcids diluïts ni bases fortes, sinó que és fàcilment soluble en aqua regia i àcid hidrofluòric. Principalment en compostos amb una valència+4. L’aliatge Hafnium (TA4HFC5) és conegut per tenir el punt de fusió més alt (aproximadament 4215 ℃).

Estructura de cristall: la cèl·lula de cristall és hexagonal

Número de CAS: 7440-58-6

Punt de fusió: 2227 ℃

Punt d’ebullició: 4602 ℃

Propietats químiques:

Les propietats químiques de Hafnium són molt similars a les del zirconi, i té una bona resistència a la corrosió i no es corroï fàcilment per solucions aquoses alcalines d’àcid general; Fàcilment soluble en àcid hidrofluoric per formar complexos fluorats. A altes temperatures, Hafnium també es pot combinar directament amb gasos com l’oxigen i el nitrogen per formar òxids i nitrurs.

Hafnium sovint té una valència+4 en compostos. El compost principal ésL’òxid d’HafniumHFO2. Hi ha tres variants diferents d’òxid d’Hafnium:L’òxid d’HafniumObtingut per calcinació contínua del sulfat de Hafnium i l’òxid de clorur és una variant monoclínica; L’òxid d’Hafnium obtingut escalfant l’hidròxid d’Hafnium a uns 400 ℃ és una variant tetragonal; Si es calcula per sobre de 1000 ℃, es pot obtenir una variant cúbica. Un altre compost ésTetraclorur de Hafnium, que és la matèria primera per preparar Hafnium metàl·lic i es pot preparar reaccionant el gas clor en una barreja d’òxid d’Hafnium i carboni. El tetraclorur de Hafnium entra en contacte amb l’aigua i immediatament hidrolitzes en ions HFO (4H2O) altament estables (4H2O). Els ions HFO2+existeixen en molts compostos de Hafnium i poden cristal·litzar cristalls hidratats en forma de agulla HFOCL2 · 8H2O en solució de tetraclorur de Hafnium de l’àcid clorhídric àcid clorhídric.

El Hafnium de 4 valent també és propens a formar complexos amb fluorur, format per K2HFF6, K3HFF7, (NH4) 2HFF6 i (NH4) 3HFF7. Aquests complexos s’han utilitzat per a la separació de zirconi i hafnium.

Compostos comuns:

Diòxid de Hafnium: nom de diòxid de Hafnium; Diòxid de Hafnium; Fórmula molecular: HFO2 [4]; Propietat: pols blanca amb tres estructures de cristall: monoclínic, tetragonal i cúbic. Les densitats són de 10,3, 10,1 i 10,43g/cm3, respectivament. Punt de fusió 2780-2920K. Punt d’ebullició 5400k. Coeficient d’expansió tèrmica 5,8 × 10-6/℃. Insoluble en aigua, àcid clorhídric i àcid nítric, però soluble en àcid sulfúric concentrat i àcid hidrofluòric. Produït per descomposició tèrmica o hidròlisi de compostos com el sulfat d’Hafnium i l’oxiclorur d’Hafnium. Matèries primeres per a la producció d’aliatges metàl·lics d’Hafnium i Hafnium. S'utilitza com a materials refractaris, recobriments anti -radioactius i catalitzadors. [5] El nivell d'energia atòmica HFO és un producte obtingut simultàniament quan es fabriquen el nivell d'energia atòmica ZRO. A partir de la cloració secundària, els processos de purificació, reducció i destil·lació de buit són gairebé idèntics als del zirconi.

Tetraclorur de Hafnium: Hafnium (IV) Clorur, Tetraclorur de Hafnium Fórmula molecular HFCL4 Pes molecular 320,30 Personatge: bloc cristal·lí blanc. Sensible a la humitat. Soluble en acetona i metanol. Hidrol·le en aigua per produir oxiclorur de Hafnium (HFOCL2). Escalfar a 250 ℃ i evaporar -se. Irritant per als ulls, el sistema respiratori i la pell.

Hidròxid de Hafnium: hidròxid de Hafnium (H4HFO4), normalment present com a òxid hidratat HFO2 · NH2O, és insoluble en aigua, fàcilment soluble en àcids inorgànics, insoluble en amoníac i rarament solucionat en hidròxid de sodi. Escalfar a 100 ℃ Per generar hidròxid de hidròxid HFO (OH). Es pot obtenir un precipitat d’hidròxid de hidròxid blanc mitjançant la reacció de la sal de Hafnium (IV) amb aigua d’amoníac. Es pot utilitzar per produir altres compostos de Hafnium.

Història de la investigació

Història del descobriment:

El 1923, el químic suec Hervey i el físic holandès D. Koster van descobrir Hafnium en zircon produït a Noruega i Groenlàndia, i el van anomenar Hafnium, originari del nom llatí Hafnia de Copenhaguen. El 1925, Hervey i Coster van separar el zirconi i el titani mitjançant el mètode de cristal·lització fraccionada de sals complexes fluorades per obtenir sals pures de Hafnium; I redueixen la sal d’Hafnium amb sodi metàl·lic per obtenir un metall pur hafnium. Hervey va preparar una mostra de diversos mil·ligrams de Hafnium pur.

Experiments químics sobre zirconi i hafnium:

En un experiment realitzat pel professor Carl Collins a la Universitat de Texas el 1998, es va afirmar que Gamma va irradiar el Hafnium 178M2 (l’isòmer Hafnium-178M2 [7]) pot alliberar enorme energia, que és cinc ordres de magnitud superiors a les reaccions químiques, però tres ordres de magnitud inferiors a les reaccions nuclears. [8] HF178M2 (Hafnium 178m2) té la vida útil més llarga entre isòtops similars de llarga durada: HF178M2 (Hafnium 178m2) té una vida mitja de 31 anys, donant lloc a una radioactivitat natural d’aproximadament 1,6 trilions de becques. L’informe de Collins afirma que un gram de HF178M2 pur (Hafnium 178M2) conté aproximadament 1330 megajoules, que equival a l’energia alliberada per l’explosió de 300 quilograms d’explosius TNT. L’informe de Collins indica que tota l’energia d’aquesta reacció s’allibera en forma de raigs X o raigs gamma, que alliberen energia a un ritme extremadament ràpid, i HF178M2 (Hafnium 178m2) encara pot reaccionar a concentracions extremadament baixes. [9] El Pentàgon ha assignat fons per a la investigació. A l'experiment, la proporció senyal-soroll va ser molt baixa (amb errors significatius), i des de llavors, malgrat múltiples experiments de científics de múltiples organitzacions, inclosa l'Agència de Recerca de Projectes Avançades del Departament de Defensa dels Estats Units (DARPA) i Jason Defense Advisory Group [13] Emissió de raigs per alliberar energia de HF178M2 (Hafnium 178M2) [15], però altres científics han demostrat teòricament que aquesta reacció no es pot aconseguir. [16] es creu que HF178M2 (Hafnium 178M2) en la comunitat acadèmica no és una font d’energia

L’òxid d’Hafnium

Camp d'aplicació:

Hafnium és molt útil per la seva capacitat d’emetre electrons, com el que s’utilitza com a filament en làmpades incandescents. S'utilitzen com a càtode per a tubs de raigs X i aliatges de Hafnium i Tungstè o molibdè s'utilitzen com a elèctrodes per a tubs de descàrrega d'alta tensió. S'utilitza habitualment a la indústria de fabricació de cables de càtodes i tungstens per a raigs X. L’Hafnium pur és un material important de la indústria de l’energia atòmica a causa de la seva plasticitat, fàcil processament, resistència a la temperatura i resistència a la corrosió. Hafnium té una gran secció de captura de neutrons tèrmics i és un absorbidor de neutrons ideal, que es pot utilitzar com a vareta de control i dispositiu de protecció per als reactors atòmics. La pols de Hafnium es pot utilitzar com a propulsor per a coets. El càtode dels tubs de rajos X es pot fabricar a la indústria elèctrica. L’aliatge Hafnium pot servir com a capa protectora cap endavant per a broquets de coets i avions de reingrés de lliscament, mentre que l’aliatge HF TA es pot utilitzar per fabricar acer d’eines i materials de resistència. Hafnium s’utilitza com a element additiu en aliatges resistents a la calor, com ara tungstè, molibdè i tàntal. HFC es pot utilitzar com a additiu per a aliatges durs a causa de la seva alta duresa i punt de fusió. El punt de fusió de 4ACHFC és d'aproximadament 4215 ℃, cosa que el converteix en el compost amb el punt de fusió més conegut. Hafnium es pot utilitzar com a getter en molts sistemes d’inflació. Els getters d’Hafnium poden eliminar gasos innecessaris com l’oxigen i el nitrogen presents al sistema. El Hafnium s’utilitza sovint com a additiu en l’oli hidràulic per evitar la volatilització de l’oli hidràulic durant les operacions d’alt risc i té fortes propietats anti-volatilitat. Per tant, s’utilitza generalment en el petroli hidràulic industrial. Oli hidràulic mèdic.

L’element Hafnium també s’utilitza en els darrers nanoprocessadors Intel 45. A causa de la fabricació de diòxid de silici (SiO2) i la seva capacitat per reduir el gruix per millorar contínuament el rendiment del transistor, els fabricants de processadors utilitzen diòxid de silici com a material per a la dielèctrica de la porta. Quan Intel va introduir el procés de fabricació de 65 nanòmetres, tot i que havia fet tots els esforços per reduir el gruix de la porta de diòxid de silici dielèctric a 1,2 nanòmetres, equivalent a 5 capes d’àtoms, la dificultat del consum d’energia i la dissipació de calor també augmentaria quan el transistor es reduïa a la mida d’un àtom, donant lloc a residus actuals i energia calenta innecessària. Per tant, si es continuen utilitzant materials actuals i es redueix encara més el gruix, la fuga del dielèctric de la porta augmentarà significativament, reduint la tecnologia del transistor als seus límits. Per solucionar aquest problema crític, Intel té previst utilitzar materials K més gruixuts (materials basats en Hafnium) com a dielèctriques de porta en lloc de diòxid de silici, que ha reduït amb èxit les fuites en més de deu vegades. En comparació amb la generació anterior de tecnologia de 65 nm, el procés de 45nm d’Intel augmenta la densitat del transistor gairebé dues vegades, permetent un augment del nombre total de transistors o una reducció del volum del processador. A més, la potència necessària per a la commutació del transistor és menor, reduint el consum d'energia en gairebé un 30%. Les connexions internes estan fetes de filferro de coure combinats amb k dielèctric k baix, millora fluïdament l'eficiència i reduint el consum d'energia i la velocitat de commutació és d'aproximadament un 20% més ràpid

Distribució de minerals:

Hafnium té una abundància de crosta més elevada que els metalls utilitzats habitualment com el bismut, el cadmi i el mercuri, i és equivalent al contingut de berili, germani i urani. Tots els minerals que contenen zirconi contenen hafnium. El zircon utilitzat a la indústria conté un 0,5-2% de Hafnium. El zircon de beril·li (alvite) en mineral de zirconi secundari pot contenir fins a un 15% de Hafnium. També hi ha un tipus de zircon metamòrfic, Cyrtolite, que conté més del 5% de HFO. Les reserves d’aquests dos últims minerals són petites i encara no s’han adoptat a la indústria. Hafnium es recupera principalment durant la producció de zirconi.

Hafnium:

Existeix a la majoria de minerals de zirconi. [18] [19] Perquè hi ha molt poc contingut a l’escorça. Sovint conviu amb zirconi i no té mineral separat.

Mètode de preparació:

1. Es pot preparar mitjançant la reducció de magnesi del tetraclorur de Hafnium o la descomposició tèrmica del iodur de Hafnium. HFCL4 i K2HFF6 també es poden utilitzar com a matèries primeres. El procés de producció electrolítica en fosa NaCl KCl HFCL4 o K2HFF6 és similar al de la producció electrolítica de zirconi.

2. Hafnium Coexists amb zirconi, i no hi ha cap matèria primera separada per a Hafnium. La matèria primera per a la fabricació de Hafnium és l’òxid d’Hafnium cru separat durant el procés de fabricació de zirconi. Extreu l’òxid d’Hafnium mitjançant la resina d’intercanvi d’ions i, a continuació, utilitzeu el mateix mètode que el zirconi per preparar Hafnium metàl·lic d’aquest òxid de Hafnium.

3. Es pot preparar mitjançant el tetraclorur de Hafnium de CO (HFCL4) amb sodi mitjançant la reducció.

Els primers mètodes per separar el zirconi i el hafnium van ser la cristal·lització fraccionada de sals complexes fluorades i la precipitació fraccionada de fosfats. Aquests mètodes són feixucs per funcionar i es limiten a l’ús de laboratori. Les noves tecnologies per separar el zirconi i el hafnium, com ara la destil·lació de fraccionament, l'extracció de dissolvents, l'intercanvi d'ions i l'adsorció de fraccionament, han sorgit una després de l'altra, amb l'extracció de dissolvents més pràctica. Els dos sistemes de separació d’ús comú són el sistema de ciclohexanona tiocianat i el sistema d’àcid nítric de Tributil fosfat. Els productes obtinguts pels mètodes anteriors són tots els hidròxid de Hafnium i es pot obtenir òxid de Hafnium pur per calcinació. Es pot obtenir un hafnium d’alta puresa mitjançant el mètode d’intercanvi d’ions.

A la indústria, la producció de metall Hafnium sovint implica tant el procés Kroll com el procés Debor Aker. El procés de Kroll implica la reducció del tetraclorur de Hafnium mitjançant magnesi metàl·lic:

2mg+hfcl4- → 2mgcl2+hf

El mètode Debor Aker, també conegut com a mètode de iodització, s’utilitza per purificar esponja com Hafnium i obtenir un metall mallable Hafnium.

5. La fosa de Hafnium és bàsicament la mateixa que la del zirconi:

El primer pas és la descomposició del mineral, que implica tres mètodes: la cloració del zircon per obtenir (Zr, HF) Cl. Fusió alcali del zircon. El zircon es fon amb NaOH al voltant dels 600 i més del 90% de (Zr, HF) o es transforma en Na (Zr, HF) O, amb SiO transformat en Nasio, que es dissol en aigua per a la seva eliminació. Na (Zr, HF) O es pot utilitzar com a solució original per separar el zirconi i el hafnium després de dissoldre's en HNO. Tot i això, la presència de col·loides SiO dificulta la separació d’extracció de dissolvents. Sinter amb KSIF i remull en aigua per obtenir la solució K (Zr, HF) F. La solució pot separar el zirconi i el hafnium mitjançant la cristal·lització fraccionada;

El segon pas és la separació de zirconi i hafnium, que es pot aconseguir mitjançant mètodes de separació d’extracció de dissolvents mitjançant el sistema MIBK de l’àcid clorhídric (metil isobutil cetona) i el sistema HNO-TBP (fosfat Tributil). S’ha estudiat la tecnologia de fraccionament en diverses etapes mitjançant la diferència de pressió de vapor entre HFCL i ZRCL a alta pressió (per sobre de 20 atmosferes), cosa que pot estalviar el procés de cloració secundària i reduir costos. No obstant això, a causa del problema de corrosió de (Zr, HF) Cl i HCl, no és fàcil trobar materials de columna de fraccionament adequats i també reduirà la qualitat de ZRCL i HFCL, augmentant els costos de purificació. A la dècada de 1970, encara es trobava en l’etapa de proves de plantes intermèdies;

El tercer pas és la cloració secundària de HFO per obtenir HFCL cru per a la seva reducció;

El quart pas és la purificació de la reducció de HFCL i el magnesi. Aquest procés és el mateix que la purificació i la reducció de ZRCL, i el producte semi-final resultant és una esponja gruixuda Hafnium;

El cinquè pas és buidar el destil·lat esponja crua Hafnium per eliminar MGCL i recuperar l’excés de magnesi metàl·lic, donant lloc a un producte acabat de l’esponja metall Hafnium. Si l’agent reductor utilitza sodi en lloc de magnesi, el cinquè pas s’hauria de canviar a la immersió d’aigua

Mètode d'emmagatzematge:

Guardeu -lo en un magatzem fresc i ventilat. Mantingueu -vos allunyats de les espurnes i les fonts de calor. S’ha d’emmagatzemar per separat d’oxidants, àcids, halògens, etc., i evitar barrejar l’emmagatzematge. Utilitzant instal·lacions d'il·luminació i ventilació a prova d'explosió. Prohibeix l’ús d’equips i eines mecàniques propenses a espurnes. L’àrea d’emmagatzematge ha d’estar equipada amb materials adequats per contenir fuites.


Hora del post: 25 de setembre de 2013