Hafnium, metel Hf, rhif atomig 72, pwysau atomig 178.49, yw metel pontio llwyd arian sgleiniog.
Mae gan Hafnium chwe isotop sefydlog naturiol: hafnium 174, 176, 177, 178, 179, a 180. Nid yw Hafnium yn adweithio ag asid hydroclorig gwanedig, asid sylffwrig gwanedig, ac atebion alcalïaidd cryf, ond mae'n hydawdd mewn asid hydrofluorig a regia dŵr. Daw enw'r elfen o'r enw Lladin Dinas Copenhagen.
Ym 1925, cafodd y fferyllydd o Sweden Hervey a'r ffisegydd Iseldiraidd Koster halen hafniwm pur trwy grisialu ffracsiynol halwynau cymhleth fflworinedig, a'i leihau â sodiwm metelaidd i gael hafniwm metel pur. Mae hafnium yn cynnwys 0.00045% o gramen y ddaear ac mae'n aml yn gysylltiedig â zirconiwm ei natur.
Enw'r cynnyrch: hafnium
Symbol elfen: Hf
Pwysau atomig: 178.49
Math o elfen: elfen fetelaidd
Priodweddau ffisegol:
Hafniumyn fetel llwyd arian gyda llewyrch metelaidd; Mae dau amrywiad o hafniwm metel: α Mae Hafnium yn amrywiad hecsagonol llawn (1750 ℃) gyda thymheredd trawsnewid uwch na zirconium. Mae gan hafnium metel amrywiadau allotrope ar dymheredd uchel. Mae gan hafnium metel groestoriad amsugno niwtronau uchel a gellir ei ddefnyddio fel deunydd rheoli ar gyfer adweithyddion.
Mae dau fath o strwythurau grisial: pacio trwchus hecsagonol ar dymheredd islaw 1300 ℃ （ α- Hafaliad); Ar dymheredd uwch na 1300 ℃, mae'n gorff-ganolog ciwbig （ β- Hafaliad). Metel â phlastigrwydd sy'n caledu ac yn mynd yn frau ym mhresenoldeb amhureddau. Yn sefydlog yn yr awyr, dim ond yn tywyllu ar yr wyneb pan gaiff ei losgi. Gall y ffilamentau gael eu cynnau gan fflam matsien. Priodweddau tebyg i zirconium. Nid yw'n adweithio â dŵr, asidau gwanedig, neu fasau cryf, ond mae'n hawdd hydawdd mewn aqua regia ac asid hydrofluorig. Yn bennaf mewn cyfansoddion â falens +4. Gwyddys bod gan aloi Hafnium (Ta4HfC5) y pwynt toddi uchaf (tua 4215 ℃).
Strwythur grisial: Mae'r gell grisial yn hecsagonol
Rhif CAS: 7440-58-6
Pwynt toddi: 2227 ℃
Pwynt berwi: 4602 ℃
Priodweddau cemegol:
Mae priodweddau cemegol hafniwm yn debyg iawn i eiddo zirconium, ac mae ganddo wrthwynebiad cyrydiad da ac nid yw'n hawdd ei gyrydu gan hydoddiannau dyfrllyd alcali asid cyffredinol; Yn hawdd hydawdd mewn asid hydrofluorig i ffurfio cyfadeiladau fflworinedig. Ar dymheredd uchel, gall hafnium hefyd gyfuno'n uniongyrchol â nwyon fel ocsigen a nitrogen i ffurfio ocsidau a nitridau.
Yn aml mae gan Hafnium falens +4 mewn cyfansoddion. Y prif gyfansoddyn ywhafnium ocsidHfO2. Mae tri amrywiad gwahanol o hafnium ocsid:hafnium ocsida geir trwy galchynnu hafnium sylffad a chlorid ocsid yn amrywiad monoclinig; Mae'r hafnium ocsid a geir trwy wresogi hydrocsid hafniwm tua 400 ℃ yn amrywiad tetragonal; Os caiff ei galchynnu uwchlaw 1000 ℃, gellir cael amrywiad ciwbig. Cyfansoddyn arall ywhafnium tetraclorid, sef y deunydd crai ar gyfer paratoi hafnium metel a gellir ei baratoi trwy adweithio nwy clorin ar gymysgedd o hafnium ocsid a charbon. Mae Hafnium tetraclorid yn dod i gysylltiad â dŵr ac yn hydrolysu ar unwaith yn ïonau HfO (4H2O) 2+ sefydlog iawn. Mae ïonau HfO2+ yn bodoli mewn llawer o gyfansoddion o hafniwm, a gallant grisialu hafnium oxychloride hydradol siâp nodwydd crisialau HfOCl2 · 8H2O mewn hydoddiant hafnium tetraclorid asid hydroclorig.
Mae hafnium 4-falent hefyd yn dueddol o ffurfio cyfadeiladau â fflworid, sy'n cynnwys K2HfF6, K3HfF7, (NH4) 2HfF6, a (NH4) 3HfF7. Defnyddiwyd y cyfadeiladau hyn ar gyfer gwahanu zirconium a hafnium.
Cyfansoddion cyffredin:
Hafnium dioxide: enw Hafnium dioxide; Hafnium deuocsid; Fformiwla moleciwlaidd: HfO2 [4]; Eiddo: Powdwr gwyn gyda thri strwythur grisial: monoclinig, tetragonal, a chiwbig. Y dwyseddau yw 10.3, 10.1, a 10.43g/cm3, yn y drefn honno. Pwynt toddi 2780-2920K. Pwynt berwi 5400K. Cyfernod ehangu thermol 5.8 × 10-6 / ℃. Anhydawdd mewn dŵr, asid hydroclorig, ac asid nitrig, ond hydawdd mewn asid sylffwrig crynodedig ac asid hydrofluoric. Wedi'i gynhyrchu gan ddadelfennu thermol neu hydrolysis cyfansoddion fel hafnium sylffad a hafnium oxychloride. Deunyddiau crai ar gyfer cynhyrchu hafnium metel a aloion hafnium. Fe'i defnyddir fel deunyddiau gwrthsafol, haenau gwrth-ymbelydrol, a chatalyddion. [5] Lefel ynni atomig Mae HfO yn gynnyrch a geir ar yr un pryd wrth weithgynhyrchu lefel ynni atomig ZrO. Gan ddechrau gyda chlorineiddiad eilaidd, mae prosesau puro, lleihau a distyllu gwactod bron yn union yr un fath â rhai zirconiwm.
Hafnium tetraclorid: Hafnium (IV) clorid, Hafnium tetraclorid Fformiwla foleciwlaidd HfCl4 Pwysau moleciwlaidd 320.30 Cymeriad: Bloc crisialog gwyn. Sensitif i leithder. Hydawdd mewn aseton a methanol. Hydrolyze mewn dŵr i gynhyrchu hafnium oxychloride (HfOCl2). Cynhesu i 250 ℃ ac anweddu. Yn cythruddo'r llygaid, y system resbiradol a'r croen.
Hafnium hydrocsid: Hafnium hydrocsid (H4HfO4), fel arfer yn bresennol fel ocsid hydradol HfO2 · nH2O, yn anhydawdd mewn dŵr, yn hawdd hydawdd mewn asidau anorganig, anhydawdd mewn amonia, ac anaml yn hydawdd mewn sodiwm hydrocsid. Cynhesu i 100 ℃ i gynhyrchu hafnium hydrocsid HfO (OH) 2. Gellir cael gwaddod hafnium hydrocsid gwyn trwy adweithio halen hafnium (IV) â dŵr amonia. Gellir ei ddefnyddio i gynhyrchu cyfansoddion hafnium eraill.
Hanes Ymchwil
Hanes Darganfod:
Ym 1923, darganfu'r cemegydd Swedaidd Hervey a'r ffisegydd Iseldireg D. Koster hafnium mewn zircon a gynhyrchwyd yn Norwy a'r Ynys Las, a'i enwi'n hafnium, a darddodd o'r enw Lladin Hafnia o Copenhagen. Ym 1925, gwahanodd Hervey a Coster zirconium a thitaniwm gan ddefnyddio'r dull o grisialu ffracsiynol halwynau cymhleth fflworinedig i gael halwynau hafniwm pur; A lleihau halen hafnium gyda sodiwm metelaidd i gael hafniwm metel pur. Paratôdd Hervey sampl o sawl miligram o hafniwm pur.
Arbrofion cemegol ar zirconium a hafnium:
Mewn arbrawf a gynhaliwyd gan yr Athro Carl Collins ym Mhrifysgol Texas ym 1998, honnwyd y gall hafnium 178m2 wedi'i arbelydru gan gama (yr isomer hafnium-178m2 [7]) ryddhau egni enfawr, sef pum gradd o faint yn uwch nag adweithiau cemegol ond tri gorchymyn maint yn is nag adweithiau niwclear. [8] Hf178m2 (hafnium 178m2) sydd â'r oes hiraf ymhlith isotopau hirhoedlog tebyg: mae gan Hf178m2 (hafnium 178m2) hanner oes o 31 mlynedd, gan arwain at ymbelydredd naturiol o tua 1.6 triliwn Becquerels. Dywed adroddiad Collins fod un gram o Hf178m2 pur (hafnium 178m2) yn cynnwys tua 1330 megajoules, sy'n cyfateb i'r egni a ryddhawyd gan y ffrwydrad o 300 cilogram o ffrwydron TNT. Mae adroddiad Collins yn nodi bod yr holl egni yn yr adwaith hwn yn cael ei ryddhau ar ffurf pelydrau-X neu belydrau gama, sy'n rhyddhau egni'n gyflym iawn, a gall Hf178m2 (hafnium 178m2) adweithio o hyd ar grynodiadau isel iawn. [9] Mae'r Pentagon wedi dyrannu arian ar gyfer ymchwil. Yn yr arbrawf, roedd y gymhareb signal-i-sŵn yn isel iawn (gyda gwallau sylweddol), ac ers hynny, er gwaethaf arbrofion lluosog gan wyddonwyr o sefydliadau lluosog gan gynnwys Asiantaeth Ymchwil Prosiectau Uwch Adran Amddiffyn yr Unol Daleithiau (DARPA) a JASON Defence Advisory Grŵp [13], nid oes unrhyw wyddonydd wedi gallu cyflawni'r adwaith hwn o dan yr amodau a honnir gan Collins, ac nid yw Collins wedi darparu tystiolaeth gref i brofi bodolaeth yr adwaith hwn, cynigiodd Collins ddull o ddefnyddio allyriadau pelydr gama anwythol i ryddhau ynni o Hf178m2 (hafnium 178m2) [15], ond mae gwyddonwyr eraill wedi profi'n ddamcaniaethol na ellir cyflawni'r adwaith hwn. [16] Credir yn eang yn y gymuned academaidd nad yw Hf178m2 (hafnium 178m2) yn ffynhonnell ynni
Maes cais:
Mae Hafnium yn ddefnyddiol iawn oherwydd ei allu i allyrru electronau, megis yr un a ddefnyddir fel ffilament mewn lampau gwynias. Fe'i defnyddir fel catod ar gyfer tiwbiau pelydr-X, a defnyddir aloion hafnium a thwngsten neu folybdenwm fel electrodau ar gyfer tiwbiau rhyddhau foltedd uchel. Defnyddir yn gyffredin yn y diwydiant gweithgynhyrchu gwifren catod a thwngsten ar gyfer pelydrau-X. Mae hafnium pur yn ddeunydd pwysig yn y diwydiant ynni atomig oherwydd ei blastigrwydd, prosesu hawdd, ymwrthedd tymheredd uchel, a gwrthiant cyrydiad. Mae gan Hafnium groestoriad cipio niwtronau thermol mawr ac mae'n amsugnwr niwtron delfrydol, y gellir ei ddefnyddio fel gwialen reoli a dyfais amddiffynnol ar gyfer adweithyddion atomig. Gellir defnyddio powdr Hafnium fel gyriant ar gyfer rocedi. Gellir cynhyrchu catod tiwbiau pelydr-X yn y diwydiant trydanol. Gall aloi Hafnium wasanaethu fel yr haen amddiffynnol ymlaen ar gyfer ffroenellau roced a chlidio awyrennau ailfynediad, tra gellir defnyddio aloi Hf Ta i gynhyrchu dur offer a deunyddiau gwrthiant. Defnyddir Hafnium fel elfen ychwanegyn mewn aloion sy'n gwrthsefyll gwres, megis twngsten, molybdenwm, a tantalwm. Gellir defnyddio HfC fel ychwanegyn ar gyfer aloion caled oherwydd ei galedwch uchel a'i bwynt toddi. Mae pwynt toddi 4TaCHfC tua 4215 ℃, sy'n golygu mai hwn yw'r cyfansawdd gyda'r pwynt toddi uchaf hysbys. Gellir defnyddio Hafnium fel ysgogydd mewn llawer o systemau chwyddiant. Gall derbynwyr hafnium gael gwared ar nwyon diangen fel ocsigen a nitrogen sy'n bresennol yn y system. Defnyddir Hafnium yn aml fel ychwanegyn mewn olew hydrolig i atal anweddoli olew hydrolig yn ystod gweithrediadau risg uchel, ac mae ganddo briodweddau gwrth anweddolrwydd cryf. Felly, fe'i defnyddir yn gyffredinol mewn olew hydrolig diwydiannol. Olew hydrolig meddygol.
Defnyddir elfen Hafnium hefyd yn y nanobroseswyr Intel 45 diweddaraf. Oherwydd manufacturability silicon deuocsid (SiO2) a'i allu i leihau trwch i wella perfformiad transistor yn barhaus, mae gweithgynhyrchwyr proseswyr yn defnyddio silicon deuocsid fel y deunydd ar gyfer deuelectrig giât. Pan gyflwynodd Intel y broses weithgynhyrchu 65 nanomedr, er ei fod wedi gwneud pob ymdrech i leihau trwch y giât silicon deuocsid dielectrig i 1.2 nanometr, sy'n cyfateb i 5 haen o atomau, byddai anhawster defnydd pŵer a disipiad gwres hefyd yn cynyddu pan fydd y transistor wedi'i leihau i faint atom, gan arwain at wastraff cyfredol ac ynni gwres diangen. Felly, os parheir i ddefnyddio deunyddiau cyfredol a bod y trwch yn cael ei leihau ymhellach, bydd gollyngiadau dielectrig y giât yn cynyddu'n sylweddol, Dod â thechnoleg transistor i lawr i'w derfynau. Er mwyn mynd i'r afael â'r mater hollbwysig hwn, mae Intel yn bwriadu defnyddio deunyddiau K uchel mwy trwchus (deunyddiau wedi'u seilio ar hafnium) fel deuelectrig giât yn lle silicon deuocsid, sydd wedi llwyddo i leihau gollyngiadau fwy na 10 gwaith. O'i gymharu â'r genhedlaeth flaenorol o dechnoleg 65nm, mae proses 45nm Intel yn cynyddu dwysedd transistor bron ddwywaith, gan ganiatáu ar gyfer cynnydd yng nghyfanswm nifer y transistorau neu ostyngiad yng nghyfaint y prosesydd. Yn ogystal, mae'r pŵer sydd ei angen ar gyfer newid transistor yn is, gan leihau'r defnydd o bŵer bron i 30%. Mae'r cysylltiadau mewnol wedi'u gwneud o wifren gopr wedi'i pharu â dielectrig k isel, gan wella effeithlonrwydd yn esmwyth a lleihau'r defnydd o bŵer, ac mae'r cyflymder newid tua 20% yn gyflymach
Dosbarthiad mwynau:
Mae gan Hafnium ddigonedd cramennol uwch na metelau a ddefnyddir yn gyffredin fel bismuth, cadmiwm, a mercwri, ac mae'n cyfateb o ran cynnwys i berylliwm, germaniwm, ac wraniwm. Mae pob mwyn sy'n cynnwys zirconium yn cynnwys hafnium. Mae zircon a ddefnyddir mewn diwydiant yn cynnwys hafnium 0.5-2%. Gall y beryllium zircon (Alvite) mewn mwyn zirconium eilaidd gynnwys hyd at 15% hafnium. Mae yna hefyd fath o zircon metamorffig, cyrtolite, sy'n cynnwys dros 5% HfO. Mae cronfeydd wrth gefn y ddau fwyn olaf yn fach ac nid ydynt wedi'u mabwysiadu eto mewn diwydiant. Mae Hafnium yn cael ei adennill yn bennaf wrth gynhyrchu zirconiwm.
Mae'n bodoli yn y rhan fwyaf o fwynau zirconium. [18] [19] Oherwydd ychydig iawn o gynnwys sydd yn y gramen. Mae'n aml yn cydfodoli â syrconiwm ac nid oes ganddo fwyn ar wahân.
Dull paratoi:
1. Gellir ei baratoi trwy ostyngiad magnesiwm o hafnium tetraclorid neu ddadelfennu thermol hafnium ïodid. Gellir defnyddio HfCl4 a K2HfF6 hefyd fel deunyddiau crai. Mae'r broses o gynhyrchu electrolytig mewn toddi NaCl KCl HfCl4 neu K2HfF6 yn debyg i broses gynhyrchu electrolytig zirconium.
2. Mae Hafnium yn cydfodoli â zirconium, ac nid oes unrhyw ddeunydd crai ar wahân ar gyfer hafnium. Y deunydd crai ar gyfer gweithgynhyrchu hafnium yw hafnium ocsid crai wedi'i wahanu yn ystod y broses o weithgynhyrchu zirconium. Tynnwch hafnium ocsid gan ddefnyddio resin cyfnewid ïon, ac yna defnyddiwch yr un dull â zirconium i baratoi hafniwm metel o'r hafnium ocsid hwn.
3. Gellir ei baratoi trwy gydgynhesu hafnium tetraclorid (HfCl4) gyda sodiwm trwy leihad.
Y dulliau cynharaf ar gyfer gwahanu zirconium a hafnium oedd crisialu ffracsiynol o halwynau cymhleth fflworinedig a dyddodiad ffracsiynol o ffosffadau. Mae'r dulliau hyn yn feichus i'w gweithredu ac yn gyfyngedig i ddefnydd labordy. Mae technolegau newydd ar gyfer gwahanu zirconium a hafniwm, megis distyllu ffracsiynu, echdynnu toddyddion, cyfnewid ïon, ac arsugniad ffracsiynu, wedi dod i'r amlwg un ar ôl y llall, ac mae echdynnu toddyddion yn fwy ymarferol. Y ddwy system wahanu a ddefnyddir yn gyffredin yw'r system thiocyanate cyclohexanone a'r system asid nitrig tributyl ffosffad. Mae'r cynhyrchion a geir trwy'r dulliau uchod i gyd yn hafnium hydrocsid, a gellir cael hafnium ocsid pur trwy galchynnu. Gellir cael hafnium purdeb uchel trwy ddull cyfnewid ïon.
Mewn diwydiant, mae cynhyrchu hafniwm metel yn aml yn cynnwys proses Kroll a phroses Debor Aker. Mae proses Kroll yn cynnwys lleihau hafnium tetraclorid gan ddefnyddio magnesiwm metelaidd:
2Mg+HfCl4- → 2MgCl2+Hf
Defnyddir y dull Debor Aker, a elwir hefyd yn ddull ïodeiddio, i buro sbwng fel hafniwm a chael hafniwm metel hydrin.
5. Mae mwyndoddi hafnium yn y bôn yr un fath â zirconium:
Y cam cyntaf yw dadelfennu'r mwyn, sy'n cynnwys tri dull: clorineiddio zircon i gael (Zr, Hf) Cl. Toddi zircon alcali. Mae Zircon yn toddi gyda NaOH ar tua 600, ac mae dros 90% o (Zr, Hf) O yn trawsnewid yn Na (Zr, Hf) O, gyda SiO wedi'i drawsnewid yn NaSiO, sy'n cael ei hydoddi mewn dŵr i'w dynnu. Gellir defnyddio Na (Zr, Hf) O fel yr ateb gwreiddiol ar gyfer gwahanu zirconium a hafnium ar ôl cael eu diddymu yn HNO. Fodd bynnag, mae presenoldeb coloidau SiO yn gwneud gwahanu echdynnu toddyddion yn anodd. Sinter â KSiF a socian mewn dŵr i gael hydoddiant K (Zr, Hf) F. Gall yr ateb wahanu zirconium a hafnium trwy grisialu ffracsiynol;
Yr ail gam yw gwahanu zirconium a hafnium, y gellir ei gyflawni trwy ddefnyddio dulliau gwahanu echdynnu toddyddion gan ddefnyddio system asid hydroclorig MIBK (methyl isobutyl ketone) a system HNO-TBP (tributyl phosphate). Mae'r dechnoleg ffracsiynu aml-gam gan ddefnyddio'r gwahaniaeth mewn pwysedd anwedd rhwng HfCl a ZrCl yn toddi o dan bwysau uchel (uwchlaw 20 atmosffer) wedi'i hastudio ers tro, a all arbed y broses clorineiddio eilaidd a lleihau costau. Fodd bynnag, oherwydd problem cyrydiad (Zr, Hf) Cl a HCl, nid yw'n hawdd dod o hyd i ddeunyddiau colofn ffracsiynu addas, a bydd hefyd yn lleihau ansawdd ZrCl a HfCl, gan gynyddu costau puro. Yn y 1970au, roedd yn dal yn y cam profi planhigion canolradd;
Y trydydd cam yw clorineiddiad eilaidd HfO i gael HfCl crai i'w leihau;
Y pedwerydd cam yw puro gostyngiad HfCl a magnesiwm. Mae'r broses hon yr un fath â phuro a lleihau ZrCl, a'r cynnyrch lled-orffen sy'n deillio o hyn yw hafniwm sbwng bras;
Y pumed cam yw gwactod distyllu hafnium sbwng crai i gael gwared ar MgCl ac adennill magnesiwm metel gormodol, gan arwain at gynnyrch gorffenedig o hafniwm metel sbwng. Os yw'r asiant lleihau yn defnyddio sodiwm yn lle magnesiwm, dylid newid y pumed cam i drochi dŵr
Dull storio:
Storio mewn warws oer ac wedi'i awyru. Cadwch draw oddi wrth wreichion a ffynonellau gwres. Dylid ei storio ar wahân i ocsidyddion, asidau, halogenau, ac ati, ac osgoi cymysgu storio. Defnyddio cyfleusterau goleuo ac awyru sy'n atal ffrwydrad. Gwahardd y defnydd o offer mecanyddol ac offer sy'n dueddol o gael gwreichion. Dylai'r man storio gynnwys deunyddiau addas i atal gollyngiadau.
Amser post: Medi-25-2023