Hafnium, Metal HF, atomnummer 72, atomvægt 178.49, er et skinnende sølvgrå overgangsmetal.
Hafnium har seks naturligt stabile isotoper: Hafnium 174, 176, 177, 178, 179 og 180. Hafnium reagerer ikke med fortyndet saltsyre, fortyndet svovlsyre og stærke alkaliske opløsninger, men er opløselig i hydrofluorsyre og aqua regia. Elementnavnet kommer fra det latinske navn Københavns by.
I 1925 opnåede den svenske kemiker Hervey og den hollandske fysiker Koster rent hafniumsalt ved fraktioneret krystallisation af fluorerede komplekse salte og reducerede det med metallisk natrium for at opnå rent metalhafnium. Hafnium indeholder 0,00045% af jordens skorpe og er ofte forbundet med zirkonium i naturen.
Produktnavn: Hafnium
Elementsymbol: HF
Atomvægt: 178.49
Elementtype: Metallisk element
Fysiske egenskaber:
Hafniumer et sølvgrå metal med en metallisk glans; Der er to varianter af metalhafnium: α hafnium er en hexagonal tæt pakket variant (1750 ℃) med en højere transformationstemperatur end zirconium. Metal Hafnium har allotrope -varianter ved høje temperaturer. Metal Hafnium har en høj neutronabsorptionstværsnit og kan bruges som kontrolmateriale til reaktorer.
Der er to typer krystalstrukturer: hexagonal tæt pakning ved temperaturer under 1300 ℃（ a- ligning); Ved temperaturer over 1300 ℃ er det kropscentreret kubisk （ß-ligning). Et metal med plasticitet, der hærder og bliver sprød i nærvær af urenheder. Stall i luften, kun mørkere på overfladen, når de brændes. Filamenterne kan antændes af en kampens flamme. Egenskaber, der ligner zirconium. Det reagerer ikke med vand, fortyndede syrer eller stærke baser, men er let opløseligt i aqua regia og hydrofluorinsyre. Hovedsageligt i forbindelser med en+4 valence. Hafniumlegering (TA4HFC5) er kendt for at have det højeste smeltepunkt (ca. 4215 ℃).
Krystalstruktur: krystalcellen er hexagonal
CAS-nummer: 7440-58-6
Smeltningspunkt: 2227 ℃
Kogepunkt: 4602 ℃
Kemiske egenskaber:
De kemiske egenskaber ved Hafnium ligner meget zirconium, og den har god korrosionsresistens og er ikke let korroderet af generelle syrealkali vandige opløsninger; Let opløselig i hydrofluorinsyre til dannelse af fluorerede komplekser. Ved høje temperaturer kan Hafnium også direkte kombineres med gasser såsom ilt og nitrogen for at danne oxider og nitrider.
Hafnium har ofte en+4 -valens i forbindelser. Hovedforbindelsen erHafniumoxidHFO2. Der er tre forskellige varianter af hafniumoxid:Hafniumoxidopnået ved kontinuerlig kalcinering af Hafniumsulfat og chloridoxid er en monoklinisk variant; Hafniumoxid opnået ved opvarmning af hydroxidet af Hafnium ved omkring 400 ℃ er en tetragonal variant; Hvis der er calcineret over 1000 ℃, kan der opnås en kubisk variant. En anden forbindelse erHafnium tetrachlorid, som er råmaterialet til fremstilling af metalhafnium og kan fremstilles ved at reagere klorgas på en blanding af hafniumoxid og kulstof. Hafnium -tetrachlorid kommer i kontakt med vand og hydrolyserer straks til meget stabil HFO (4H2O) 2+ioner. HFO2+-ioner findes i mange forbindelser af Hafnium og kan krystallisere nålformet hydratiseret Hafnium -oxychlorid HFOCl2 · 8H2O -krystaller i hydrochlorsyresyrede hafniumtetrachloridopløsning.
4-valent Hafnium er også tilbøjelig til at danne komplekser med fluor, bestående af K2HFF6, K3HFF7, (NH4) 2HFF6 og (NH4) 3HFF7. Disse komplekser er blevet anvendt til adskillelse af zirconium og hafnium.
Fælles forbindelser:
Hafniumdioxid: navn hafniumdioxid; Hafniumdioxid; Molekylær formel: HFO2 [4]; Ejendom: Hvidt pulver med tre krystalstrukturer: monoklinisk, tetragonal og kubisk. Densiteterne er henholdsvis 10,3, 10,1 og 10,43 g/cm3. Smeltepunkt 2780-2920K. Kogepunkt 5400k. Termisk ekspansionskoefficient 5,8 × 10-6/℃. Uopløselig i vand, saltsyre og salpetersyre, men opløselig i koncentreret svovlsyre og hydrofluorinsyre. Produceret ved termisk nedbrydning eller hydrolyse af forbindelser, såsom Hafniumsulfat og Hafniumoxychlorid. Råmaterialer til produktion af metalhafnium- og hafniumlegeringer. Brugt som ildfaste materialer, anti -radioaktive belægninger og katalysatorer. [5] Atomisk energiniveau HFO er et produkt opnået samtidig ved fremstilling af atomenergieniveau ZRO. Fra sekundær klorering er processerne med oprensning, reduktion og vakuumdestillation næsten identiske med zirconium.
Hafnium tetrachlorid: Hafnium (IV) Chlorid, Hafnium -tetrachloridmolekylær formel HFCL4 Molekylvægt 320.30 Karakter: Hvid krystallinsk blok. Følsom over for fugt. Opløselig i acetone og methanol. Hydrolys i vand for at producere hafniumoxychlorid (HFOCL2). Varme til 250 ℃ og fordamper. Irriterende for øjne, åndedrætssystem og hud.
Hafniumhydroxid: Hafniumhydroxid (H4HFO4), som normalt er til stede som et hydreret oxid HFO2 · NH2O, er uopløselig i vand, let opløselig i uorganiske syrer, uopløseligt i ammoniak og sjældent opløselig i sodiumhydroxid. Varme til 100 ℃ for at generere hafniumhydroxid HFO (OH) 2.. Hvid Hafniumhydroxidforfærning kan opnås ved at reagere Hafnium (IV) salt med ammoniakvand. Det kan bruges til at producere andre Hafnium -forbindelser.
Forskningshistorie
Discovery History:
I 1923 opdagede den svenske kemiker Hervey og den hollandske fysiker D. Koster Hafnium i zircon produceret i Norge og Grønland og kaldte det Hafnium, der stammer fra det latinske navn Hafnia i København. I 1925 adskilte Hervey og Coster zirconium og titan ved anvendelse af metoden til fraktionel krystallisation af fluorerede komplekse salte for at opnå rene hafniumsalte; Og reducer Hafniumsalt med metallisk natrium for at opnå rent metalhafnium. Hervey forberedte en prøve på flere milligram af rent hafnium.
Kemiske eksperimenter på zirconium og hafnium:
I et eksperiment udført af professor Carl Collins ved University of Texas i 1998 blev det hævdet, at Gamma bestrålet Hafnium 178M2 (isomeren Hafnium-178M2 [7]) kan frigive enorm energi, hvilket er fem størrelsesordener højere end kemiske reaktioner, men tre størrelsesordener nedre end nukleære reaktioner. [8] HF178M2 (Hafnium 178M2) har den længste levetid blandt lignende langvarige isotoper: HF178M2 (Hafnium 178M2) har en halveringstid på 31 år, hvilket resulterer i en naturlig radioaktivitet på ca. 1,6 billioner. Collins 'rapport siger, at et gram rent HF178M2 (Hafnium 178M2) indeholder cirka 1330 megajoules, hvilket svarer til energien frigivet ved eksplosionen af 300 kg TNT -eksplosiver. Collins 'rapport indikerer, at al energi i denne reaktion frigives i form af røntgenstråler eller gammastråler, der frigiver energi i en ekstremt hurtig hastighed, og HF178M2 (Hafnium 178M2) kan stadig reagere i ekstremt lave koncentrationer. [9] Pentagon har afsat midler til forskning. I eksperimentet var signal-til-støjforholdet meget lavt (med betydelige fejl), og siden da, på trods af flere eksperimenter fra forskere fra flere organisationer, herunder det amerikanske forsvarsministerium Advanced Projects Research Agency (DARPA), og Jason Defense Advisory Group [13], har ingen videnskabsmedlem været i stand til at opnå denne reaktion under betingelserne, der kræves af Collins, og Collins, og Collinsa har ikke givet en stærk bevis for at bevise, at denne reaktion, Colliner, har været foreslået en metode, der blev brugt til at indgå indhold af ind i ind i ind i ind i ind i ind i ind i ind i ind i indhold af indhold Ray -emission til frigivelse af energi fra HF178M2 (Hafnium 178M2) [15], men andre forskere har teoretisk bevist, at denne reaktion ikke kan opnås. [16] HF178M2 (Hafnium 178M2) antages bredt på det akademiske samfund for ikke at være en energikilde
Applikationsfelt:
Hafnium er meget nyttig på grund af dets evne til at udsende elektroner, såsom som som brugt som et filament i glødelamper. Brugt som katode til røntgenrør, og legeringer af hafnium og wolfram eller molybdæn anvendes som elektroder til højspændingsafladningsrør. Almindeligt anvendt i katoden og Tungsten Wire Manufacturing Industry til røntgenstråler. Pure Hafnium er et vigtigt materiale i atomenergibranchen på grund af dets plasticitet, let behandling, høj temperaturresistens og korrosionsbestandighed. Hafnium har en stor termisk neutronfangst-tværsnit og er en ideel neutronabsorber, der kan bruges som en kontrolstang og beskyttelsesanordning til atomreaktorer. Hafniumpulver kan bruges som drivmiddel til raketter. Katoden af røntgenrør kan fremstilles i den elektriske industri. Hafniumlegering kan tjene som det fremadrettede beskyttelseslag for raketdyser og glide genindtræden fly, mens HF TA-legering kan bruges til at fremstille værktøjsstål og modstandsmaterialer. Hafnium bruges som et additivt element i varmebestandige legeringer, såsom wolfram, molybdæn og tantal. HFC kan bruges som additiv til hårde legeringer på grund af dets høje hårdhed og smeltepunkt. Smeltningspunktet på 4TACHFC er cirka 4215 ℃, hvilket gør det til forbindelsen med det højeste kendte smeltepunkt. Hafnium kan bruges som en getter i mange inflationssystemer. Hafnium -getters kan fjerne unødvendige gasser, såsom ilt og nitrogen, der er til stede i systemet. Hafnium bruges ofte som et tilsætningsstof i hydraulisk olie for at forhindre flygtigisering af hydraulisk olie under operationer med høj risiko og har stærke anti-volatilitetsegenskaber. Derfor bruges det generelt i industriel hydraulisk olie. Medicinsk hydraulisk olie.
Hafnium -element bruges også i de nyeste Intel 45 nanoprocessorer. På grund af fremstilling af siliciumdioxid (SiO2) og dets evne til at reducere tykkelsen til kontinuerligt at forbedre transistorens ydeevne, bruger processorproducenter siliciumdioxid som materiale til gate -dielektrik. Når Intel introducerede den 65 nanometerproduktionsproces, selvom den havde gjort alt for at reducere tykkelsen af siliciumdioxidporten dielektrikum til 1,2 nanometer, svarende til 5 lag af atomer, ville vanskeligheden ved strømforbrug og varmeafledning også stige, når transistoren blev reduceret til størrelsen af et atom, hvilket resulterede i det aktuelle affald og det unødvendige varmeenergi. Derfor, hvis nuværende materialer fortsat bruges, og tykkelsen reduceres yderligere, vil lækage af porten dielektrikum øge sig markant, hvilket bringer transistorteknologi ned til sine grænser. For at tackle dette kritiske problem planlægger Intel at bruge tykkere høje K -materialer (Hafniumbaserede materialer) som gate dielektrik i stedet for siliciumdioxid, hvilket med succes har reduceret lækage med mere end 10 gange. Sammenlignet med den forrige generation af 65NM -teknologi øger Intels 45NM -proces transistortæthed med næsten to gange, hvilket giver mulighed for en stigning i det samlede antal transistorer eller en reduktion i processorvolumen. Derudover er den effekt, der kræves til transistorskontakt, lavere, hvilket reducerer strømforbruget med næsten 30%. De interne forbindelser er skabt af kobbertråd parret med lav K -dielektrisk, glat forbedring af effektiviteten og reducering af strømforbruget, og skifthastigheden er ca. 20% hurtigere
Mineralfordeling:
Hafnium har en højere skorpeoverflod end almindeligt anvendte metaller såsom vismut, cadmium og kviksølv og er ækvivalent i indhold til beryllium, germanium og uran. Alle mineraler, der indeholder zirconium, indeholder hafnium. Zircon brugt i industrien indeholder 0,5-2% hafnium. Beryllium zircon (alvite) i sekundær zirconiummalm kan indeholde op til 15% hafnium. Der er også en type metamorfisk zirkon, cyrtolit, der indeholder over 5% HFO. Reserverne af de to sidstnævnte to mineraler er små og er endnu ikke blevet vedtaget i industrien. Hafnium er hovedsageligt udvundet under produktionen af zirkonium.
Det findes i de fleste zirkoniummalm. [18] [19] Fordi der er meget lidt indhold i skorpen. Det sameksisterer ofte med zirconium og har ingen separat malm.
Forberedelsesmetode:
1. Det kan fremstilles ved magnesiumreduktion af Hafnium -tetrachlorid eller termisk nedbrydning af hafniumiodid. HFCL4 og K2HFF6 kan også bruges som råvarer. Processen med elektrolytisk produktion i NaCl KCL HFCL4 eller K2HFF6 -smelte ligner processen for elektrolytisk produktion af zirkonium.
2. Hafnium sameksisterer med zirconium, og der er ikke noget separat råmateriale til hafnium. Råmaterialet til fremstilling af hafnium er rå hafniumoxid adskilt under processen med fremstilling af zirkonium. Ekstraher hafniumoxid ved hjælp af ionudvekslingsharpiks, og brug derefter den samme metode som zirkonium til at fremstille metalhafnium fra dette hafniumoxid.
3.. Det kan fremstilles ved CO -opvarmning Hafnium -tetrachlorid (HFCL4) med natrium gennem reduktion.
De tidligste metoder til adskillelse af zirkonium og Hafnium var fraktioneret krystallisation af fluorerede komplekse salte og fraktioneret nedbør af fosfater. Disse metoder er besværlige til at operere og er begrænset til laboratoriebrug. Nye teknologier til adskillelse af zirkonium og Hafnium, såsom fraktioneringsdestillation, opløsningsmiddelekstraktion, ionudveksling og fraktioneringsadsorption, er fremkommet den ene efter den anden, hvor opløsningsmiddelekstraktion er mere praktisk. De to almindeligt anvendte separationssystemer er thiocyanat cyclohexanon -systemet og sideelver phosphat -salpetersyre -systemet. De produkter, der er opnået ved ovennævnte metoder, er alle hafniumhydroxid, og rent hafniumoxid kan opnås ved kalcinering. Hafnium med høj renhed kan opnås ved ionudvekslingsmetode.
I industrien involverer produktionen af metalhafnium ofte både Kroll -processen og Debor Aker -processen. Kroll -processen involverer reduktion af Hafnium -tetrachlorid ved anvendelse af metallisk magnesium:
2 mg+HFCL4- → 2MGCL2+HF
Debor Aker -metoden, også kendt som iodiseringsmetoden, bruges til at rense svamp som hafnium og opnå formbart metalhafnium.
5. Smeltning af hafnium er dybest set den samme som Zirconium:
Det første trin er nedbrydningen af malmen, som involverer tre metoder: klorering af zirkon til opnåelse (ZR, HF) Cl. Alkali smeltning af zirkon. Zircon smelter med NaOH ved omkring 600, og over 90% af (Zr, HF) O omdannes til Na (Zr, HF) O, med SIO omdannet til Nasio, som opløses i vand til fjernelse. Na (Zr, HF) O kan bruges som den originale opløsning til adskillelse af zirkonium og hafnium efter at have været opløst i HNO. Imidlertid gør tilstedeværelsen af SIO -kolloider opløsningsmiddelekstraktionsseparation vanskelig. Sinter med KSIF og blød i vand for at opnå K (Zr, HF) F -opløsning. Opløsningen kan adskille zirkonium og hafnium gennem fraktioneret krystallisation;
Det andet trin er adskillelsen af zirconium og Hafnium, som kan opnås ved anvendelse af opløsningsmiddelekstraktionsseparationsmetoder ved anvendelse af saltsyre MIBK (methylisobutylketon) system og HNO-TBP (tributylphosphat) system. Teknologien til fraktionering af flere trin ved anvendelse af forskellen i damptryk mellem HFCL og ZRCL smelter under højt tryk (over 20 atmosfærer) er længe blevet undersøgt, hvilket kan spare den sekundære kloreringsproces og reducere omkostningerne. På grund af korrosionsproblemet for (ZR, HF) CL og HCL er det imidlertid ikke let at finde passende fraktioneringskolonnematerialer, og det vil også reducere kvaliteten af ZRCL og HFCL, hvilket øger oprensningsomkostningerne. I 1970'erne var det stadig i det mellemliggende planteteststadium;
Det tredje trin er den sekundære klorering af HFO for at opnå rå HFCL til reduktion;
Det fjerde trin er oprensningen af HFCL og magnesiumreduktion. Denne proces er den samme som oprensning og reduktion af ZRCL, og det resulterende semi-færdige produkt er grov svamp hafnium;
Det femte trin er at vakuum destillere rå svamp hafnium for at fjerne MGCL og genvinde overskydende metalmagnesium, hvilket resulterer i et færdigt produkt af svampetal Hafnium. Hvis det reduktionsmiddel bruger natrium i stedet for magnesium, skal det femte trin ændres til vand nedsænkning
Opbevaringsmetode:
Opbevares i et køligt og ventileret lager. Hold dig væk fra gnister og varmekilder. Det skal opbevares separat fra oxidanter, syrer, halogener osv. Og undgå at blande opbevaring. Ved hjælp af eksplosionssikre belysning og ventilationsfaciliteter. Forbud brugen af mekanisk udstyr og værktøjer, der er tilbøjelige til gnister. Opbevaringsområdet skal være udstyret med passende materialer til at indeholde lækager.
Posttid: SEP-25-2023