Hafnium, Metal HF, Atomic Number 72, Atomgewicht 178,49, ist ein glänzendes silbergraues Übergangsmetall.
Hafnium hat sechs natürlich stabile Isotope: Hafnium 174, 176, 177, 178, 179 und 180. Hafnium reagiert nicht mit verdünnten Salzsäure, verdünnten Schwefelsäure und starken alkalischen Lösungen, ist jedoch löslich in Hydrofluoric -Säure und Aqua -Regien. Der Elementname stammt aus dem lateinischen Namen Kopenhagen City.
Im Jahr 1925 erhielten die schwedische Chemikerin Hervey und der niederländische Physiker Koster durch fraktionierte Kristallisation fluorierter Komplexsalze reines Hafniumsalz und reduzierten es mit metallischem Natrium, um reines Metallhafnium zu erhalten. Hafnium enthält 0,00045% der Erdkruste und ist häufig mit Zirkonium in der Natur verbunden.
Produktname: Hafnium
Elementsymbol: Hf
Atomgewicht: 178.49
Elementtyp: Metallic Element
Physikalische Eigenschaften:
Hafniumist ein silbergraues Metall mit einem metallischen Glanz; Es gibt zwei Varianten von Metallhafnium: α Hafnium ist eine hexagonale eng gepackte Variante (1750 ℃) mit einer höheren Transformationstemperatur als Zirkonium. Metal Hafnium hat Allotrope -Varianten bei hohen Temperaturen. Metall-Hafnium hat einen hohen Neutronenabsorption-Querschnitt und kann als Kontrollmaterial für Reaktoren verwendet werden.
Es gibt zwei Arten von Kristallstrukturen: hexagonale dichte Verpackung bei Temperaturen unter 1300 ℃（ α-Gleichung); Bei Temperaturen über 1300 ℃ handelt es sich um körperzentrierte kubische （-β-Gleichung). Ein Metall mit Plastizität, das in Gegenwart von Verunreinigungen verhärtet und spröde. Stabil in der Luft, verdunkelt sich nur auf der Oberfläche, wenn sie verbrannt ist. Die Filamente können durch die Flamme eines Spiels entzündet werden. Eigenschaften ähnlich wie Zirkonium. Es reagiert nicht mit Wasser, verdünnten Säuren oder starken Basen, sondern ist in Aqua Regia und Hydrofluorsäure leicht löslich. Hauptsächlich in Verbindungen mit einer Valenz von+4. Es ist bekannt, dass die Hafnium -Legierung (TA4HFC5) den höchsten Schmelzpunkt aufweist (ungefähr 4215 ℃).
Kristallstruktur: Die Kristallzelle ist sechseckalal
CAS-Nummer: 7440-58-6
Schmelzpunkt: 2227 ℃
Siedepunkt: 4602 ℃
Chemische Eigenschaften:
Die chemischen Eigenschaften von Hafnium sind denen des Zirkoniums sehr ähnlich und weist eine gute Korrosionsbeständigkeit auf und sind nicht leicht durch allgemeine saure alkalische wässrige Lösungen zu korrodieren. Leicht löslich in Hydrofluorsäure, um fluorierte Komplexe zu bilden. Bei hohen Temperaturen kann sich Hafnium auch direkt mit Gasen wie Sauerstoff und Stickstoff zusammenschließen, um Oxide und Nitride zu bilden.
Hafnium hat oft eine+4 -Valenz in Verbindungen. Die Hauptverbindung istHafniumoxidHFO2. Es gibt drei verschiedene Varianten von Hafniumoxid:Hafniumoxiderhalten durch kontinuierliche Kalzinierung von Hafniumsulfat und Chloridoxid eine monoklinische Variante; Das Hafniumoxid, das durch Erhitzen des Hydroxids von Hafnium bei etwa 400 ℃ erhalten wird, ist eine tetragonale Variante; Wenn über 1000 ℃ kalkiniert, kann eine kubische Variante erhalten werden. Eine andere Verbindung istHafnium Tetrachlorid, das ist das Rohstoff zur Herstellung von Metallhafnium und kann durch Reagieren von Chlorgas auf ein Gemisch aus Hafniumoxid und Kohlenstoff hergestellt werden. Hafnium Tetrachlorid kommt mit Wasser in Kontakt und hydrolysiert sofort in hochstabile HFO (4H2O) 2+-Ionen. HFO2+-Ionen existieren in vielen Hafniumverbindungen und können nadelförmige hydratisierte Hafnium -Oxychlorid -HFOCL2 · 8H2O -Kristalle in Salzsäure -angesäuerten Hafnium -Tetrachloridlösung kristallisieren.
Das 4-Valent-Hafnium ist auch anfällig für Komplexe mit Fluorid, bestehend aus K2HFF6, K3HFF7, (NH4) 2HFF6 und (NH4) 3HFF7. Diese Komplexe wurden zur Trennung von Zirkonium und Hafnium verwendet.
Gemeinsame Verbindungen:
Hafnium -Dioxid: Name Hafnium Dioxid; Hafnium -Dioxid; Molekülformel: HFO2 [4]; Eigenschaft: Weißes Pulver mit drei Kristallstrukturen: monoklin, tetragonal und kubisch. Die Dichten betragen 10,3, 10,1 bzw. 10,43 g/cm3. Schmelzpunkt 2780-2920K. Siedepunkt 5400K. Thermischer Expansionskoeffizient 5,8 × 10-6/℃. Unlöslich in Wasser, Salzsäure und Salpetersäure, aber löslich in konzentrierter Schwefelsäure und Hydrofluorsäure. Erzeugt durch thermische Zersetzung oder Hydrolyse von Verbindungen wie Hafniumsulfat und Hafniumoxychlorid. Rohstoffe für die Herstellung von Metall -Hafnium- und Hafnium -Legierungen. Wird als feuerfeste Materialien, anti -radioaktive Beschichtungen und Katalysatoren verwendet. [5] Der Atomergiespiegel HFO ist ein Produkt, das gleichzeitig bei der Herstellung von ZRO des Atomergiespiegels erhalten wird. Ausgehend von der sekundären Chlorierung sind die Prozesse der Reinigung, Reduzierung und Vakuumdestillation nahezu identisch mit denen des Zirkoniums.
Hafnium Tetrachlorid: Hafnium (iv) Chlorid, Hafnium -Tetrachlorid -Molekularformel HFCL4 Molekulargewicht 320,30 Charakter: weißer kristalline Block. Feuchtigkeitsempfindlich. Löslich in Aceton und Methanol. Hydrolyze in Wasser zur Herstellung von Hafniumoxychlorid (HFOCL2). Auf 250 ℃ erhitzen und verdampfen. Irritierend an Augen, Atmungssystem und Haut.
Hafniumhydroxid: Hafniumhydroxid (H4HFO4), das normalerweise als hydratisiertes Oxid HFO2 · NH2O vorhanden ist, ist in Wasser unlöslich, in Anorganinsäuren leicht löslich, in Ammonia unlöslich und in Natriumhydroxid selten löslich. Hitze auf 100 ℃, um Hafniumhydroxid -HFO (OH) zu erzeugen. 2. Weißer Hafniumhydroxid -Niederschlag kann durch Reagieren von Hafnium (iv) Salz mit Ammoniakwasser erhalten werden. Es kann verwendet werden, um andere Hafniumverbindungen zu produzieren.
Forschungsgeschichte
Entdeckungsgeschichte:
1923 entdeckte die schwedische Chemikerin Hervey und der niederländische Physiker D. Koster Hafnium in Zirkon in Norwegen und Grönland und nannten es Hafnium, das aus dem lateinischen Namen Hafnia von Kopenhagen stammte. Im Jahr 1925 trennten Hervey und Coster Zirkonium und Titan unter Verwendung der Methode der fraktionierten Kristallisation fluorierter komplexer Salze, um reine Hafniumsalze zu erhalten; Und reduzieren Hafniumsalz mit metallischem Natrium, um reines Metallhafnium zu erhalten. Hervey bereitete eine Probe von mehreren Milligramm reinem Hafnium vor.
Chemische Experimente an Zirkonium und Hafnium:
In einem Experiment von Professor Carl Collins an der Universität von Texas im Jahr 1998 wurde behauptet, dass Gamma Hafnium 178m2 (das Isomer Hafnium-178m2 [7]) bestrahlte, enorme Energie, die fünf Größenordnungen mehr als chemische Reaktionen entspricht, aber drei Befehle von Größenreaktionen sind, die niedriger sind als Kernreaktionen. [8] HF178M2 (Hafnium 178m2) hat die längste Lebensdauer unter ähnlichen langlebigen Isotopen: HF178M2 (Hafnium 178m2) hat eine Halbwertszeit von 31 Jahren, was zu einer natürlichen Radioaktivität von ungefähr 1,6 Billionen Becquerels führt. Der Bericht von Collins besagt, dass ein Gramm reines HF178M2 (Hafnium 178m2) ungefähr 1330 Megajoules enthält, was der Energie entspricht, die durch die Explosion von 300 Kilogramm von TNT -Sprengstoff freigesetzt wird. Der Bericht von Collins zeigt, dass die gesamte Energie in dieser Reaktion in Form von Röntgenstrahlen oder Gammastrahlen freigesetzt wird, die Energie mit extrem schneller Geschwindigkeit freisetzen, und HF178M2 (Hafnium 178m2) kann immer noch in extrem niedrigen Konzentrationen reagieren. [9] Das Pentagon hat Forschungsmittel bereitgestellt. In dem Experiment war das Signal-Rausch-Verhältnis sehr niedrig (mit signifikanten Fehlern), und seitdem, trotz mehrerer Experimente von Wissenschaftlern mehrerer Organisationen, einschließlich des US-Verteidigungsministeriums Advanced Projects Research Agency (DARPA), und Jason Defense, und Jason-Verteidigung. Strahlenemission zur Freigabe von Energie von HF178M2 (Hafnium 178m2) [15], aber andere Wissenschaftler haben theoretisch bewiesen, dass diese Reaktion nicht erreicht werden kann. [16] HF178M2 (Hafnium 178m2) wird in der akademischen Gemeinschaft allgemein angenommen, um keine Energiequelle zu sein
Anwendungsfeld:
Hafnium ist aufgrund seiner Fähigkeit, Elektronen zu emittieren, sehr nützlich, z. B. als Filament in Glühlampen verwendet. Wird als Kathode für Röntgenröhrchen verwendet, und Legierungen von Hafnium und Wolfram oder Molybdän werden als Elektroden für Hochspannungsröhrchen verwendet. Häufig in der Kathoden- und Wolfram-Draht-Herstellungsindustrie für Röntgenstrahlen verwendet. Reines Hafnium ist ein wichtiges Material in der Atomsenergieindustrie aufgrund ihrer Plastizität, der einfachen Verarbeitung, der hohen Temperaturbeständigkeit und ihrer Korrosionsbeständigkeit. Hafnium hat einen großen Querschnitt mit thermischer Neutroneneinfassung und ist ein idealer Neutronenabsorber, der als Kontrollstab und Schutzvorrichtung für Atomreaktoren verwendet werden kann. Hafniumpulver kann als Treibmittel für Raketen verwendet werden. Die Kathode von Röntgenröhren kann in der Elektroindustrie hergestellt werden. Die Hafnium-Legierung kann als Vorwärtsschutzschicht für Raketendüsen und Flucht-Wiedereintrittsflugzeuge dienen, während HF TA-Legierung zur Herstellung von Werkzeugstahl- und Widerstandsmaterialien verwendet werden kann. Hafnium wird als additives Element in hitzebeständigen Legierungen wie Wolfram, Molybdän und Tantal verwendet. HFC kann aufgrund seiner hohen Härte und seines Schmelzpunkts als Additiv für harte Legierungen verwendet werden. Der Schmelzpunkt von 4TACHFC beträgt ungefähr 4215 ℃ und ist damit die Verbindung mit dem höchsten bekannten Schmelzpunkt. Hafnium kann in vielen Inflationssystemen als Getter verwendet werden. Hafnium -Getter können unnötige Gase wie Sauerstoff und Stickstoff entfernen, die im System vorhanden sind. Hafnium wird häufig als Additiv in hydraulischem Öl verwendet, um die Verflüchtigung von Hydrauliköl während hoher Risikooperationen zu verhindern, und weist starke Anti-Volatilitäts-Eigenschaften auf. Daher wird es im Allgemeinen in industriellem Hydrauliköl verwendet. Medizinisches Hydrauliköl.
Das Hafnium -Element wird auch in den neuesten Intel 45 -Nanoprozessoren verwendet. Aufgrund der Herstellbarkeit von Siliziumdioxid (SIO2) und ihrer Fähigkeit, die Dicke zu verringern, um die Transistorleistung kontinuierlich zu verbessern, verwenden Prozessorhersteller Siliziumdioxid als Material für Gate -Dielektrika. Als Intel den 65 -Nanometer -Herstellungsprozess einführte, hatte es jedoch alle Anstrengungen unternommen, um die Dicke des Siliziumdioxid -Gate -Dielektrikums auf 1,2 Nanometer zu reduzieren, gleichwertig mit 5 Schichten von Atomen, die Schwierigkeit des Stromverbrauchs und der Wärmeabteilung zunehmen, wenn der Transistor auf die Größe eines Atoms, das zu einer anstrengenden Verschwendung und unnötiger Wärmeverschwendung reduziert wurde, zu einer anstrengenden und unnötigen Wärmeenergie reduziert wurde, die zu einem Atom, das zu einer Atom, die zu einem Atom, das zu einer Atom, die zu einer Atom, die zu einer Atom, die zu einer Atom -und unnötigen Wärmeverschwendung wurde, entsteht und zu einer zu ermittelten Strömungsverschwendung und der unnötigen Wärmeenergie reduziert wurde. Wenn die Strommaterialien weiterhin verwendet werden und die Dicke weiter verringert wird, wird die Leckage des Gate -Dielektrikums erheblich zunehmen, was die Transistor -Technologie an seine Grenzen senkt. Um dieses kritische Problem anzugehen, plant Intel die Verwendung dickerer Materialien mit hohem K -Material (Hafnium -basierte Materialien) als Gate -Dielektrika anstelle von Siliziumdioxid, das die Leckage erfolgreich um mehr als zehnmal reduziert hat. Im Vergleich zur vorherigen Generation der 65 -nm -Technologie erhöht der 45 -nm -Prozess von Intel die Transistordichte um fast zweimal, was eine Erhöhung der Gesamtzahl der Transistoren oder eine Verringerung des Prozessorvolumens ermöglicht. Darüber hinaus ist die für den Transistorschaltungs erforderliche Leistung niedriger, wodurch der Stromverbrauch um fast 30%gesenkt wird. Die internen Verbindungen bestehen aus Kupferdraht, gepaart mit niedrigem k dielektrisch
Mineralverteilung:
Hafnium hat eine höhere Krustenhäufigkeit als häufig verwendete Metalle wie Wismut, Cadmium und Quecksilber und entspricht dem Inhalt von Beryllium, Germanium und Uran. Alle Mineralien, die Zirkonium enthalten, enthalten Hafnium. Der in der Industrie verwendete Zirkon enthält 0,5-2% Hafnium. Der Beryllium -Zirkon (Alvite) im sekundären Zirkoniumerz kann bis zu 15% Hafnium enthalten. Es gibt auch eine Art metamorpher Zirkon, Cyrtolith, das über 5% HFO enthält. Die Reserven der beiden letztgenannten Mineralien sind klein und wurden in der Industrie noch nicht übernommen. Hafnium wird hauptsächlich während der Produktion von Zirkonium gewonnen.
Es existiert in den meisten Zirkoniumerzen. [18] [19] Weil es nur sehr wenig Inhalt in der Kruste gibt. Es koexistiert oft mit Zirkonium und hat kein separates Erz.
Vorbereitungsmethode:
1. Es kann durch Magnesiumreduktion von Hafniumtetrachlorid oder thermische Zersetzung von Hafniumiodid hergestellt werden. HFCL4 und K2HFF6 können auch als Rohstoffe verwendet werden. Der Prozess der elektrolytischen Produktion in NaCl KCL HFCL4 oder K2HFF6 -Schmelze ähnelt der der Elektrolytproduktion von Zirkonium.
2. Hafnium koexistiert mit Zirkonium, und es gibt keinen separaten Rohstoff für Hafnium. Das Rohstoff für die Herstellung von Hafnium ist Rohhafniumoxid, das während des Herstellung von Zirkonium -Herstellung getrennt ist. Extrahieren Sie Hafniumoxid mit Ionenaustauschharz und verwenden Sie dann das gleiche Verfahren wie Zirkonium, um Metallhafnium aus diesem Hafniumoxid herzustellen.
3. Es kann durch CO -Erhitzen von Hafniumtetrachlorid (HFCL4) mit Natrium durch Reduktion hergestellt werden.
Die frühesten Methoden zur Trennung von Zirkonium und Hafnium waren die fraktionierte Kristallisation von fluorierten komplexen Salzen und die fraktionierte Ausfällung von Phosphaten. Diese Methoden sind umständlich zu operieren und beschränken sich auf den Laborgebrauch. Neue Technologien zur Trennung von Zirkonium und Hafnium wie Fraktionierungdestillation, Lösungsmittelextraktion, Ionenaustausch und Fraktionierungadsorption sind nacheinander aufgetaucht, wobei die Lösungsmittelextraktion praktischer ist. Die beiden häufig verwendeten Trennsysteme sind das Thiocyanat -Cyclohexanon -System und das Tributylphosphat -Salpetersäuresystem. Die von den obigen Methoden erhaltenen Produkte sind alle Hafniumhydroxid, und reine Hafniumoxid können durch Kalzinierung erhalten werden. Hochreines Hafnium kann durch Ionenaustauschmethode erhalten werden.
In der Industrie umfasst die Produktion von Metal Hafnium häufig sowohl den Krollprozess als auch den Debor Aker -Prozess. Der Krollprozess beinhaltet die Reduktion von Hafnium -Tetrachlorid unter Verwendung von metallischem Magnesium:
2mg+hfcl4- → 2mgcl2+hf
Die Debor -Aker -Methode, auch als Iodisierungsmethode bekannt, wird verwendet, um Schwamm wie Hafnium zu reinigen und formbare Metallhafnium zu erhalten.
5. Das Schmelzen von Hafnium ist im Grunde das gleiche wie das von Zirkonium:
Der erste Schritt ist die Zersetzung des Erzes, bei dem drei Methoden beinhalten: Chlorierung von Zirkon, um (zr, hf) cl zu erhalten. Alkali -Schmelzen von Zirkon. Der Zirkon schmilzt mit NaOH bei rund 600 und über 90% von (Zr, HF) O verwandelt sich in na (zr, hf) o, wobei Sio zur Entfernung in Nasio verwandelt wird, das in Wasser gelöst ist. Na (zr, hf) o kann als ursprüngliche Lösung zur Trennung von Zirkonium und Hafnium verwendet werden, nachdem er in HNO gelöst wurde. Das Vorhandensein von SiO -Kolloiden erschwert jedoch die Trennung der Lösungsmittelextraktion. Sintern mit KSIF und in Wasser einweichen, um K (Zr, HF) F -Lösung zu erhalten. Die Lösung kann Zirkonium und Hafnium durch fraktionelle Kristallisation trennen;
Der zweite Schritt ist die Trennung von Zirkonium und Hafnium, die mithilfe von Lösungsmittelextraktions-Trennungsmethoden unter Verwendung von Hydrochlorsäure-MIBK-System (Methyl-Isobutylketon) und HNO-TBP (Tributylphosphat) -System erreicht werden kann. Die Technologie der mehrstufigen Fraktionierung unter Verwendung des Dampfdrucks zwischen HFCL- und ZRCL-Schmelzen unter hohem Druck (über 20 Atmosphären) wurde seit langem untersucht, wodurch der sekundäre Chlorierungsprozess einsparen und die Kosten senken können. Aufgrund des Korrosionsproblems von (ZR, HF) CL und HCl ist es jedoch nicht einfach, geeignete Materialsäulen zu finden, und reduziert auch die Qualität von ZRCL und HFCL, wodurch die Reinigungskosten erhöht werden. In den 1970er Jahren befand es sich immer noch in der Zwischenstufe für die Intermediate -Pflanze;
Der dritte Schritt ist die sekundäre Chlorierung von HFO, um rohe HFCL zur Reduzierung zu erhalten.
Der vierte Schritt ist die Reinigung der HFCL- und Magnesiumreduktion. Dieser Prozess entspricht der Reinigung und Reduzierung von ZRCL, und das resultierende semi-feindliche Produkt ist grobes Schwamm Hafnium;
Der fünfte Schritt besteht darin, das Destill -Rohschwamm Hafnium zu vakuumieren, um MGCL zu entfernen und überschüssiges Metallmagnesium wiederzugewinnen, was zu einem fertigen Produkt aus Schwamm -Metall -Hafnium führt. Wenn das Reduktionsmittel Natrium anstelle von Magnesium verwendet, sollte der fünfte Schritt in das Wassereintauchen geändert werden
Speichermethode:
In einem kühlen und belüfteten Lagerhaus aufbewahren. Halten Sie sich von Funken und Wärmequellen fern. Es sollte getrennt von Oxidationsmitteln, Säuren, Halogenen usw. gelagert werden und vermeiden Sie die Lagerung. Verwendung explosionssicherer Beleuchtungs- und Lüftungsanlagen. Verbot die Verwendung mechanischer Geräte und Werkzeuge, die anfällig für Funken sind. Der Lagerbereich sollte mit geeigneten Materialien ausgestattet sein, um Lecks zu enthalten.
Postzeit: Sep-25-2023