Hafnium, Metala HF, atomnumero 72, atoma pezo 178.49, estas brila arĝenta griza transira metalo.
Hafnium havas ses nature stabilajn izotopojn: Hafnium 174, 176, 177, 178, 179 kaj 180. Hafnium ne reagas kun diluita hidroklorida acido, diluita sulfura acido, kaj fortaj alkalaj solvoj, sed estas solveblaj en hidrofluora acido kaj akva regia. La elementa nomo venas de la latina nomo de Kopenhaga Urbo.
En 1925, sveda kemiisto Hervey kaj nederlanda fizikisto Koster akiris puran hafnian salon per frakcia kristaliĝo de fluoritaj kompleksaj saloj, kaj reduktis ĝin per metala natrio por akiri puran metalan hafnion. Hafnium enhavas 0.00045% de la tero -ŝelo kaj ofte asocias kun zirkonio en la naturo.
Produkta Nomo: Hafnium
Elementa simbolo: HF
Atoma pezo: 178.49
Elementa Tipo: Metala Elemento
Fizikaj Propraĵoj:
Hafniumestas arĝenta griza metalo kun metala brilo; Ekzistas du variantoj de metala hafnium: α hafnium estas sesangula proksime plenplena varianto (1750 ℃) kun pli alta transforma temperaturo ol zirkonio. Metalo Hafnium havas alotropajn variantojn ĉe altaj temperaturoj. Metala hafnium havas altan neŭtronan absorban sekcion kaj povas esti uzata kiel kontrolmaterialo por reaktoroj.
Ekzistas du specoj de kristalaj strukturoj: sesangula densa enpakado ĉe temperaturoj sub 1300 ℃ （α- ekvacio); Ĉe temperaturoj super 1300 ℃, ĝi estas korpa centrita kuba （β- ekvacio). Metalo kun plastikeco, kiu malmoliĝas kaj fariĝas fragila en ĉeesto de malpuraĵoj. Stabila en la aero, nur malheliĝas sur la surfaco kiam bruligita. La filamentoj povas esti ŝaltitaj per la flamo de matĉo. Nemoveblaĵoj similaj al zirkonio. Ĝi ne reagas kun akvo, diluaj acidoj aŭ fortaj bazoj, sed facile solveblas en akva regio kaj hidrofluora acido. Ĉefe en komponaĵoj kun A+4 -valenco. Hafnium -alojo (TA4HFC5) estas konata havi la plej altan fandpunkton (proksimume 4215 ℃).
Kristala Strukturo: La kristala ĉelo estas sesangula
CAS-numero: 7440-58-6
Fandpunkto: 2227 ℃
Bolanta punkto: 4602 ℃
Kemiaj proprietoj:
La kemiaj proprietoj de hafnium estas tre similaj al tiuj de zirkonio, kaj ĝi havas bonan korodan reziston kaj ne facile korodas per akvaj solvoj de ĝenerala acido alkali; Facile solvebla en hidrofluora acido por formi fluorinajn kompleksojn. Ĉe altaj temperaturoj, Hafnium ankaŭ povas rekte kombini kun gasoj kiel oksigeno kaj nitrogeno por formi oksidojn kaj nitridojn.
Hafnium ofte havas+4 valencon en komponaĵoj. La ĉefa komponaĵo estasHafnium -rustoHFO2. Estas tri malsamaj variantoj de Hafnium -rusto:Hafnium -rustoAkirita per kontinua kalcinado de hafnia sulfato kaj klorida rusto estas monoklinika varianto; La hafnia rusto akirita per hejtado de la hidroksido de hafnium je ĉirkaŭ 400 ℃ estas tetragona varianto; Se kalcinita super 1000 ℃, kuba varianto povas esti akirita. Alia komponaĵo estashafnium tetraklorido, kiu estas la kruda materialo por prepari metalan hafnion kaj povas esti preparita per reagado de klora gaso sur miksaĵo de hafnia rusto kaj karbono. Hafnium -tetraklorido venas en kontakton kun akvo kaj tuj hidrolizas en tre stabila HFO (4H2O) 2+jonoj. HFO2+jonoj ekzistas en multaj komponaĵoj de hafnium, kaj povas kristaliĝi nadlo -forma hidratita hafnia oksiklorido HFOCL2 · 8H2O -kristaloj en hidroklorida acida acidigita hafnia tetraklorida solvo.
4-Valenta Hafnium ankaŭ estas inklina al formi kompleksojn kun fluorido, konsistanta el K2HFF6, K3HFF7, (NH4) 2HFF6, kaj (NH4) 3HFF7. Ĉi tiuj kompleksoj estis uzataj por la disiĝo de zirkonio kaj hafnium.
Oftaj komponaĵoj:
Hafnium -dioksido: nomo Hafnium -dioksido; Hafnium -dioksido; Molekula formulo: HFO2 [4]; Nemoveblaĵo: Blanka pulvoro kun tri kristalaj strukturoj: Monoklinika, tetragona kaj kuba. La densecoj estas 10.3, 10.1, kaj 10.43g/cm3 respektive. Fandpunkto 2780-2920K. Bolanta punkto 5400k. Termika ekspansia koeficiento 5,8 × 10-6/℃. Nesolvebla en akvo, hidroklorika acido kaj nitrica acido, sed solvebla en koncentrita sulfura acido kaj hidrofluora acido. Produktita per termika malkomponaĵo aŭ hidrolizo de komponaĵoj kiel hafnia sulfato kaj hafnia oksiklorido. Krudmaterialoj por produktado de metalaj hafniaj kaj hafniaj alojoj. Uzita kiel refraktaj materialoj, kontraŭ -radioaktivaj tegaĵoj kaj kataliziloj. [5] Atoma energia nivelo HFO estas produkto akirita samtempe kiam oni fabrikas atoman energian nivelon zro. Komencante de malĉefa klorinado, la procezoj de purigado, redukto kaj vakua distilado estas preskaŭ identaj al tiuj de zirkonio.
Hafnium tetraklorido: Hafnium (IV) klorido, hafnia tetraklorida molekula formulo HFCL4 -molekula pezo 320.30 Karaktero: blanka kristala bloko. Sentema al humideco. Solvebla en acetono kaj metanolo. Hidrolizo en akvo por produkti oksikloridon hafnium (HFOCL2). Varmigu ĝis 250 ℃ kaj forvaporiĝu. Iritiga al okuloj, spira sistemo kaj haŭto.
Hidroksido de Hafnium: Hidroksido de Hafnium (H4HFO4), kutime ĉeestanta kiel hidratita rusto HFO2 · NH2O, estas nesolvebla en akvo, facile solvebla en neorganikaj acidoj, nesolvebla en amoniako, kaj malofte solvebla en natria hidroksido. Varmigu ĝis 100 ℃ por generi Hafnium -hidroksidon HFO (OH) 2. Blanka Hafnium -hidroksida precipitaĵo povas esti akirita per reagado de Hafnium (IV) salo kun amonia akvo. Ĝi povas esti uzata por produkti aliajn Hafnium -komponaĵojn.
Esplora Historio
Malkovra Historio:
En 1923, sveda kemiisto Hervey kaj nederlanda fizikisto D. Koster malkovris Hafnium en zirkon produktita en Norvegio kaj Gronlando, kaj nomis ĝin Hafnium, kiu originis de la latina nomo Hafnia de Kopenhago. En 1925, Hervey kaj Coster disigis zirkonio kaj titanio uzante la metodon de frakcia kristaliĝo de fluoritaj kompleksaj saloj por akiri purajn hafniajn salojn; Kaj reduktu hafnian salon kun metala natrio por akiri puran metalan hafnion. Hervey preparis specimenon de pluraj miligramoj da pura hafnio.
Kemiaj Eksperimentoj pri Zirkonio kaj Hafnium:
En eksperimento farita de profesoro Carl Collins ĉe la Universitato de Teksaso en 1998, oni asertis, ke Gamma irradia hafnium 178m2 (la izomero Hafnium-178m2 [7]) povas liberigi enorman energion, kio estas kvin ordoj de reago pli alta ol kemiaj reagoj, sed tri ordoj de mankon malpli ol nuklea. [8] HF178M2 (Hafnium 178m2) havas la plej longan vivdaŭron inter similaj longvivaj izotopoj: HF178M2 (Hafnium 178m2) havas duonvivon de 31 jaroj, rezultigante naturan radioaktivecon de proksimume 1,6 trilionoj da becquerels. La raporto de Collins deklaras, ke unu gramo de pura HF178M2 (Hafnium 178m2) enhavas proksimume 1330 megajoules, kio samvaloras al la energio liberigita de la eksplodo de 300 kilogramoj da TNT -eksplodaĵoj. La raporto de Collins indikas, ke ĉiu energio en ĉi tiu reago estas liberigita en la formo de X-radioj aŭ gama-radioj, kiuj liberigas energion je ekstreme rapida rapideco, kaj HF178M2 (Hafnium 178m2) ankoraŭ povas reagi ĉe ekstreme malaltaj koncentriĝoj. [9] La Pentagono asignis financojn por esplorado. La eksperimento, la signalo-brua proporcio estis tre malalta (kun signifaj eraroj), kaj de tiam, malgraŭ multnombraj eksperimentoj de sciencistoj de multnombraj organizoj inkluzive Liberigu energion de HF178M2 (Hafnium 178m2) [15], sed aliaj sciencistoj teorie pruvis, ke ĉi tiu reago ne povas esti atingita. [16] HF178M2 (Hafnium 178m2) estas vaste kredata al la akademia komunumo ne esti fonto de energio
Aplika kampo:
Hafnium estas tre utila pro sia kapablo elsendi elektronojn, kiel ekzemple kiel uzata kiel filamento en inkandeskaj lampoj. Uzita kiel la katodo por radiografiaj tuboj, kaj alojoj de hafnium kaj tungsteno aŭ molibdeno estas uzataj kiel elektrodoj por alttensiaj elfluaj tuboj. Ofte uzata en la katodo kaj tungstena fabrikada industrio por X-radioj. Pura Hafnium estas grava materialo en la atoma energia industrio pro ĝia plastikeco, facila prilaborado, alta temperaturo -rezisto kaj koroda rezisto. Hafnium havas grandan termikan neŭtronan kaptan sekcion kaj estas ideala neŭtrona sorbilo, kiu povas esti uzata kiel kontrol-vergo kaj protekta aparato por atomaj reaktoroj. Hafnium -pulvoro povas esti uzata kiel propulsilo por raketoj. La katodo de X-radiaj tuboj povas esti fabrikita en la elektra industrio. Hafnium-alojo povas servi kiel antaŭen protekta tavolo por raketaj cigaredingoj kaj glitaj re-eniraj aviadiloj, dum HF TA-alojo povas esti uzata por fabriki ilojn ŝtalajn kaj rezistajn materialojn. Hafnium estas uzata kiel aldona elemento en varm-rezistemaj alojoj, kiel tungsteno, molibdeno kaj tantalo. HFC povas esti uzata kiel aldonaĵo por malmolaj alojoj pro ĝia alta malmoleco kaj fandado. La fandopunkto de 4TACHFC estas proksimume 4215 ℃, igante ĝin la komponaĵo kun la plej konata fandpunkto. Hafnium povas esti uzata kiel getter en multaj inflaciaj sistemoj. Hafnium -getoj povas forigi nenecesajn gasojn kiel oksigeno kaj nitrogeno ĉeestantaj en la sistemo. Hafnium estas ofte uzata kiel aldonaĵo en hidraŭlika oleo por malebligi la volatilizadon de hidraŭlika oleo dum operacioj de alta risko, kaj havas fortajn kontraŭ-volatilajn proprietojn. Tial ĝi estas ĝenerale uzata en industria hidraŭlika oleo. Medicina hidraŭlika oleo.
Hafnium -elemento ankaŭ estas uzata en la plej novaj Nanoprocesoroj Intel 45. Pro la fabrikado de silicia dioksido (SiO2) kaj ĝia kapablo redukti dikecon por kontinue plibonigi transistoron, procesoraj fabrikantoj uzas silikan dioksidon kiel la materialon por pordaj dielektrikoj. Kiam Intel enkondukis la 65 -nanometran fabrikadprocezon, kvankam ĝi klopodis redukti la dikecon de la dielektra silicia dioksido al 1,2 nanometroj, ekvivalenta al 5 tavoloj de atomoj, la malfacileco de energikonsumo kaj varmo -disipado ankaŭ pliiĝus kiam la transisisto reduktiĝis al la grandeco de ATOM, kaŭzado de la transiro. Sekve, se aktualaj materialoj daŭre estas uzataj kaj la dikeco plue reduktiĝas, la fugaĵo de la pordega dielektriko signife pliiĝos, faligante transistor -teknologion al ĝiaj limoj. Por trakti ĉi tiun kritikan aferon, Intel planas uzi pli dikajn altajn K -materialojn (Hafnium -bazitaj materialoj) kiel pordajn dielektrikojn anstataŭ silicia dioksido, kiu sukcese reduktis filtradon pli ol 10 fojojn. Kompare kun la antaŭa generacio de 65nm -teknologio, la 45nm -procezo de Intel pliigas transistor -densecon preskaŭ dufoje, ebligante pliigon de la tuta nombro de transistoroj aŭ redukto de procesora volumo. Krome, la potenco bezonata por transistora ŝaltado estas pli malalta, reduktante konsumadon de potenco je preskaŭ 30%. La internaj ligoj estas faritaj el kupra drato parigita kun malalta K dielektra, glate plibonigante efikecon kaj reduktante konsumadon de elektro, kaj la ŝaltila rapideco estas ĉirkaŭ 20% pli rapida
Minerala distribuo:
Hafnium havas pli altan krustan abundon ol ofte uzataj metaloj kiel bismuto, kadmio kaj hidrargo, kaj estas ekvivalenta en enhavo al berilio, germanio kaj uranio. Ĉiuj mineraloj enhavantaj zirkonio enhavas hafnion. Zirkon uzata en industrio enhavas 0,5-2% hafnion. La zirkono de berilio (alvito) en malĉefa zirkonio povas enhavi ĝis 15% hafnion. Ekzistas ankaŭ speco de metamorfa zirkon, cyrtolite, kiu enhavas pli ol 5% HFO. La rezervoj de ĉi -lastaj du mineraloj estas malgrandaj kaj ankoraŭ ne estis adoptitaj en industrio. Hafnium estas ĉefe reakirita dum la produktado de zirkonio.
Ĝi ekzistas en plej multaj zirkonaj ercoj. [18] [19] Ĉar estas tre malmulta enhavo en la ŝelo. Ĝi ofte kunvivas kun zirkonio kaj ne havas apartan ercon.
Prepara Metodo:
1. Ĝi povas esti preparita per magnezio -redukto de hafnia tetraklorido aŭ termika malkomponaĵo de hafnia jodo. HFCL4 kaj K2HFF6 ankaŭ povas esti uzataj kiel krudaj materialoj. La procezo de elektrolita produktado en NaCl KCl HFCL4 aŭ K2HFF6 -fandado estas simila al tiu de elektrolita produktado de zirkonio.
2. Hafnium kunvivas kun zirkonio, kaj ne ekzistas aparta kruda materialo por hafnium. La kruda materialo por fabrikado de hafnium estas kruda hafnia rusto apartigita dum la procezo de fabrikado de zirkonio. Eltiru hafnian oksidon uzante jonan interŝanĝan rezinon, kaj tiam uzu la saman metodon kiel zirkonio por prepari metalan hafnion el ĉi tiu hafnia rusto.
3. Ĝi povas esti preparita per CO -hejtado de hafnium -tetraklorido (HFCL4) kun natrio per redukto.
La plej fruaj metodoj por disigi zirkonio kaj hafnium estis frakcia kristaliĝo de fluoritaj kompleksaj saloj kaj frakcia precipitaĵo de fosfatoj. Ĉi tiuj metodoj estas malfacilaj por funkcii kaj estas limigitaj al laboratoria uzo. Novaj teknologioj por disigi zirkonion kaj hafnion, kiel frakcia distilado, solva eltiro, jona interŝanĝo kaj frakcia adsorbado, aperis unu post la alia, kun solva eltiro pli praktika. La du ofte uzataj apartigaj sistemoj estas la tiocianato ciclohexanona sistemo kaj la tributil -fosfata nitria acida sistemo. La produktoj akiritaj per ĉi -supraj metodoj estas ĉiuj hafnia hidroksido, kaj pura hafnia rusto povas esti akirita per kalcinado. Alta pureco hafnium povas esti akirita per jona interŝanĝa metodo.
En industrio, la produktado de metala hafnium ofte implikas kaj la procezon de Kroll kaj la debor -aker -procezo. La procezo Kroll implikas la redukton de hafnia tetraklorido uzante metalan magnezion:
2mg+hfcl4- → 2mgcl2+hf
La debor aker -metodo, ankaŭ konata kiel la iodiga metodo, estas uzata por purigi spongon kiel hafnium kaj akiri maleblan metalan hafnion.
5. La fandado de hafnium estas esence la sama kiel tiu de zirkonio:
La unua paŝo estas la malkomponaĵo de la erco, kiu implikas tri metodojn: klorinado de zirkon por akiri (Zr, HF) Cl. Alkala fandado de cirkono. Zircon fandiĝas kun NaOH ĉirkaŭ 600, kaj pli ol 90% de (Zr, HF) O transformiĝas en Na (Zr, HF) O, kun SIO transformita en Nasio, kiu dissolviĝas en akvo por forigo. Na (Zr, HF) O povas esti uzata kiel la originala solvo por disigi zirkonion kaj hafnion post esti dissolvita en HNO. Tamen, la ĉeesto de SiO -koloidoj malfaciligas solventan eltiran apartigon. Sinter kun KSIF kaj trempu en akvo por akiri K (Zr, HF) F -solvon. La solvo povas apartigi zirkonion kaj hafnion per frakcia kristaliĝo;
La dua paŝo estas la apartigo de zirkonio kaj hafnium, kiu povas esti atingita per solvaj eltiraj apartigaj metodoj per hidroklorika acida MIBK (metil-izobutila cetono) sistemo kaj HNO-TBP (tributil-fosfato) sistemo. La teknologio de mult-stadia frakcio uzanta la diferencon en vapora premo inter HFCL kaj ZRCL fandiĝas sub alta premo (super 20 atmosferoj) estis delonge studita, kio povas ŝpari la malĉefan klorigan procezon kaj redukti kostojn. Tamen pro la koroda problemo de (Zr, HF) Cl kaj HCl, ne estas facile trovi taŭgajn frakciajn kolumnajn materialojn, kaj ĝi ankaŭ reduktos la kvaliton de ZRCL kaj HFCL, pliigante purigajn kostojn. En la 1970 -aj jaroj, ĝi ankoraŭ estis en la meza planto -testadsceno;
La tria paŝo estas la malĉefa klorinado de HFO por akiri krudan HFCL por redukto;
La kvara paŝo estas la purigo de HFCL kaj magnezio -redukto. Ĉi tiu procezo estas la sama kiel la purigado kaj redukto de ZrCl, kaj la rezulta duonfinita produkto estas kruda spongo;
La kvina paŝo estas malplenigi distili krudan spongon hafnium por forigi MGCL kaj reakiri troan metalan magnezion, rezultigante finitan produkton de sponga metala hafnium. Se la reduktanta agento uzas natrio anstataŭ magnezio, la kvina paŝo devas esti ŝanĝita al akva mergado
Stokada metodo:
Konservu en malvarmeta kaj ventolita magazeno. Konservu for de fajreroj kaj varmofontoj. Ĝi estu stokita aparte de oksidantoj, acidoj, halogenoj, ktp, kaj evitu miksi stokadon. Uzante eksplodajn lumigajn kaj ventolajn instalaĵojn. Malpermesu uzon de mekanikaj ekipaĵoj kaj iloj inklinaj al fajreroj. La stokejo devas esti ekipita per taŭgaj materialoj por enhavi filtraĵojn.
Afiŝotempo: Sep-25-2023