Hafnio, Metal HF, número atómico 72, peso atómico 178.49, es un metal de transición gris plateado brillante.
Hafnium tiene seis isótopos naturalmente estables: Hafnium 174, 176, 177, 178, 179 y 180. Hafnium no reacciona con ácido clorhídrico diluido, ácido sulfúrico diluido y soluciones alcalinas fuertes, pero es soluble en ácido hidrofluorico y aqua regia. El nombre del elemento proviene del nombre latino de Copenhagen City.
En 1925, el químico sueco Hervey y el físico holandés Koster obtuvieron la sal del hafnio puro mediante cristalización fraccional de sales complejas fluoradas, y la redujeron con sodio metálico para obtener hafnio de metal puro. Hafnium contiene 0.00045% de la corteza terrestre y a menudo se asocia con circonio en la naturaleza.
Nombre del producto: Hafnium
Símbolo del elemento: HF
Peso atómico: 178.49
Tipo de elemento: elemento metálico
Propiedades físicas:
Hafnioes un metal gris plateado con un brillo metálico; Hay dos variantes de Hafnium metálico: α Hafnium es una variante hexagonal estrechamente empaquetada (1750 ℃) con una temperatura de transformación más alta que el circonio. Hafnium de metal tiene variantes de altozo a altas temperaturas. El hafnio metálico tiene una alta sección transversal de absorción de neutrones y puede usarse como material de control para los reactores.
Hay dos tipos de estructuras cristalinas: empaquetado denso hexagonal a temperaturas inferiores a 1300 ℃（ α-ecuación); A temperaturas superiores a 1300 ℃, es la ecuación （β cúbica centrada en el cuerpo). Un metal con plasticidad que se endurece y se vuelve frágil en presencia de impurezas. Estable en el aire, solo se oscurece en la superficie cuando se quema. Los filamentos pueden ser encendidos por la llama de un partido. Propiedades similares al circonio. No reacciona con agua, ácidos diluidos o bases fuertes, sino que es fácilmente soluble en Aqua Regia y ácido hidrofluorico. Principalmente en compuestos con una valencia+4. Se sabe que la aleación de Hafnium (TA4HFC5) tiene el punto de fusión más alto (aproximadamente 4215 ℃).
Estructura cristalina: la célula cristalina es hexagonal
Número de CAS: 7440-58-6
Punto de fusión: 2227 ℃
Punto de ebullición: 4602 ℃
Propiedades químicas:
Las propiedades químicas del hafnio son muy similares a las del circonio, y tiene una buena resistencia a la corrosión y no se corroe fácilmente por soluciones acuosas ácidas ácidos generales; Fácilmente soluble en ácido hidrofluorico para formar complejos fluorados. A altas temperaturas, el hafnio también puede combinarse directamente con gases como el oxígeno y el nitrógeno para formar óxidos y nitruros.
Hafnium a menudo tiene una valencia+4 en los compuestos. El complejo principal esóxido de hafnioHFO2. Hay tres variantes diferentes de óxido de hafnio:óxido de hafnioobtenido por calcinación continua de sulfato de hafnio y óxido de cloruro es una variante monoclínica; El óxido de hafnio obtenido calentando el hidróxido de Hafnium en alrededor de 400 ℃ es una variante tetragonal; Si se calcula por encima de 1000 ℃, se puede obtener una variante cúbica. Otro compuesto estetracloruro de Hafnium, que es la materia prima para preparar el hafnio metálico y se puede preparar reaccionando al gas de cloro en una mezcla de óxido de hafnio y carbono. El tetracloruro de Hafnium entra en contacto con el agua e se hidroliza inmediatamente en iones HFO altamente estables (4H2O) 2+. Existen iones HFO2+en muchos compuestos de Hafnium, y pueden cristalizar cristales de oxicloruro de hafnium hidratados en forma de aguja en la solución de tetracloruro de hafnio acidificados con ácido clorhídrico en la solución de tetracloruro de hafnio acidificada.
El hafnio 4 valente también es propenso a formar complejos con fluoruro, que consiste en K2HFF6, K3HFF7, (NH4) 2HFF6 y (NH4) 3HFF7. Estos complejos se han utilizado para la separación del circonio y el hafnio.
Compuestos comunes:
Dióxido de Hafnium: nombre de dióxido de Hafnium; Dióxido de hafnio; Fórmula molecular: HFO2 [4]; Propiedad: polvo blanco con tres estructuras de cristal: monoclínica, tetragonal y cúbica. Las densidades son 10.3, 10.1 y 10.43g/cm3, respectivamente. Punto de fusión 2780-2920K. Punto de ebullición 5400K. Coeficiente de expansión térmica 5.8 × 10-6/℃. Insoluble en agua, ácido clorhídrico y ácido nítrico, pero soluble en ácido sulfúrico concentrado y ácido hidrofluorico. Producido por descomposición térmica o hidrólisis de compuestos como el sulfato de hafnio y el oxicloruro de hafnio. Materias primas para la producción de aleaciones de hafnio metálico y hafnio. Utilizado como materiales refractarios, recubrimientos antiromioactivos y catalizadores. [5] El nivel de energía atómica HFO es un producto obtenido simultáneamente cuando fabrica el nivel de energía atómica ZRO. A partir de la cloración secundaria, los procesos de purificación, reducción y destilación al vacío son casi idénticos a los del circonio.
Tetracloruro de Hafnium: Hafnium (IV) Cloruro, Tetracloruro de Hafnium Fórmula molecular HFCL4 Peso molecular 320.30 Carácter: bloqueo cristalino blanco. Sensible a la humedad. Soluble en acetona y metanol. Hidrolizar en agua para producir oxicloruro de Hafnium (HFOCL2). Calentar a 250 ℃ y evaporar. Irritante para los ojos, el sistema respiratorio y la piel.
Hidróxido de hafnio: el hidróxido de hafnio (H4HFO4), generalmente presente como un óxido hidratado HFO2 · NH2O, es insoluble en agua, fácilmente soluble en ácidos inorgánicos, insoluble en amoníaco y raramente soluble en el hidroxuro de sodio. Calor a 100 ℃ para generar hidróxido de hafnio HFO (OH) 2. El precipitado blanco de hidróxido de hafnio se puede obtener reaccionando sal (IV) sal con agua de amoníaco. Se puede usar para producir otros compuestos de hafnium.
Historia de investigación
Historia del descubrimiento:
En 1923, el químico sueco Hervey y el físico holandés D. Koster descubrieron Hafnium en circón producido en Noruega y Groenlandia, y lo llamaron Hafnium, que se originó en el nombre latino Hafnia de Copenhague. En 1925, Hervey y Coster separaron el circonio y el titanio utilizando el método de cristalización fraccional de sales complejas fluoradas para obtener sales de hafnio puro; Y reducir la sal del hafnium con sodio metálico para obtener hafnio metálico puro. Hervey preparó una muestra de varios miligramos de hafnio puro.
Experimentos químicos en circonio y hafnio:
En un experimento realizado por el profesor Carl Collins en la Universidad de Texas en 1998, se afirmó que el gamma irradiado Hafnium 178M2 (el Isomer Hafnium-178M2 [7]) puede liberar enormes energía, que es cinco órdenes de magnitud más altas que las reacciones químicas pero tres órdenes de magnitud más bajos que las reacciones nucleares. [8] HF178M2 (Hafnium 178M2) tiene la vida útil más larga entre isótopos similares de larga vida: HF178M2 (Hafnium 178M2) tiene una vida media de 31 años, lo que resulta en una radiactividad natural de aproximadamente 1.6 trillones de bifricerels. El informe de Collins establece que un gramo de HF178M2 puro (Hafnium 178m2) contiene aproximadamente 1330 megajulios, que es equivalente a la energía liberada por la explosión de 300 kilogramos de explosivos TNT. El informe de Collins indica que toda la energía en esta reacción se libera en forma de rayos X o rayos gamma, que liberan energía a una velocidad extremadamente rápida, y HF178M2 (Hafnium 178m2) aún puede reaccionar a concentraciones extremadamente bajas. [9] El Pentágono ha asignado fondos para la investigación. En el experimento, la relación señal / ruido fue muy baja (con errores significativos), y desde entonces, a pesar de los múltiples experimentos de científicos de múltiples organizaciones, incluida la Agencia de Investigación de Proyectos Avanzados de Defensa de los Estados Unidos (DARPA) y Jason Defense Group [13]. La emisión de rayos para liberar energía de HF178M2 (Hafnium 178M2) [15], pero otros científicos han demostrado teóricamente que esta reacción no se puede lograr. [16] HF178M2 (Hafnium 178m2) se cree ampliamente en la comunidad académica que no es una fuente de energía
Campo de aplicación:
Hafnium es muy útil debido a su capacidad para emitir electrones, como como se usa como filamento en lámparas incandescentes. Utilizado como cátodo para tubos de rayos X, y las aleaciones de hafnio y tungsteno o molibdeno se usan como electrodos para tubos de descarga de alto voltaje. Comúnmente utilizado en la industria de fabricación de cables de cátodo y tungsteno para radiografías. El hafnio puro es un material importante en la industria de la energía atómica debido a su plasticidad, fácil procesamiento, alta resistencia a la temperatura y resistencia a la corrosión. Hafnium tiene una gran sección transversal de captura de neutrones térmicos y es un absorbedor ideal de neutrones, que puede usarse como una varilla de control y un dispositivo protector para reactores atómicos. El polvo de Hafnium se puede usar como propulsor para cohetes. El cátodo de los tubos de rayos X se puede fabricar en la industria eléctrica. La aleación de Hafnium puede servir como la capa protectora delantera para las boquillas de cohetes y los aviones de reingreso de deslizamiento, mientras que la aleación de TA HF se puede utilizar para fabricar materiales de acero y resistencia de herramientas. Hafnium se usa como un elemento aditivo en aleaciones resistentes al calor, como tungsteno, molibdeno y tantalio. HFC se puede usar como aditivo para aleaciones duras debido a su alta dureza y punto de fusión. El punto de fusión de 4TachFC es de aproximadamente 4215 ℃, lo que lo convierte en el compuesto con el punto de fusión más alto conocido. Hafnium se puede utilizar como obteniendo en muchos sistemas de inflación. Los getteros de Hafnium pueden eliminar gases innecesarios como el oxígeno y el nitrógeno presentes en el sistema. El hafnium a menudo se usa como aditivo en el aceite hidráulico para evitar la volatilización del aceite hidráulico durante las operaciones de alto riesgo, y tiene fuertes propiedades de anti volatilidad. Por lo tanto, generalmente se usa en aceite hidráulico industrial. Aceite hidráulico médico.
El elemento Hafnium también se usa en los últimos nanoprocesadores Intel 45. Debido a la capacidad de fabricación del dióxido de silicio (SIO2) y su capacidad para reducir el grosor para mejorar continuamente el rendimiento del transistor, los fabricantes de procesadores utilizan dióxido de silicio como material para los dieléctricos de la puerta. Cuando Intel introdujo el proceso de fabricación de 65 nanométricos, aunque había hecho todo lo posible para reducir el grosor del dieléctrico de puerta de dióxido de silicio a 1.2 nanómetros, equivalente a 5 capas de átomos, la dificultad de consumo de energía y energía térmica también aumentaría cuando el transistor se redujo al tamaño de un átomo, lo que resultó en el desperdicio actual y la energía de calor sinnecisario. Por lo tanto, si se continúan utilizando materiales actuales y el grosor se reduce aún más, la fuga del dieléctrico de la puerta aumentará significativamente, reduciendo la tecnología de los transistores a sus límites. Para abordar este problema crítico, Intel planea utilizar materiales más gruesos de K (materiales basados en el hafnio) como dieléctricos de puerta en lugar del dióxido de silicio, que ha reducido con éxito las fugas en más de 10 veces. En comparación con la generación anterior de tecnología de 65 nm, el proceso de 45 Nm de Intel aumenta la densidad del transistor en casi dos veces, lo que permite un aumento en el número total de transistores o una reducción en el volumen del procesador. Además, la potencia requerida para la conmutación de transistores es menor, reduciendo el consumo de energía en casi un 30%. Las conexiones internas están hechas de alambre de cobre emparejado con dieléctrico K bajo, mejorando suavemente la eficiencia y la reducción del consumo de energía, y la velocidad de conmutación es aproximadamente un 20% más rápida
Distribución mineral:
Hafnium tiene una mayor abundancia de la corteza que los metales comúnmente utilizados como el bismuto, el cadmio y el mercurio, y es equivalente en contenido a berilio, germanio y uranio. Todos los minerales que contienen circonio contienen Hafnium. El circón utilizado en la industria contiene 0.5-2% Hafnium. El circón berilio (Alvite) en el mineral de circonio secundario puede contener hasta 15% de Hafnium. También hay un tipo de circón metamórfico, Cyrtolite, que contiene más del 5% de HFO. Las reservas de los dos últimos minerales son pequeñas y aún no se han adoptado en la industria. Hafnium se recupera principalmente durante la producción de circonio.
Existe en la mayoría de los minerales de circonio. [18] [19] Porque hay muy poco contenido en la corteza. A menudo coexiste con circonio y no tiene mineral separado.
Método de preparación:
1. Se puede preparar mediante la reducción de magnesio del tetracloruro de hafnio o la descomposición térmica del yoduro de hafnio. HFCL4 y K2HFF6 también se pueden usar como materias primas. El proceso de producción electrolítica en NaCl KCl HFCL4 o K2HFF6 Melt es similar al de la producción electrolítica de circonio.
2. Hafnium coexiste con circonio, y no hay materia prima separada para Hafnium. La materia prima para la fabricación del hafnio es el óxido de hafnio crudo separado durante el proceso de fabricación de circonio. Extraiga óxido de hafnio usando resina de intercambio de iones, y luego use el mismo método que el circonio para preparar el hafnio metálico de este óxido de hafnio.
3. Se puede preparar mediante tetracloruro de calentamiento de CO (HFCL4) con sodio a través de la reducción.
Los primeros métodos para separar el circonio y el hafnio fueron la cristalización fraccional de sales complejas fluoradas y precipitación fraccional de fosfatos. Estos métodos son engorrosos para operar y se limitan al uso de laboratorio. Las nuevas tecnologías para separar el circonio y el hafnio, como la destilación de fraccionamiento, la extracción de solventes, el intercambio de iones y la adsorción de fraccionamiento, han surgido uno tras otro, con una extracción de solvente más práctica. Los dos sistemas de separación comúnmente utilizados son el sistema de ciclohexanona de tiocianato y el sistema de ácido nítrico fosfato tributilo. Los productos obtenidos por los métodos anteriores son todos hidróxido de Hayio, y se puede obtener óxido de hafnio puro mediante calcinación. El hafnio de alta pureza se puede obtener mediante el método de intercambio de iones.
En la industria, la producción de Hafnium de metal a menudo involucra tanto el proceso Kroll como el proceso Debor Aker. El proceso Kroll implica la reducción del tetracloruro de Hafnium usando magnesio metálico:
2mg+hfcl4- → 2mgcl2+hf
El método Debor Aker, también conocido como el método de yodización, se utiliza para purificar esponjas como Hafnium y obtener Hafnium metálico maleable.
5. La fundición de Hafnium es básicamente la misma que la del circonio:
El primer paso es la descomposición del mineral, que implica tres métodos: cloración del circón para obtener (Zr, HF) Cl. Alkali Melto del circón. El circón se derrite con NaOH en alrededor de 600, y más del 90% de (ZR, HF) O se transforma en NA (ZR, HF) O, con SIO transformado en Nasio, que se disuelve en agua para la extracción. Na (Zr, HF) O se puede usar como la solución original para separar el circonio y el hafnio después de disolverse en HNO. Sin embargo, la presencia de coloides de SIO dificulta la separación de extracción de solventes. Sinter con KSIF y remojo en agua para obtener la solución K (Zr, HF) F. La solución puede separar el circonio y el hafnio a través de la cristalización fraccional;
El segundo paso es la separación de circonio y hafnium, que se puede lograr utilizando métodos de separación de extracción de solventes utilizando el sistema MIBK (metil isobutil cetona) y el sistema HNO-TBP (fosfato tributil). Se ha estudiado durante mucho tiempo la tecnología de fraccionamiento de varias etapas utilizando la diferencia en la presión de vapor entre HFCL y ZRCL bajo alta presión (más de 20 atmósferas), lo que puede ahorrar el proceso de cloración secundario y reducir los costos. Sin embargo, debido al problema de corrosión de (Zr, HF) Cl y HCl, no es fácil encontrar materiales de columna de fraccionamiento adecuados, y también reducirá la calidad de ZRCL y HFCL, aumentando los costos de purificación. En la década de 1970, todavía estaba en la etapa de prueba de plantas intermedias;
El tercer paso es la cloración secundaria de HFO para obtener HFCL crudo para la reducción;
El cuarto paso es la purificación de HFCL y reducción de magnesio. Este proceso es el mismo que la purificación y reducción de ZRCL, y el producto semi-acabado resultante es esponja gruesa Hafnium;
El quinto paso es vaciar el hafnio de esponja cruda de destilación para eliminar MgCl y recuperar el exceso de magnesio metálico, lo que resulta en un producto terminado de hafnio de metal de esponja. Si el agente reductor usa sodio en lugar de magnesio, el quinto paso debe cambiarse a la inmersión del agua
Método de almacenamiento:
Almacene en un almacén fresco y ventilado. Manténgase alejado de las chispas y las fuentes de calor. Debe almacenarse por separado de oxidantes, ácidos, halógenos, etc., y evitar mezclar el almacenamiento. Uso de instalaciones de iluminación y ventilación a prueba de explosión. Prohibir el uso de equipos mecánicos y herramientas que son propensas a las chispas. El área de almacenamiento debe equiparse con materiales adecuados para contener fugas.
Tiempo de publicación: septiembre 25-2023