Hafnium, Metalli HF, aatomnumber 72, aatommass 178,49, on läikiv hõbehall üleminekumetall.
Hafniumil on kuus looduslikult stabiilset isotoopi: Hafnium 174, 176, 177, 178, 179 ja 180. Hafnium ei reageeri lahjendatud vesinikkloriidhappe, lahjendatud väävelhappe ja tugevate alusteliinilahusega, kuid on lahustuv hüdrofluoriinhappe ja vesiainega. Elemendi nimi pärineb Kopenhaageni linna ladinakeelsest nimest.
1925. aastal said Rootsi keemiku Hervey ja Hollandi füüsik Koster puhta hafniumsoola fluoritud kompleksi soolade fraktsioneeriva kristalliseerumise teel ja vähendasid seda metallilise naatriumiga, et saada puhas metall hafnium. Hafnium sisaldab 0,00045% Maa koorikust ja seda seostatakse sageli tsirkooniumiga.
Toote nimi: hafnium
Elemendi sümbol: HF
Aatommass: 178,49
Elemendi tüüp: metalliline element
Füüsilised omadused:
Hafniumon metallilise läikega hõbehall metall; Metallist hafniumil on kaks varianti: α hafnium on kuusnurkne tihedalt pakitud variant (1750 ℃), millel on suurem transformatsioonitemperatuur kui tsirkoonium. Metallist hafniumil on kõrge temperatuuriga allotrop -variandid. Metallist hafniumil on kõrge neutronide imendumise ristlõige ja seda saab kasutada reaktorite kontrollmaterjalina.
Kristallstruktuure on kahte tüüpi: kuusnurkne tihe pakkimine temperatuuril alla 1300 ℃ （α- võrrand); Temperatuuridel üle 1300 ℃ on see kehakeskne kuup-（β-võrrand). Plastilisusega metall, mis kõveneb ja muutub lisandite juuresolekul rabedaks. Stabiilne õhus, tumeneb põlemisel ainult pinnal. Hikke saab süüdata matši leegi abil. Tsirkooniumiga sarnased omadused. See ei reageeri vee, lahjendatud hapete ega tugevate alustega, vaid lahustub hõlpsalt Aqua Legia ja vesinikfluoriidhappe korral. Peamiselt ühendites, millel on+4 valentsusega. Hafniumi sulamil (TA4HFC5) on teadaolevalt kõrgeim sulamistemperatuur (umbes 4215 ℃).
Kristallstruktuur: kristallrakk on kuusnurkne
CASi number: 7440-58-6
Sulamispunkt: 2227 ℃
Keemispunkt: 4602 ℃
Keemilised omadused:
Hafniumi keemilised omadused on väga sarnased tsirkooniumi omadega ja sellel on hea korrosioonikindlus ning üldised happelise leelise vesilahused ei ole seda kergesti korrodeeruda; Fluoritud komplekside moodustamiseks hõlpsasti lahustuv hüdrofluoriinhappes. Kõrgetel temperatuuridel võib hafnium otseselt kombineerida oksiidide ja nitriidide moodustamiseks otse gaaside, näiteks hapniku ja lämmastikuga.
Hafniumil on ühendites sageli+4 valentsust. Peamine ühend onhafniumoksiidHfo2. Hafniumoksiidi on kolm erinevat varianti:hafniumoksiidHafniumsulfaadi ja kloriidioksiidi pideva kaltsineerimise teel on monokliiniline variant; Hafniumoksiid, mis on saadud hafniumi hüdroksiidi kuumutamisel umbes 400 ℃ juures, on tetragonaalne variant; Kui kaltsineeritakse üle 1000 ℃, võib saada kuupmeetri variandi. Teine ühend onhafniumtetrakloriid, mis on metalli hafniumi valmistamise tooraine ja mida saab valmistada kloorgaasi reageerimisega hafniumoksiidi ja süsiniku segule. Hafniumtetrakloriid puutub kokku veega ja hüdrolüüsib kohe väga stabiilseks HFO (4H2O) 2+ioonideks. HFO2+ioonid eksisteerivad paljudes hafniumi ühendites ja võivad kristalliseerida nõelakujulise hüdreeritud hafnium -oksükloriidi HfoCl2 · 8H2O kristallid vesinikkloriidhappehappelise hafniumtetrakloriidi lahuses.
4-valentne hafnium on ka fluoriidiga kompleksi moodustamas, mis koosneb K2HFF6, K3HFF7, (NH4) 2HFF6 ja (NH4) 3HFF7. Neid komplekse on kasutatud tsirkooniumi ja hafniumi eraldamiseks.
Tavalised ühendid:
Hafniumdioksiid: nimi hafnium dioksiid; Hafniumdioksiid; Molekulaarne valem: HFO2 [4]; Omadus: kolme kristallstruktuuriga valge pulber: monokliiniline, tetragonaalne ja kuup. Tihedus on vastavalt 10,3, 10,1 ja 10,43 g/cm3. Sulamispunkt 2780-2920K. Keemispunkt 5400K. Soojuspaisumistegur 5,8 × 10-6/℃. Vees lahustumatu, vesinikkloriidhapet ja lämmastikhapet, kuid lahustub kontsentreeritud väävelhappe ja vesinikuhappe korral. Toodetud selliste ühendite nagu hafniumsulfaat ja hafnium oksükloriid termilise lagunemise või hüdrolüüsil. Toorained metalli hafniumi ja hafniumi sulamite tootmiseks. Kasutatakse tulekindlate materjalide, radioaktiivsete kattete ja katalüsaatoritena. [5] Aatomienergia taseme HFO on toode, mis saadakse samaaegselt aatomienergia taseme tootmisel ZRO. Alustades sekundaarsest kloorimisest, on puhastamise, redutseerimise ja vaakum destilleerimise protsessid peaaegu identsed tsirkooniumi protsessidega.
Hafniumtetrakloriid: Hafnium (IV) kloriid, hafniumtetrakloriid molekulaarne valem HFCL4 molekulmass 320,30 Märk: valge kristalne plokk. Tundlik niiskuse suhtes. Lahustuv atsetoonis ja metanoolis. Hüdrolüüs vees, et saada hafniumoksükloriidi (HFOCL2). Kuumus temperatuurini 250 ℃ ja aurustuge. Silmade, hingamissüsteemi ja nahka ärritav.
Hafniumhüdroksiid: hafniumhüdroksiid (H4HFO4), mis tavaliselt esineb hüdreeritud oksiid HFO2 · NH2O, on vees lahustumatu, lahustub hõlpsasti anorgaanilistes hapetes, lahustumatu ammoniaagis ja harva lahustuv soolaharudes. Kuumus temperatuurini 100 ℃, et genereerida hafniumhüdroksiid HFO (OH) 2. Valge hafniumhüdroksiidi sade on saada hafniumi (IV) soola reageerimisel ammoniaagi veega. Seda saab kasutada muude hafniumiühendite tootmiseks.
Uurimisajalugu
Avastusajalugu:
1923. aastal avastasid Rootsi keemik Hervey ja Hollandi füüsik D. Koster Norras ja Gröönimaal toodetud tsirkoonist Hafniumi ning nimetasid seda Hafnium, mis pärines Kopenhaageni ladinakeelsest nimest Hafniast. Aastal 1925 eraldasid Hervey ja Coster tsirkooniumi ja titaani, kasutades fluoritud kompleksi soolade fraktsionaalse kristalliseerumise meetodit, et saada puhaste hafniumsoolade; Ja vähendage metallilise naatriumiga hafniumsoola puhta metalli hafniumi saamiseks. Hervey koostas proovi mitme milligrammi puhta hafniumi kohta.
Tsirkooniumi ja hafniumi keemilised katsed:
Texase ülikooli professor Carl Collinsi poolt 1998. aastal läbi viidud katses väideti, et Gamma kiiritatud Hafnium 178M2 (isomeeri hafnium-178m2 [7]) võib vabastada tohutut energiat, mis on viis suurusjärku kõrgem kui keemilised reaktsioonid, kuid kolm magnituudist madalamaid kordusi. [8] HF178M2 (Hafnium 178M2) on sarnaste pikaealiste isotoopide seas pikim eluiga: HF178M2 (Hafnium 178M2) on poolväärtusaeg 31 aastat, mille tulemuseks on looduslik radioaktiivsus umbes 1,6 triljonit Becquerelit. Collinsi aruandes öeldakse, et üks gramm puhast HF178M2 (Hafnium 178M2) sisaldab umbes 1330 megajouli, mis on samaväärne energiaga, mis vabastab 300 kilogrammi TNT lõhkeainete plahvatusest. Collinsi aruanne näitab, et kogu selle reaktsiooni energia vabaneb röntgenikiirte või gammakiiride kujul, mis vabastavad energia eriti kiire kiirusega, ja HF178M2 (Hafnium 178M2) võib endiselt reageerida äärmiselt madalates kontsentratsioonides. [9] Pentagon on eraldanud vahendeid teadusuuringuteks. Katses oli signaali ja müra suhe väga madal (märkimisväärsete vigadega) ja sellest ajast alates, hoolimata mitme organisatsiooni teadlaste, sealhulgas Ameerika Ühendriikide kaitseministeeriumi projektide teadusuuringute agentuur (DARPA) ja Jason Defense Advises Group [13], ei ole ükski teadlane suutnud seda reaktsiooni Collinsi väidetavate tingimuste kohaselt saavutada, mis ei olnud ette nähtud, et see tõestas, et see on tehtud, ei ole võimalik saavutada Collins'i. Emissioon HF178M2 energia vabastamiseks (Hafnium 178M2) [15], kuid teised teadlased on teoreetiliselt tõestanud, et seda reaktsiooni ei saa saavutada. [16] HF178M2 (Hafnium 178M2) usutakse laialdaselt akadeemilisse kogukonda, et see ei ole energiaallikas
Rakendusväli:
Hafnium on väga kasulik tänu sellele, et see on võimeline elektrone välja andma, nagu näiteks hõõglampides kasutatav. Kasutatakse röntgenitorude katoodina ning hafniumi ja volframi või molübdeeni sulameid kasutatakse suurepinge väljutamistorude elektroodidena. Tavaliselt kasutatakse röntgenikiirte jaoks katoodi- ja volframtraadi töötlevas tööstuses. Puhas hafnium on aatomienergia tööstuses oluline materjal selle plastilisuse, hõlpsa töötlemise, kõrge temperatuurikindluse ja korrosioonikindluse tõttu. Hafniumil on suur termiline neutronide hõivamise ristlõige ja see on ideaalne neutron-neelduja, mida saab kasutada aatomireaktorite kontrollvarda ja kaitsevahendina. Hafniumi pulbrit saab kasutada rakettide raketikütusena. Röntgenitorude katoodi saab toota elektritööstuses. Hafniumi sulam võib olla raketipihustite ja libisemise uuesti sisenemise lennukite ettekandekiht, samal ajal kui HF TA sulamit saab kasutada tööriistaterase ja takistusmaterjalide tootmiseks. Hafniumit kasutatakse lisandina kuumakindlates sulamites, näiteks volfram, molübdeen ja tantaal. HFC -d saab kõrge kõvaduse ja sulamistemperatuuri tõttu kasutada kõva sulamite lisandina. 4tachFC sulamistemperatuur on umbes 4215 ℃, mis teeb sellest ühendi kõrgeima teadaoleva sulamistemperatuuriga. Hafniumi saab kasutada paljudes inflatsioonisüsteemides. Hafniumi geijad saavad eemaldada süsteemis sisalduvad tarbetud gaasid, näiteks hapnik ja lämmastik. Hafniumi kasutatakse sageli hüdraulilises õlis lisandina hüdraulilise õli lendumise vältimiseks kõrge riskiga toimingute ajal ja sellel on tugevad volatiilsusvastased omadused. Seetõttu kasutatakse seda tavaliselt tööstuslikus hüdraulilises õlis. Meditsiiniline hüdrauliline õli.
Hafniumi elementi kasutatakse ka uusimates Intel 45 nanoprotsessorites. Ränidioksiidi (SIO2) tootmisvõime ja selle võime vähendada paksust, et transistori jõudlust pidevalt parandada, kasutavad protsessoritootjad värava dielektrikate materjalina ränidioksiidi. Kui Intel tutvustas 65 nanomeetri tootmisprotsessi, ehkki see oli teinud kõik endast oleneva, et vähendada ränidioksiidi värava dielektriku paksust 1,2 nanomeetrini, mis vastab 5 aatomite kihile, suureneks energiatarbimise ja soojuse hajumise raskus, kui transistor vähendati ka aatomi, praeguse jäätmete ja vajaduse korral. Seega, kui praegusi materjale jätkatakse ja paksust veelgi vähendatakse, suureneb värava dielektrilise leke märkimisväärselt, viies transistori tehnoloogia oma piiridesse. Selle kriitilise probleemi lahendamiseks plaanib Intel kasutada ränidioksiidi asemel värava dielektrikutena paksemaid kõrgeid materjale (hafniumipõhiseid materjale), mis on edukalt vähendanud lekkeid rohkem kui 10 korda. Võrreldes eelmise 65NM -tehnoloogia põlvkonnaga suurendab Inteli 45NM protsess transistori tihedust peaaegu kaks korda, võimaldades suurendada transistoride koguarvu või protsessori mahu vähenemist. Lisaks on transistori lülitamiseks vajalik võimsus madalam, vähendades energiatarbimist ligi 30%. Sisemised ühendused on valmistatud vasktraadist, mis on ühendatud madala K -dielektrilise, sujuva efektiivsuse ja vähendava energiatarbimisega ning lülituskiirus on umbes 20% kiirem
Mineraaljaotus:
Hafniumil on suurem kooriku arvukus kui tavaliselt kasutatavatel metallidel nagu vismut, kaadmium ja elavhõbe ning see on samaväärne berülliumi, germaaniumi ja uraaniga. Kõik tsirkooniumi sisaldavad mineraalid sisaldavad hafniumi. Tööstuses kasutatav tsirkoon sisaldab 0,5–2% hafniumi. Berülliumi tsirkoon (alviit) sekundaarses tsirkooniumimaagis võib sisaldada kuni 15% hafniumi. Seal on ka metamorfse tsirkooni, tsürtoliidi tüüpi, mis sisaldab üle 5% HFO. Viimase viimase mineraali reservid on väikesed ja neid pole veel tööstuses kasutusele võetud. Hafnium on peamiselt taastunud tsirkooniumi tootmise ajal.
See eksisteerib enamikus tsirkooniumimaakides. [18] [19] Kuna koorikus on väga vähe sisu. See eksisteerib sageli tsirkooniumiga ja sellel pole eraldi maagi.
Ettevalmistusmeetod:
1. Seda saab valmistada hafniumtetrakloriidi magneesiumi vähendamise või hafniumjodiidi termilise lagunemise teel. HFCL4 ja K2HFF6 saab kasutada ka toorainena. NaCl KCl HFCL4 või K2HFF6 sulamise elektrolüütilise tootmise protsess on sarnane tsirkooniumi elektrolüütilise tootmisega.
2. Hafnium eksisteerib koos tsirkooniumiga ja hafniumi jaoks pole eraldi toorainet. Hafniumi tootmiseks toormaterjal on toornafta hafniumoksiid, mis on eraldatud tsirkooniumi tootmise käigus. Ekstraheerige hafniumoksiid, kasutades ioonvahetusvaiku, ja kasutage seejärel sama meetodit kui tsirkoonium, et valmistada sellest hafniumoksiidist metalli hafnium.
3. Seda saab valmistada hafniumtetrakloriidi (HFCL4) CO soojendamisega naatriumi abil.
Varasemad tsirkooniumi ja hafniumi eraldamiseks mõeldud meetodid olid fluoritud kompleksi soolade fraktsionaalne kristalliseerumine ja fosfaatide fraktsionaalne sadestumine. Nende meetodite toimimine on tülikas ja need piirduvad laboratoorse kasutamisega. Tsirkooniumi ja hafniumi eraldamiseks mõeldud uued tehnoloogiad, näiteks fraktsioneerimise destilleerimine, lahusti ekstraheerimine, ioonivahetus ja fraktsioneerimis adsorptsioon, on tekkinud üksteise järel, lahusti ekstraheerimine on praktilisem. Kaks tavaliselt kasutatavat eraldussüsteemi on tiotsüanaat tsükloheksanoonis ja tributüülfosfaat lämmastikhappe süsteem. Ülaltoodud meetoditega saadud tooted on kõik hafniumhüdroksiid ja puhast hafniumoksiidi saab kaltsineerimisega. Suure puhtuse hafniumi saab ioonvahetuse meetodil.
Tööstuses hõlmab metalli hafniumi tootmine sageli nii Krolli kui ka Debor Aker protsessi. Krolli protsess hõlmab hafniumtetrakloriidi vähendamist, kasutades metallist magneesiumi:
2mg+HFCL4- → 2MGCL2+HF
Debor Aker meetodit, mida tuntakse ka kui jodeerimismeetodit, kasutatakse käsnade nagu hafniumi puhastamiseks ja templlivormistava metalli hafniumi saamiseks.
5. Hafniumi sulatamine on põhimõtteliselt sama, mis tsirkooniumil:
Esimene samm on maagi lagunemine, mis hõlmab kolme meetodit: tsirkooni kloorimine (Zr, HF) Cl saamiseks. Tsirkooni leelise sulamine. Tsirkoon sulab NaOH -ga umbes 600 ja üle 90% (ZR, HF) O muutub NA (ZR, HF) O -ks, kui Sio muudetakse Nasioks, mis on vees eemaldamiseks lahustatud. NA (ZR, HF) O saab kasutada algse lahendusena tsirkooniumi ja hafniumi eraldamiseks pärast HNO -s lahustumist. SIO kolloidide olemasolu muudab lahusti eraldamise eraldamise keeruliseks. Paagutamine KSIF -iga ja leotage vees, et saada K (ZR, HF) F lahust. Lahus võib eraldada fraktsionaalse kristalliseerumise kaudu tsirkooniumi ja hafniumi;
Teine samm on tsirkooniumi ja hafniumi eraldamine, mida saab saavutada lahusti ekstraheerimise eraldamismeetodite abil, kasutades vesinikkloriidhappe MIBK (metüül isobutüülketooni) süsteemi ja HNO-TBP (tributüülfosfaat) süsteemi. Mitmeastmelise fraktsioneerimise tehnoloogiat, kasutades HFCL ja ZRCL-i vahelise aururõhu erinevust kõrgsurve all (üle 20 atmosfääri), on pikka aega uuritud, mis võib päästa sekundaarse kloorimisprotsessi ja vähendada kulusid. Kuid (ZR, HF) CL ja HCL korrosiooniprobleemi tõttu pole sobivaid fraktsioneerimiskolonni materjale lihtne leida ning see vähendab ka ZRCL ja HFCL kvaliteeti, suurendades puhastuskulusid. 1970. aastatel oli see endiselt taimede vahepealses etapis;
Kolmas samm on HFO sekundaarne kloorimine toor HFCL vähendamiseks;
Neljas samm on HFCL ja magneesiumi vähendamise puhastamine. See protsess on sama, mis ZRCL puhastamine ja vähendamine, ning sellest tulenev poolvaldkond on jäme käsna hafnium;
Viies samm on MGCL eemaldamiseks ja liigse metalli magneesiumi eemaldamiseks toornafta hafnium vaakumiga, mille tulemuseks on käsnametalli hafniumi valmistoode. Kui redutseeriv aine kasutab magneesiumi asemel naatriumi, tuleks viies samm muuta veekümbluseks
Salvestusmeetod:
Hoidke jahedas ja ventilatsioonis laos. Hoidke sädetest ja kuumaallikatest eemal. Seda tuleks säilitada eraldi oksüdeerijatest, hapetest, halogeenidest jne ja vältida ladustamise segamist. Plahvatuskindla valgustuse ja ventilatsioonirajatiste kasutamine. Keelake mehaaniliste seadmete ja tööriistade kasutamine, mis on altid sädetele. Ladustamisala peaks olema varustatud sobivate materjalidega, mis sisaldavad lekkeid.
Postiaeg: 25. september2023