هفنیوم، فلز HF ، شماره اتمی 72 ، وزن اتمی 178.49 ، یک فلز خاکستری نقره ای براق است.
Hafnium دارای شش ایزوتوپ به طور طبیعی پایدار است: Hafnium 174 ، 176 ، 177 ، 178 ، 179 و 180. Hafnium با اسید هیدروکلریک رقیق ، اسید سولفوریک رقیق و محلول های قلیایی قوی واکنش نشان نمی دهد ، اما در اسید هیدرولوئوریک و Aqua Regia محلول است. نام عنصر از نام لاتین شهر کپنهاگ آمده است.
در سال 1925 ، شیمیدان سوئدی هروی و فیزیکدان هلندی کوستر با تبلور کسری از نمکهای پیچیده فلوئور شده ، نمک هافنیوم خالص را به دست آوردند و آن را با سدیم فلزی برای به دست آوردن هافنیوم فلزی خالص کاهش دادند. Hafnium حاوی 0.00045 ٪ از پوسته زمین است و اغلب در طبیعت با زیرکونیوم همراه است.
نام محصول: Hafnium
نماد عنصر: HF
وزن اتمی: 178.49
نوع عنصر: عنصر فلزی
خصوصیات فیزیکی:
هفنیومیک فلز خاکستری نقره ای با درخشش فلزی است. دو نوع Hafnium فلزی وجود دارد: α Hafnium یک نوع شش ضلعی است که از نزدیک بسته بندی شده (1750 ℃) با دمای تحول بالاتر از زیرکونیوم است. Hafnium فلزی دارای انواع آلوتروپ در دماهای بالا است. Hafnium فلزی دارای سطح مقطع جذب نوترون بالا است و می تواند به عنوان یک ماده کنترل برای راکتورها استفاده شود.
دو نوع ساختار کریستالی وجود دارد: بسته بندی متراکم شش ضلعی در دمای زیر 1300 ℃ （α- معادله). در دمای بالاتر از 1300 ℃ ، این یک مکعب محور محور （β- معادله است). فلزی با انعطاف پذیری که در حضور ناخالصی ها سخت و شکننده می شود. پایدار در هوا ، فقط هنگام سوختن روی سطح تیره می شود. با شعله یک مسابقه می توان رشته ها را مشتعل کرد. خواص مشابه زیرکونیوم. با آب ، اسیدهای رقیق یا پایه های قوی واکنش نشان نمی دهد ، اما به راحتی در Aqua Regia و اسید هیدروفلوئوریک محلول است. عمدتا در ترکیبات با ارزش A+4. آلیاژ Hafnium (TA4HFC5) شناخته شده است که دارای بالاترین نقطه ذوب (تقریباً 4215 ℃) است.
ساختار کریستالی: سلول کریستالی شش ضلعی است
شماره CAS: 7440-58-6
نقطه ذوب: 2227
نقطه جوش: 4602
خصوصیات شیمیایی:
خصوصیات شیمیایی Hafnium بسیار شبیه به زیرکونیوم است و از مقاومت در برابر خوردگی خوبی برخوردار است و توسط محلول های آبی قلیایی اسید عمومی به راحتی فاسد نمی شود. به راحتی در اسید هیدروفلوئوریک محلول برای تشکیل مجتمع های فلوئور شده است. در دماهای بالا ، Hafnium همچنین می تواند به طور مستقیم با گازهایی مانند اکسیژن و نیتروژن ترکیب شود تا اکسیدها و نیتریدها تشکیل شود.
Hafnium اغلب در ترکیبات دارای یک ارزش+4 است. ترکیب اصلی استاکسید هفنیومHFO2 سه نوع مختلف اکسید حفنیوم وجود دارد:اکسید هفنیومبه دست آمده با محاسبه مداوم از سولفات Hafnium و اکسید کلرید یک نوع مونوکلینیک است. اکسید Hafnium به دست آمده با گرم کردن هیدروکسید Hafnium در حدود 400 ℃ یک نوع چهار ضلعی است. اگر کلسیم بالاتر از 1000 ℃ باشد ، می توان یک نوع مکعب را بدست آورد. یک ترکیب دیگر استتتراکلرید هفنیوم، که ماده اولیه برای تهیه Hafnium فلزی است و با واکنش به گاز کلر بر روی مخلوطی از اکسید و کربن هافنیوم قابل تهیه است. Hafnium tetrachloride با آب در تماس قرار می گیرد و بلافاصله هیدرولیزهای HFO بسیار پایدار (4H2O) 2+را هیدرولیز می کند. یونهای HFO2 در بسیاری از ترکیبات Hafnium وجود دارند ، و می توانند کریستال های Hafnium Oxychloride Hafnium Hafnium به شکل هیدراته HFOCL2 · 8H2O در اسید هیدروکلریک اسید هفنیوم تتراکلرید اسید را تبلور دهند.
Hafnium 4-Valent همچنین مستعد تشکیل مجتمع هایی با فلوراید ، متشکل از K2HFF6 ، K3HFF7 ، (NH4) 2HFF6 و (NH4) 3HFF7 است. از این مجتمع ها برای جداسازی زیرکونیوم و هافنیوم استفاده شده است.
ترکیبات مشترک:
دی اکسید Hafnium: نام Hafnium Dioxide ؛ دی اکسید Hafnium ؛ فرمول مولکولی: HFO2 [4] ؛ خاصیت: پودر سفید با سه ساختار کریستالی: مونوکلینیک ، چهار ضلعی و مکعب. تراکم به ترتیب 10.3 ، 10.1 و 10.43g/cm3 است. نقطه ذوب 2780-2920K. نقطه جوش 5400K. ضریب انبساط حرارتی 5.8 × 10-6/℃. نامحلول در آب ، اسید هیدروکلریک و اسید نیتریک ، اما در اسید سولفوریک غلیظ و اسید هیدروفلوئوریک محلول است. تولید شده توسط تجزیه حرارتی یا هیدرولیز ترکیباتی مانند هافنیوم سولفات و اکسی کلرید Hafnium. مواد اولیه برای تولید آلیاژهای فلزی Hafnium و Hafnium. به عنوان مواد نسوز ، پوشش های ضد رادیواکتیو و کاتالیزور استفاده می شود. [5] سطح انرژی اتمی HFO محصولی است که همزمان هنگام تولید سطح انرژی اتمی Zro به دست می آید. با شروع از کلریناسیون ثانویه ، فرآیندهای تصفیه ، کاهش و تقطیر خلاء تقریباً با روشهای زیرکونیوم یکسان است.
تتراکلرید هفنیوم: Hafnium (IV) کلرید ، فرمول مولکولی Hafnium tetrachloride HFCL4 وزن مولکولی 320.30 کاراکتر: بلوک کریستالی سفید. حساس به رطوبت. محلول در استون و متانول. هیدرولیز در آب برای تولید Hafnium oxychloride (HFOCL2). گرما تا 250 ℃ و تبخیر شود. تحریک کننده به چشم ، سیستم تنفسی و پوست.
HAFNIUM HYDROXIDE: HAFNIUM HYDROXIDE (H4HFO4) ، که معمولاً به عنوان یک اکسید هیدراته HFO2 · NH2O وجود دارد ، در آب نامحلول است ، به راحتی در اسیدهای معدنی محلول در آمونیاک و به ندرت در هیدروکسید سدیم محلول است. برای تولید هیدروکسید Hafnium HFO (OH) به 100 ℃ گرم شود. می توان از آن برای تولید سایر ترکیبات Hafnium استفاده کرد.
تاریخچه تحقیق
تاریخ کشف:
در سال 1923 ، شیمیدان سوئدی هروی و فیزیکدان هلندی D. Koster Hafnium را در زیرکون تولید شده در نروژ و گرینلند کشف کردند و آن را Hafnium نامگذاری کردند که از نام لاتین هافنیا کپنهاگ سرچشمه گرفته است. در سال 1925 ، هروی و کوستر با استفاده از روش تبلور کسری نمکهای پیچیده فلوئور شده برای به دست آوردن نمک های حفام خالص ، زیرکونیوم و تیتانیوم را از هم جدا کردند. و نمک Hafnium را با سدیم فلزی کاهش دهید تا Hafnium فلزی خالص بدست آید. هروی نمونه ای از چندین میلی گرم هافنیوم خالص را تهیه کرد.
آزمایش های شیمیایی روی زیرکونیوم و حفنیوم:
در آزمایشی که توسط پروفسور کارل کالینز در دانشگاه تگزاس در سال 1998 انجام شد ، ادعا شد که گاما Hafnium 178m2 تحت تابش گاما (ایزومر Hafnium-178m2 [7]) می تواند انرژی عظیمی را آزاد کند ، که پنج مرتبه بالاتر از واکنشهای شیمیایی اما سه دستور از نظر اندازه پایین تر از واکنشهای هسته ای است. [8] HF178m2 (Hafnium 178m2) طولانی ترین طول عمر در بین ایزوتوپ های طولانی مدت مشابه را دارد: HF178m2 (Hafnium 178m2) دارای نیمه عمر 31 سال است که در نتیجه یک رادیواکتیویته طبیعی تقریباً 1.6 تریلیون بکر است. در گزارش کالینز آمده است که یک گرم HF178m2 خالص (Hafnium 178m2) حاوی تقریباً 1330 مگژول است که معادل انرژی آزاد شده با انفجار 300 کیلوگرم مواد منفجره TNT است. گزارش کالینز نشان می دهد که تمام انرژی موجود در این واکنش به شکل اشعه ایکس یا پرتوهای گاما آزاد می شود ، که انرژی را با سرعت بسیار سریع آزاد می کنند و HF178M2 (Hafnium 178m2) هنوز هم می توانند در غلظت های بسیار کم واکنش نشان دهند. [9] پنتاگون بودجه ای را برای تحقیقات اختصاص داده است. در این آزمایش ، نسبت سیگنال به نویز بسیار کم بود (با خطاهای قابل توجهی) ، و از آن زمان ، با وجود آزمایش های متعدد دانشمندان سازمان های متعدد از جمله آژانس تحقیقاتی پروژه های پیشرفته وزارت دفاع ایالات متحده (DARPA) و گروه مشاوره دفاعی جیسون [13] ، هیچ دانشمندی نتوانسته است این واکنش را تحت شرایطی که توسط کالینز وجود دارد ، به این واکنش دست یابند. انتشار اشعه گاما برای آزادسازی انرژی از HF178m2 (Hafnium 178m2) [15] ، اما سایر دانشمندان از نظر تئوری ثابت کرده اند که این واکنش نمی تواند حاصل شود. [16] HF178m2 (Hafnium 178m2) به طور گسترده ای اعتقاد بر این است که جامعه دانشگاهی منبع انرژی نیست
قسمت برنامه:
هافنیوم به دلیل توانایی ساطع کردن الکترون ها ، مانند مواردی که به عنوان رشته در لامپ های رشته ای استفاده می شود ، بسیار مفید است. به عنوان کاتد برای لوله های اشعه ایکس استفاده می شود ، و آلیاژهای Hafnium و Tungsten یا Molybdenum به عنوان الکترودهایی برای لوله های تخلیه ولتاژ بالا استفاده می شود. معمولاً در صنعت تولید سیم کاتد و تنگستن برای اشعه ایکس استفاده می شود. هافنیوم خالص به دلیل انعطاف پذیری ، پردازش آسان ، مقاومت در برابر دمای بالا و مقاومت در برابر خوردگی ، ماده مهمی در صنعت انرژی اتمی است. Hafnium دارای یک مقطع بزرگ ضبط نوترون حرارتی است و یک جاذب نوترون ایده آل است که می تواند به عنوان یک میله کنترل و دستگاه محافظ برای راکتورهای اتمی استفاده شود. پودر Hafnium می تواند به عنوان پیشرانه ای برای موشک ها استفاده شود. کاتد لوله های اشعه ایکس را می توان در صنعت برق تولید کرد. آلیاژ Hafnium می تواند به عنوان لایه محافظ رو به جلو برای نازل های موشک و هواپیماهای ورود مجدد به سرطان باشد ، در حالی که می توان از آلیاژ HF TA برای ساخت مواد فولادی و مقاومت استفاده کرد. Hafnium به عنوان یک عنصر افزودنی در آلیاژهای مقاوم در برابر گرما ، مانند تنگستن ، مولیبدن و تانتالوم استفاده می شود. HFC به دلیل سختی و نقطه ذوب آن می تواند به عنوان یک افزودنی برای آلیاژهای سخت استفاده شود. نقطه ذوب 4TACHFC تقریباً 4215 ℃ است و آن را با بالاترین نقطه ذوب شناخته شده ساخته شده است. Hafnium می تواند به عنوان یک گیرنده در بسیاری از سیستم های تورم استفاده شود. گیرنده های Hafnium می توانند گازهای غیر ضروری مانند اکسیژن و نیتروژن موجود در سیستم را از بین ببرند. Hafnium اغلب به عنوان یک افزودنی در روغن هیدرولیک برای جلوگیری از فرار روغن هیدرولیک در طی عملیات پرخطر استفاده می شود و از خاصیت ضد نوسانات قوی برخوردار است. بنابراین ، به طور کلی در روغن هیدرولیک صنعتی استفاده می شود. روغن هیدرولیک پزشکی.
عنصر Hafnium همچنین در آخرین نانوذرات Intel 45 استفاده می شود. با توجه به تولید دی اکسید سیلیکون (SIO2) و توانایی آن در کاهش ضخامت برای بهبود مداوم عملکرد ترانزیستور ، تولید کنندگان پردازنده از دی اکسید سیلیکون به عنوان ماده ای برای دی الکتریک دروازه استفاده می کنند. هنگامی که اینتل 65 فرآیند تولید نانومتر را معرفی کرد ، اگرچه تمام تلاش خود را برای کاهش ضخامت دی الکتریک دروازه دی اکسید سیلیکون به 1.2 نانومتر ، معادل 5 لایه اتم انجام داده است ، اما مشکل مصرف انرژی و اتلاف گرما نیز افزایش می یابد که ترانزیستور به اندازه یک اتم کاهش یابد و در نتیجه یک اتم و در صورت زباله های موجود در جریان باشد. بنابراین ، اگر از مواد فعلی استفاده شود و ضخامت آن بیشتر کاهش یابد ، نشت دی الکتریک دروازه به طور قابل توجهی افزایش می یابد و فناوری ترانزیستور را به حد خود می رساند. برای پرداختن به این مسئله مهم ، اینتل قصد دارد به جای دی اکسید سیلیکون ، از مواد K ضخیم تر (مواد مبتنی بر Hafnium) به عنوان دی الکتریک دروازه استفاده کند ، که بیش از 10 بار نشت را با موفقیت کاهش داده است. در مقایسه با نسل قبلی فناوری 65 نانومتری ، فرآیند 45 نانومتری اینتل چگالی ترانزیستور را تقریباً دو بار افزایش می دهد و باعث افزایش تعداد کل ترانزیستورها یا کاهش حجم پردازنده می شود. علاوه بر این ، قدرت مورد نیاز برای سوئیچینگ ترانزیستور کمتر است و باعث کاهش مصرف برق نزدیک به 30 ٪ می شود. اتصالات داخلی از سیم مسی ساخته شده است که با دی الکتریک کم K جفت شده ، به آرامی باعث بهبود کارایی و کاهش مصرف برق می شود و سرعت تعویض حدود 20 ٪ سریعتر است
توزیع مواد معدنی:
Hafnium نسبت به فلزات متداول مانند Bismuth ، Cadmium و Mercury فراوانی پوسته بالاتری دارد و از نظر محتوای بریلیم ، ژرمانیوم و اورانیوم معادل آن است. تمام مواد معدنی حاوی زیرکونیوم حاوی حفنیوم هستند. زیرکون مورد استفاده در صنعت حاوی 0.5-2 ٪ Hafnium است. زیرکون بریلیم (ALVITE) در سنگ معدن زیرکونیوم ثانویه می تواند تا 15 ٪ Hafnium حاوی باشد. همچنین نوعی زیرکون دگرگونی ، سرتولیت وجود دارد که حاوی بیش از 5 ٪ HFO است. ذخایر دو ماده معدنی اخیر اندک است و هنوز در صنعت پذیرفته نشده است. هافنیوم عمدتاً در طول تولید زیرکونیوم بازیابی می شود.
در بیشتر سنگ معدن زیرکونیوم وجود دارد. [18] [19] زیرا محتوای بسیار کمی در پوسته وجود دارد. این اغلب با زیرکونیوم همزیستی است و سنگ معدن جداگانه ای ندارد.
روش آماده سازی:
1. می توان آن را با کاهش منیزیم تتراکلرید حفنیوم یا تجزیه حرارتی یدید حفنیوم تهیه کرد. HFCL4 و K2HFF6 همچنین می توانند به عنوان مواد اولیه استفاده شوند. فرآیند تولید الکترولیتی در ذوب NaCl KCl HFCL4 یا K2HFF6 مشابه تولید الکترولیتی زیرکونیوم است.
2. هافنیوم با زیرکونیوم همزیستی است و هیچ ماده اولیه جداگانه ای برای حفنیوم وجود ندارد. مواد اولیه تولید حفنیوم اکسید حفنیوم نفتی است که در طی فرآیند تولید زیرکونیوم از هم جدا شده است. اکسید Hafnium را با استفاده از رزین تبادل یون استخراج کنید و سپس از همان روش زیرکونیوم برای تهیه Hafnium فلزی از این اکسید Hafnium استفاده کنید.
3. می توان آن را با گرمایش Hafnium tetrachloride (HFCL4) با سدیم از طریق کاهش تهیه کرد.
اولین روشها برای جدا کردن زیرکونیوم و هافنیوم تبلور کسری نمکهای پیچیده فلوئور شده و بارش کسری فسفات ها بود. این روشها برای کار با مشکل هستند و محدود به استفاده آزمایشگاهی هستند. فن آوری های جدید برای جدا کردن زیرکونیوم و هافنیوم ، مانند تقطیر کسری ، استخراج حلال ، تبادل یون و جذب کسری ، یکی پس از دیگری پدیدار شده اند که استخراج حلال عملی تر است. دو سیستم جداسازی متداول سیستم تیوسیانات سیکلوهگزانون و سیستم اسید نیتریک فسفات تروتیلیل است. محصولات به دست آمده با روشهای فوق ، همه هیدروکسید حفنیوم هستند و می توان اکسید خالص هافنیوم خالص را با محاسبه بدست آورد. Hafnium با خلوص بالا را می توان با روش تبادل یون بدست آورد.
در صنعت ، تولید Hafnium فلزی اغلب شامل روند Kroll و روند Debor Aker است. فرآیند Kroll شامل کاهش تتراکلرید Hafnium با استفاده از منیزیم فلزی است:
2MG+HFCL4- → 2MGCL2+HF
از روش Debor Aker ، همچنین به عنوان روش یدیزاسیون شناخته می شود ، برای تصفیه اسفنج مانند Hafnium و به دست آوردن Hafnium فلزی قابل انعطاف استفاده می شود.
5. ذوب Hafnium اساساً همانند زیرکونیوم است:
مرحله اول تجزیه سنگ معدن است که شامل سه روش است: کلریناسیون زیرکون برای به دست آوردن (Zr ، HF) Cl. ذوب قلیایی زیرکون. زیرکون با NaOH در حدود 600 ذوب می شود و بیش از 90 ٪ (Zr ، HF) O به Na (Zr ، HF) O تبدیل می شود ، با SiO به Nasio تبدیل می شود ، که برای حذف در آب حل می شود. Na (Zr ، HF) O می تواند به عنوان محلول اصلی برای جدا کردن زیرکونیوم و هافنیوم پس از حل شدن در HNO استفاده شود. با این حال ، حضور کلوئیدهای SIO باعث جداسازی استخراج حلال می شود. سینتر با KSIF و در آب خیس شده تا محلول K (Zr ، HF) F را بدست آورید. محلول می تواند زیرکونیوم و هافنیوم را از طریق تبلور کسری از هم جدا کند.
مرحله دوم جداسازی زیرکونیوم و هافنیوم است که می توان با استفاده از روش جداسازی استخراج حلال با استفاده از سیستم هیدروکلریک اسید MIBK (متیل ایزوبوتیل کتون) و سیستم HNO-TBP (Tributyl فسفات) به دست آورد. فناوری کسری چند مرحله ای با استفاده از تفاوت فشار بخار بین HFCL و ZRCL تحت فشار زیاد (بالاتر از 20 اتمسفر) مدتهاست که مورد مطالعه قرار گرفته است ، که می تواند روند کلرینگ ثانویه را ذخیره کرده و هزینه ها را کاهش دهد. با این حال ، به دلیل مشکل خوردگی (ZR ، HF) CL و HCl ، یافتن مواد ستون شرکتی مناسب آسان نیست و همچنین باعث افزایش کیفیت ZRCL و HFCL و افزایش هزینه های تصفیه می شود. در دهه 1970 ، هنوز در مرحله آزمایش گیاهان میانی بود.
مرحله سوم ، کلرینگ ثانویه HFO برای به دست آوردن HFCL خام برای کاهش است.
مرحله چهارم تصفیه HFCL و کاهش منیزیم است. این فرآیند همانند تصفیه و کاهش ZRCL است و محصول نیمه تمام حاصل از آن Hafnium در درشت است.
مرحله پنجم ، خلاء تقطیر Hafnium اسفنج خام برای از بین بردن MGCL و بازیابی منیزیم فلزی اضافی است و در نتیجه محصول نهایی Hafnium فلزی اسفنجی است. اگر ماده کاهش دهنده به جای منیزیم از سدیم استفاده کند ، مرحله پنجم باید به غوطه وری آب تغییر یابد
روش ذخیره سازی:
در یک انبار خنک و تهویه نگهداری کنید. از جرقه ها و منابع حرارتی خودداری کنید. آن را باید به طور جداگانه از اکسیدان ها ، اسیدها ، هالوژن ها و غیره ذخیره کرد و از مخلوط کردن ذخیره جلوگیری کرد. با استفاده از امکانات روشنایی و تهویه ضد انفجار. ممنوعیت استفاده از تجهیزات مکانیکی و ابزارهایی که مستعد جرقه هستند. فضای ذخیره سازی باید به مواد مناسب مجهز شود تا نشت داشته باشد.
زمان پست: سپتامبر 25-2023