Hafnium, metalli HF, atominumero 72, atomipaino 178,49, on kiiltävä hopeaharmaa siirtymämetalli.
Hafniumilla on kuusi luonnollisesti stabiilia isotooppeja: Hafnium 174, 176, 177, 178, 179 ja 180. Hafnium ei reagoi laimennettujen suolahapon, laimentavan rikkihapon ja vahvojen alkaliliuosten kanssa, mutta se liukenee hydrofluorihapossa ja Aqua Regiassa. Kööpenhaminan kaupungin latinalaisesta nimestä tulee elementin nimi.
Vuonna 1925 ruotsalainen kemisti Hervey ja hollantilainen fyysikko Koster saivat puhtaan hafniumsuolan fluorattujen kompleksisuolojen fraktionaalisella kiteyttämisellä ja vähensivät sitä metallisella natriumilla puhtaan metallin hafniumin saamiseksi. Hafnium sisältää 0,00045% maapallon kuoresta ja liittyy usein zirkoniumiin.
Tuotteen nimi: Hafnium
Elementtisymboli: HF
Atomipaino: 178,49
Elementtityyppi: Metallinen elementti
Fysikaaliset ominaisuudet:
Hafniumon hopeaharmaa metalli, jolla on metallinen kiilto; HAFNIUM: n metalli -hafniumia on kaksi: a hafnium on kuusikulmainen tarkasti pakattu variantti (1750 ℃), jolla on korkeampi transformaatiolämpötila kuin zirkonium. Metalli hafniumilla on allotrope -variantteja korkeissa lämpötiloissa. Metallihafniumilla on korkea neutronien absorptiopoikki, ja sitä voidaan käyttää reaktorien kontrollimateriaalina.
Kiderakenteita on kahta tyyppiä: kuusikulmainen tiheä pakkaus lämpötiloissa alle 1300 ℃（ α-yhtälö); Yli 1300 ℃: n lämpötiloissa se on kehon keskitetty kuutiometriä （β-yhtälö). Metalli, jolla on plastisuus, joka kovettuu ja muuttuu hauras epäpuhtauksien läsnä ollessa. Vakaa ilmassa, vain tummenee pinnalla poltettuna. Filamentit voidaan sytyttää ottelun liekillä. Zirkoniumin kaltaiset ominaisuudet. Se ei reagoi veden, laimentavien happojen tai vahvojen emäksien kanssa, mutta se on helposti liukenevat vesirgiaan ja hydrofluorivetyhappoon. Pääasiassa yhdisteissä, joilla on+4 valenssi. Hafnium -seoksella (TA4HFC5) tiedetään olevan suurin sulamispiste (noin 4215 ℃).
Kristallirakenne: Kidekassi on kuusikulmainen
CAS-numero: 7440-58-6
Sulamispiste: 2227 ℃
Kiehumispiste: 4602 ℃
Kemialliset ominaisuudet:
Hafniumin kemialliset ominaisuudet ovat hyvin samankaltaisia kuin zirkoniumin, ja sillä on hyvä korroosionkestävyys, eikä yleiset happaman alkalin vesipitoiset liuokset ole helposti syöpineet; Liukenee helposti hydrofluorivetyhappoon fluorattujen kompleksien muodostamiseksi. Korkeissa lämpötiloissa Hafnium voi myös yhdistää suoraan kaasuihin, kuten happea ja typpeä oksidien ja nitridien muodostamiseksi.
Hafniumilla on usein+4 valenssi yhdisteissä. Pääyhdiste onhafniumoksidiHFO2. Hafnium -oksidia on kolme erilaista varianttia:hafniumoksidiSaatu hafniumsulfaatin ja kloridioksidin jatkuvalla kalsinoimalla on monokliininen variantti; HAFNIUM -oksidi, joka on saatu lämmittämällä Hafniumin hydroksidia noin 400 ℃: ssä, on tetragonaalinen variantti; Jos kalsinoidaan yli 1000 ℃, voidaan saada kuutiovariantti. Toinen yhdiste onhafnium -tetrakloridi, joka on raaka -aine metallin hafniumin valmistukseen ja voidaan valmistaa reagoimalla kloorikaasua hafniumoksidin ja hiilen seokseen. Hafnium -tetrakloridi joutuu kosketuksiin veden kanssa ja hydrolysoi välittömästi erittäin stabiiliksi HFO (4H2O) 2+-ioneiksi. HFO2+-ioneja esiintyy monissa hafnium -yhdisteissä ja voivat kiteyttää neulanmuotoiset hydratoituneet hafnium -oksikloridi Hfocl2 · 8H2O -kiteitä suolahappohappohappohappotednium -tetrakloridiliuoksessa.
4-valentti Hafnium on myös taipuvainen muodostamaan komplekseja fluoridin kanssa, joka koostuu K2HFF6, K3HFF7, (NH4) 2HFF6 ja (NH4) 3HFF7. Näitä komplekseja on käytetty zirkoniumin ja hafniumin erottamiseen.
Yleiset yhdisteet:
Hafnium -dioksidi: Nimi hafnium -dioksidi; Hafnium -dioksidi; Molekyyl kaava: HFO2 [4]; Ominaisuus: Valkoinen jauhe, jolla on kolme kiderakennetta: monokliininen, tetragonaalinen ja kuutio. Tiheydet ovat vastaavasti 10,3, 10,1 ja 10,43 g/cm3. Sulamispiste 2780-2920k. Kiehumispiste 5400k. Lämpölaajennuskerroin 5,8 × 10-6/℃. Liukenematon veteen, suolahapossa ja typpihapoissa, mutta liukenevat konsentroituneeseen rikkihapossa ja hydrofluorivetyessä. Tuotettu yhdisteiden, kuten hafniumsulfaatin ja hafnium -oksikloridin, lämpöhajoamisella tai hydrolyysillä. Raaka -aineet metalli- ja hafnium -seosten tuotantoon. Käytetään tulenkestävänä materiaalina, anti -radioaktiivisina pinnoitteina ja katalyytteinä. [5] Atomienergiataso HFO on tuote, joka on saatu samanaikaisesti atomienergiatason ZRO: n valmistettaessa. Toissijaisesta kloorauksesta alkaen puhdistus-, pelkistys- ja tyhjiötislausprosessit ovat melkein identtisiä zirkoniumin kanssa.
Hafnium -tetrakloridi: Hafnium (IV) kloridi, Hafnium -tetrakloridimolekyylinen kaava HFCL4 -molekyylipaino 320,30 merkki: Valkoinen kiteinen lohko. Herkkä kosteudelle. Liukoinen asetoniin ja metanoliin. Hydrolysoi vedessä hafnium -oksikloridin (HFOCL2) tuottamiseksi. Kuumenna arvoon 250 ℃ ja haihtu. Ärsyttävä silmille, hengityselimille ja iholle.
Hafnium -hydroksidi: Hafnium -hydroksidi (H4HFO4), jota yleensä esiintyy hydratoituneena oksidina HFO2 · NH2O: na, on liukenematon veteen, liukenee helposti epäorgaanisiin hapoihin, liukenemattomia ammoniakkiin ja liukenevat harvoin natriumhydroksidiin. Lämmitä 100 ℃: een hafniumhydroksidi HFO (OH) 2. Valkoinen hafnium -hydroksidisaos voidaan saada reagoimalla hafnium (IV) -suola ammoniakkivedellä. Sitä voidaan käyttää muiden hafnium -yhdisteiden tuottamiseen.
Tutkimushistoria
Löytöhistoria:
Vuonna 1923 ruotsalainen kemisti Hervey ja hollantilainen fyysikko D. Koster löysi Hafniumin zirkonista, joka oli tuotettu Norjassa ja Grönlannissa, ja nimitti sen Hafnium, joka oli peräisin Kööpenhaminan latinalaisen nimen Hafniasta. Vuonna 1925 Hervey ja Coster erottivat zirkoniumin ja titaanin käyttämällä fluorattujen kompleksisuolojen fraktionaalista kiteytymistä puhtaiden hafnium -suolojen saamiseksi; Ja vähennä hafnium -suolaa metallisella natriumilla puhtaan metallin hafniumin saamiseksi. Hervey laati näytteen useista milligrammista puhtaan hafniumista.
Kemialliset kokeet zirkoniumista ja hafniumista:
Professori Carl Collinsin tekemässä kokeessa Texasin yliopistossa vuonna 1998 väitettiin, että gamma-säteilytetty Hafnium 178M2 (isomeeri Hafnium-178M2 [7]) voi vapautua valtavasta energiasta, joka on viisi suuruusluokkaa korkeampi kuin kemialliset reaktiot, mutta kolme suuruusluokkaa alhaisempi kuin ydinreaktiot. . Collinsin raportissa todetaan, että yksi gramma puhdasta HF178M2: ta (Hafnium 178M2) sisältää noin 1330 megajoulia, mikä vastaa energiaa, joka vapautuu 300 kilogramman räjähdyksen räjähdyksellä. Collinsin raportti osoittaa, että kaikki tämän reaktion energia vapautuu röntgensäteiden tai gammasäteiden muodossa, jotka vapauttavat energiaa erittäin nopealla nopeudella, ja HF178M2 (Hafnium 178M2) voivat silti reagoida erittäin alhaisissa pitoisuuksissa. [9] Pentagon on myöntänyt varoja tutkimukselle. Kokeessa signaali-kohinasuhde oli erittäin alhainen (merkittävillä virheillä), ja siitä lähtien useiden organisaatioiden, kuten Yhdysvaltojen puolustusministeriön edistyneiden hankkeiden tutkimusviraston (DARPA) ja Jason Defense Advisory -ryhmän, tutkijoiden tutkijoiden useista kokeista [13], mikään tiedemies ei ole pystynyt saavuttamaan tätä reaktiota Collins-ehdotusten väitetyn ehdolla olevien reaktioiden väittämien olosuhteiden puitteissa, ja Collins ei ole tarjonnut vahvaa todisteita tämän reaktion olemassaoloon, joka on tarkoitettu a. Ray -päästö HF178M2: n energian vapauttamiseksi (Hafnium 178M2) [15], mutta muut tutkijat ovat teoreettisesti todistaneet, että tätä reaktiota ei voida saavuttaa. [16] HF178M2 (Hafnium 178M2) uskotaan laajasti akateemiseen yhteisöön, joka ei ole energian lähde
Sovelluskenttä:
Hafnium on erittäin hyödyllinen, koska se kykenee pääsemään elektroneihin, kuten hehkulamppujen filamenttina käytettynä. Käytetään röntgenputkien katodina, ja hafniumin ja volframin tai molybdeenien seoksia käytetään elektrodeina korkeajännitepoistoputkille. Yleisesti käytetty katodi- ja volframilankojen valmistusteollisuudessa röntgenkuvien varalta. Puhdas Hafnium on tärkeä materiaali atomienergiateollisuudessa sen plastisuuden, helpon käsittelyn, korkean lämpötilankestävyyden ja korroosionkestävyyden vuoksi. Hafniumilla on suuri lämpöneutronien kaappaus poikkileikkaus ja se on ihanteellinen neutronien absorboija, jota voidaan käyttää ohjaustangona ja suojalaitteena atomireaktoreille. Hafnium -jauhetta voidaan käyttää potkurina raketteille. Röntgenputkien katodi voidaan valmistaa sähköteollisuudessa. Hafnium-seos voi toimia eteenpäin suuntautuvana suojakerroksena rakettisuuttimille ja liukumisilmaisille lentokoneille, kun taas HF TA-seosta voidaan käyttää työkalujen teräs- ja vastusmateriaalien valmistukseen. Hafniumia käytetään additiivisena elementtinä lämmönkestävissä seoksissa, kuten volframi, molybdeeni ja tantaali. HFC: tä voidaan käyttää kovien seosten lisäaineena sen suuren kovuuden ja sulamispisteen vuoksi. 4TachFC: n sulamispiste on noin 4215 ℃, mikä tekee siitä yhdisteen, jolla on korkein tunnettu sulamispiste. Hafniumia voidaan käyttää getterinä monissa inflaatiojärjestelmissä. Hafnium -getterit voivat poistaa tarpeettomia kaasuja, kuten järjestelmässä olevia happea ja typpeä. Hafniumia käytetään usein lisäaineena hydrauliöljyssä hydrauliöljyn haihtumisen estämiseksi korkean riskin operaatioiden aikana, ja sillä on vahvat anti-haihtuvuusominaisuudet. Siksi sitä käytetään yleensä teollisessa hydrauliöljyssä. Lääketieteellinen hydrauliöljy.
Hafnium -elementtiä käytetään myös viimeisimmissä Intel 45 -nanoprosessorissa. Prosessorin valmistajat käyttävät piidioksidia Gate -dielektristen materiaalina piididioksidin (SiO2) valmistettavuuden vuoksi, että sen kyky vähentää paksuutta jatkuvasti parantaa transistorin suorituskykyä. Kun Intel esitteli 65 nanometrin valmistusprosessin, vaikka se oli kaikin tavoin pyrkinyt vähentämään piidioksidiportin dielektrisen paksuuden 1,2 nanometriin, mikä vastaa viittä atomia kerrosta, tehonkulutuksen vaikeus ja lämmön hajoaminen lisääntyisi myös, kun transistori alensi atomin kokoa, mikä johtuu nykyisestä jätteestä ja epämuodollisesta lämmönergiasta. Siksi, jos nykyisiä materiaaleja jatketaan ja paksuutta vähenee edelleen, portin dielektrisen vuoto kasvaa merkittävästi, mikä vähentää transistoritekniikkaa sen rajoihin. Tämän kriittisen ongelman ratkaisemiseksi Intel aikoo käyttää paksumpia korkeita K -materiaaleja (Hafnium -pohjaisia materiaaleja) porttien dielektrisinä piisidioksidin sijasta, joka on onnistuneesti vähentänyt vuotoa yli 10 kertaa. Verrattuna edellisen sukupolven 65 nm: n tekniikkaan, Intelin 45 nm: n prosessi lisää transistoritiheyttä melkein kahdesti, mikä mahdollistaa transistorien kokonaismäärän tai prosessorin määrän vähentymisen. Lisäksi transistorin kytkemiseen tarvittava teho on alhaisempi, mikä vähentää virrankulutusta lähes 30%. Sisäiset liitännät on valmistettu kuparilangasta, joka on pariksi alhaisen K -dielektrisen kanssa, sujuvasti parantaa tehokkuutta ja vähentää virrankulutusta, ja kytkentänopeus on noin 20% nopeampi
Mineraalijakauma:
Hafniumilla on suurempi kuoren runsaus kuin yleisesti käytettyjen metallien, kuten vismutti, kadmium ja elohopea, ja se on vastaava Berylliumille, germaniumille ja uraanille. Kaikki zirkoniumia sisältävät mineraalit sisältävät hafniumia. Teollisuudessa käytetty zirkoni sisältää 0,5-2% hafniumia. Beryllium -zirkoni (alvite) sekundaarisessa zirkoniummalmissa voi sisältää jopa 15% hafniumia. Siellä on myös eräänlainen metamorfinen zirkoni, cyrtoliitti, joka sisältää yli 5% HFO: ta. Kahden viimeksi mainitun mineraalin varannot ovat pieniä, eikä niitä ole vielä otettu käyttöön teollisuudessa. Hafnium otetaan takaisin pääasiassa zirkoniumin tuotannon aikana.
Se on useimmissa zirkoniummalmeissa. [18] [19] Koska kuoressa on hyvin vähän sisältöä. Se esiintyy usein zirkoniumin kanssa eikä siinä ole erillistä malmia.
Valmistusmenetelmä:
1. Se voidaan valmistaa vähentämällä hafnium -tetrakloridia tai hafniumjodidin lämpöhajoamista. HFCL4: tä ja K2HFF6: ta voidaan käyttää myös raaka -aineina. NaCl KCl HFCL4- tai K2HFF6 -sulan elektrolyyttisen tuotantoprosessi on samanlainen kuin zirkoniumin elektrolyyttinen tuotanto.
2. Hafnium esiintyy samanaikaisesti zirkoniumin kanssa, eikä Hafniumille ole erillistä raaka -ainetta. Raaka -aine hafniumin valmistukseen on raaka hafniumoksidi, joka on erotettu zirkoniumin valmistusprosessin aikana. Uute hafniumoksidi käyttämällä ioninvaihtohartsia ja käytä sitten samaa menetelmää kuin zirkonium metallin hafniumin valmistamiseksi tästä hafniumoksidista.
3. Se voidaan valmistaa CO -lämmittämällä hafnium -tetrakloridia (HFCL4) natriumilla pelkistämisen avulla.
Varhaisimmat menetelmät zirkoniumin ja hafniumin erottamiseksi olivat fluorattujen kompleksisuolojen fraktionaalinen kiteytyminen ja fosfaattien fraktioinen saostuminen. Nämä menetelmät ovat hankalia toimia ja ne rajoittuvat laboratorion käyttöön. Uusia tekniikoita zirkoniumin ja hafniumin erottamiseksi, kuten fraktioinnin tislaus, liuotinuutto, ioninvaihto ja fraktioinnin adsorptio, ovat syntyneet peräkkäin, liuotinuutto on käytännöllisempi. Kaksi yleisesti käytettyä erotusjärjestelmää ovat tiosyanaattisykloheksanonijärjestelmä ja tributyylifosfaatin typpihappojärjestelmä. Yllä olevilla menetelmillä saadut tuotteet ovat kaikki hafnium -hydroksidia, ja puhdasta hafniumoksidia voidaan saada kalsinoimalla. Korkea puhtaus hafnium voidaan saada ioninvaihtomenetelmällä.
Teollisuudessa Metal Hafnium -tuotantoon liittyy usein sekä Kroll -prosessia että Debor Aker -prosessia. Kroll -prosessi sisältää hafnium -tetrakloridin vähentämisen metallimagnesiumia käyttämällä:
2 mg+hfcl4- → 2 mgcl2+hf
Debor Aker -menetelmää, joka tunnetaan myös nimellä jodisaatiomenetelmä, käytetään sienen, kuten hafniumin, puhdistamiseen ja muokattavan metallin hafniumin saamiseen.
5. Hafniumin sulattaminen on periaatteessa sama kuin zirkonium:
Ensimmäinen vaihe on malmin hajoaminen, johon sisältyy kolme menetelmää: zirkonin klooraus (ZR, HF) CL: n saamiseksi. Zirkonin alkali sulatus. Zirkoni sulaa NaOH: n kanssa noin 600: n kohdalla ja yli 90% (Zr, HF) o muuttuu Na (ZR, HF) O: ksi, kun siR muuttuu NASIO: ksi, joka liuentuu veteen poistamista varten. NA (ZR, HF) O voidaan käyttää alkuperäisenä liuoksena zirkoniumin ja hafniumin erottamiseen HNO: hon liuottamisen jälkeen. SiO -kolloidien läsnäolo vaikeuttaa kuitenkin liuotinuuttoerottelua. Sinteri KSIF: n kanssa ja liota vedessä K (ZR, HF) F -liuoksen saamiseksi. Liuos voi erottaa zirkoniumin ja hafniumin fraktionaalisen kiteytymisen kautta;
Toinen vaihe on zirkoniumin ja hafniumin erottaminen, jotka voidaan saavuttaa käyttämällä liuotinuutto-erotusmenetelmiä käyttämällä suolahappo MIBK (metyyli-isobutyyliketoni) -järjestelmää ja HNO-TBP (tributyylifosfaatti) -järjestelmää. Monivaiheisen fraktiointitekniikkaa käyttämällä HFCL: n ja ZRCL: n välistä höyrynpaine-eroa sulaa korkealla paineella (yli 20 ilmakehää) on jo kauan tutkittu, mikä voi säästää toissijaisen kloorausprosessin ja vähentää kustannuksia. (ZR, HF) CL: n ja HCL: n korroosioongelman vuoksi sopivien fraktiointipylvään materiaalien löytäminen ei kuitenkaan ole helppoa, ja se myös vähentää ZRCL: n ja HFCL: n laatua, mikä lisää puhdistuskustannuksia. 1970 -luvulla se oli edelleen keskituotteiden testausvaiheessa;
Kolmas vaihe on HFO: n sekundaarinen klooraus raa'an HFCL: n saamiseksi pelkistämistä varten;
Neljäs vaihe on HFCL: n ja magnesiumin pelkistyksen puhdistaminen. Tämä prosessi on sama kuin ZRCL: n puhdistaminen ja vähentäminen, ja tuloksena oleva puolivalmistu tuote on karkea sieni hafnium;
Viides vaihe on tyhjiö tislata raa'an sienen hafnium MGCL: n poistamiseksi ja ylimääräisen metallimagnesiumin palauttamiseksi, mikä johtaa sienimetallihaafniumin lopputuotteeseen. Jos pelkistävä aine käyttää natriumia magnesiumin sijasta, viides vaihe tulisi vaihtaa veden upotukseksi
Tallennusmenetelmä:
Säilytä viileässä ja tuuletetussa varastossa. Pidä poissa kipinöistä ja lämpölähteistä. Se tulisi varastoida erikseen hapettimista, hapoista, halogeeneista jne. Ja välttää varastoinnin sekoittaminen. Räjähdyksenkestävä valaistus- ja tuuletuslaitokset. Kielletä kipinöille alttiiden mekaanisten laitteiden ja työkalujen käyttö. Varastointialue on varustettava sopivilla materiaaleilla vuotojen sisältämiseksi.
Viestin aika: syyskuu-25-2023