Hafnium, metaal Hf, atoomnummer 72, atoomgewicht 178,49, is in glanzend sulvergriis oergongsmetaal.
Hafnium hat seis natuerlik stabile isotopen: hafnium 174, 176, 177, 178, 179 en 180. Hafnium reagearret net mei verdunde sâltsûr, verdunde sulfuric acid en sterke alkaline oplossingen, mar is oplosber yn hydrofluoric acid en aqua regia. De elemintnamme komt fan 'e Latynske namme fan Kopenhagen City.
Yn 1925 krigen de Sweedske skiekundige Hervey en de Nederlânske natuerkundige Koster suver hafnium sâlt troch fraksjonele kristallisaasje fan fluorinearre komplekse sâlten, en fermindere it mei metallysk natrium om suver metaal hafnium te krijen. Hafnium befettet 0,00045% fan 'e ierdkoarste en wurdt yn 'e natuer faak ferbûn mei sirkonium.
Produktnamme: hafnium
Elemint symboal: Hf
Atoomgewicht: 178,49
Elemint type: metallysk elemint
Fysike eigenskippen:
Hafniumis in sulvergriis metaal mei in metallyske glâns; D'r binne twa farianten fan metaal hafnium: α Hafnium is in hexagonale nau ynpakt fariant (1750 ℃) mei in hegere transformaasjetemperatuer dan sirkonium. Metal hafnium hat allotrope farianten by hege temperatueren. Metal hafnium hat in hege neutron absorption dwerstrochsneed en kin brûkt wurde as kontrôle materiaal foar reaktors.
D'r binne twa soarten kristalstruktueren: hexagonale dichte ynpakken by temperatueren ûnder 1300 ℃ (α- Fergeliking); By temperatueren boppe 1300 ℃ is it lichemssintraal kubysk (β- Fergeliking). In metaal mei plastykens dat ferhurdet en bros wurdt yn 'e oanwêzigens fan ûnreinheden. Stabiel yn 'e loft, wurdt allinich tsjuster op it oerflak as it ferbaarnd wurdt. De filaminten kinne oanstutsen wurde troch de flam fan in wedstryd. Eigenskippen fergelykber mei sirkonium. It reagearret net mei wetter, verdunde soeren, of sterke basen, mar is maklik oplosber yn aqua regia en hydrofluoric acid. Benammen yn ferbiningen mei in +4 valence. Hafnium-legering (Ta4HfC5) is bekend om it heechste rânpunt te hawwen (likernôch 4215 ℃).
Kristalstruktuer: De kristalsel is hexagonaal
CAS number: 7440-58-6
Smeltpunt: 2227 ℃
Kookpunt: 4602 ℃
Gemyske eigenskippen:
De gemyske eigenskippen fan hafnium binne tige ferlykber mei dy fan sirkonium, en it hat goede corrosie ferset en is net maklik corroded troch algemiene soere alkali aqueous oplossings; Maklik oplosber yn hydrofluoric acid te foarmjen fluorinated kompleksen. By hege temperatueren kin hafnium ek direkt kombinearje mei gassen lykas soerstof en stikstof om oksyden en nitriden te foarmjen.
Hafnium hat faak in +4-valinsje yn ferbiningen. De wichtichste ferbining ishafnium oksideHfO2. Der binne trije ferskillende farianten fan hafnium okside:hafnium oksidekrigen troch trochgeande calcination fan hafnium sulfate en chloride okside is in monoclinic fariant; It hafnium okside krigen troch it ferwaarmjen fan it hydroxide fan hafnium op sawat 400 ℃ is in tetragonale fariant; As calcined boppe 1000 ℃, kin in kubike fariant wurde krigen. In oare ferbining ishafniumtetrachloride, dat is it grûnstof foar it tarieden fan metaal hafnium en kin wurde taret troch reagearjen fan chloorgas op in mingsel fan hafnium okside en koalstof. Hafniumtetrachloride komt yn kontakt mei wetter en hydrolyseart fuortendaliks yn tige stabile HfO (4H2O) 2+-ionen. HfO2 + ioanen bestean yn in protte ferbiningen fan hafnium, en kin crystallize needle shaped hydrated hafnium oxychloride HfOCl2 · 8H2O kristallen yn hydrochloric acid acidified hafnium tetrachloride oplossing.
4-valent hafnium is ek gefoelich foar it foarmjen fan kompleksen mei fluoride, besteande út K2HfF6, K3HfF7, (NH4) 2HfF6, en (NH4) 3HfF7. Dizze kompleksen binne brûkt foar de skieding fan sirkonium en hafnium.
Algemiene ferbiningen:
Hafnium dioxide: namme Hafnium dioxide; Hafnium dioxide; Molekulêre formule: HfO2 [4]; Eigenskip: Wyt poeder mei trije kristalstruktueren: monoklinysk, tetragonaal en kubysk. De tichtens binne respektivelik 10,3, 10,1 en 10,43g/cm3. Smeltpunt 2780-2920K. Kookpunt 5400K. Termyske útwreidingskoëffisjint 5,8 × 10-6/℃. Unoplosber yn wetter, hydrochloric acid en salpetersûr, mar oplosber yn konsintrearre sulfuric acid en hydrofluoric acid. Produsearre troch termyske ûntbining of hydrolyse fan ferbiningen lykas hafnium sulfate en hafnium oxychloride. Grûnstoffen foar de produksje fan metaal hafnium en hafnium alloys. Wurdt brûkt as fjoervaste materialen, anty-radioaktive coating, en katalysatoren. [5] Atoomenerzjynivo HfO is in produkt dat tagelyk wurdt krigen by it produsearjen fan atoomenerzjynivo ZrO. Utgeande fan sekundêre chlorinaasje binne de prosessen fan suvering, reduksje en fakuümdestillaasje hast identyk oan dy fan sirkonium.
Hafniumtetrachloride: Hafnium (IV) chloride, Hafnium tetrachloride Molekulêre formule HfCl4 Molekulêre gewicht 320,30 Karakter: Wyt kristallijn blok. Gefoel foar focht. Oplosber yn aceton en methanol. Hydrolyze yn wetter om hafniumoxychloride (HfOCl2) te meitsjen. Ferwaarmje oant 250 ℃ en ferdampe. Irriterend foar eagen, luchtwegen en hûd.
Hafniumhydroxide: Hafniumhydroxide (H4HfO4), meast oanwêzich as in hydratisearre okside HfO2 · nH2O, is ûnoplosber yn wetter, maklik oplosber yn anorganyske soeren, ûnoplosber yn ammoniak, en selden oplosber yn natriumhydroxide. Ferwaarmje oant 100 ℃ om hafniumhydroxide HfO (OH) te generearjen 2. Wite hafniumhydroxide-precipitaat kin krigen wurde troch hafnium (IV) sâlt te reagearjen mei ammoniakwetter. It kin brûkt wurde om oare hafnium-ferbiningen te meitsjen.
Undersyk Skiednis
Skiednis fan ûntdekking:
Yn 1923 ûntdutsen de Sweedske skiekundige Hervey en de Nederlânske natuerkundige D. Koster hafnium yn sirkoon produsearre yn Noarwegen en Grienlân, en neamden it hafnium, dat ûntstien is fan 'e Latynske namme Hafnia fan Kopenhagen. Yn 1925, Hervey en Coster skieden sirkonium en titanium mei help fan de metoade fan fraksjonele kristallisaasje fan fluorinated komplekse sâlten te krijen suver hafnium sâlten; En ferminderje hafnium sâlt mei metallysk natrium te krijen suver metaal hafnium. Hervey makke in stekproef fan ferskate milligrams fan suver hafnium.
Gemyske eksperiminten op sirkonium en hafnium:
Yn in eksperimint útfierd troch professor Carl Collins oan 'e Universiteit fan Teksas yn 1998, waard beweare dat gamma-bestriele hafnium 178m2 (it isomeer hafnium-178m2 [7]) enoarme enerzjy frijmeitsje kin, dy't fiif oarders fan grutte heger is as gemyske reaksjes, mar trije oarders fan grutte leger as kearnreaksjes. [8] Hf178m2 (hafnium 178m2) hat de langste libbensdoer ûnder ferlykbere langlibbene isotopen: Hf178m2 (hafnium 178m2) hat in heale libben fan 31 jier, wat resulteart yn in natuerlike radioaktiviteit fan likernôch 1,6 triljoen Becquerel. It rapport fan Collins stelt dat ien gram suvere Hf178m2 (hafnium 178m2) likernôch 1330 megajoule befettet, wat lykweardich is oan de enerzjy dy't frijkomt troch de eksploazje fan 300 kilogram TNT-eksplosiven. It rapport fan Collins jout oan dat alle enerzjy yn dizze reaksje frijkomt yn 'e foarm fan röntgenstralen of gammastrielen, dy't enerzjy mei in ekstreem hege snelheid frijmeitsje, en Hf178m2 (hafnium 178m2) kin noch by ekstreem lege konsintraasjes reagearje. [9] It Pentagon hat fûnsen tawiisd foar ûndersyk. Yn it eksperimint wie de sinjaal-to-lûd-ferhâlding heul leech (mei signifikante flaters), en sûnt dy tiid, nettsjinsteande meardere eksperiminten troch wittenskippers fan meardere organisaasjes, ynklusyf it Feriene Steaten Department of Defense Advanced Projects Research Agency (DARPA) en JASON Defense Advisory Groep [13], gjin wittenskipper is by steat om te berikken dizze reaksje ûnder de betingsten easke troch Collins, en Collins hat net levere sterk bewiis te bewizen it bestean fan dizze reaksje, Collins stelde in metoade foar it brûken fan induced gamma ray emisje te frijmeitsje enerzjy út Hf178m2 (hafnium 178m2) [15], mar oare wittenskippers hawwe teoretysk bewiisd dat dizze reaksje net berikt wurde kin. [16] Hf178m2 (hafnium 178m2) wurdt rûnom leaud yn 'e akademyske mienskip net in boarne fan enerzjy te wêzen
Applikaasjefjild:
Hafnium is tige nuttich fanwegen syn fermogen om elektroanen út te stjoeren, lykas as brûkt as gloeidraad yn gloeilampen. Wurdt brûkt as de kathode foar X-ray buizen, en alloys fan hafnium en wolfraam of molybdenum wurde brûkt as elektroden foar hege-voltage discharge buizen. Faak brûkt yn 'e kathode- en wolfraamdraadproduksjeyndustry foar röntgenstralen. Pure hafnium is in wichtich materiaal yn 'e atoomenerzjy-yndustry troch syn plastykens, maklike ferwurking, hege temperatuerresistinsje en korrosjebestriding. Hafnium hat in grutte thermyske neutrone capture dwerstrochsneed en is in ideale neutron absorber, dat kin brûkt wurde as in kontrôle rod en beskermjende apparaat foar atoomreaktors. Hafniumpoeder kin brûkt wurde as driuwend foar raketten. De kathode fan röntgenbuizen kin makke wurde yn 'e elektryske yndustry. Hafnium alloy kin tsjinje as de foarút beskermjende laach foar raket nozzles en glide re-entry fleantugen, wylst Hf Ta alloy kin brûkt wurde om te meitsjen ark stiel en ferset materialen. Hafnium wurdt brûkt as additief elemint yn waarmte-resistinte alloys, lykas wolfraam, molybdenum, en tantalum. HfC kin brûkt wurde as in tafoeging foar hurde alloys fanwege syn hege hurdens en smeltpunt. It rimpelpunt fan 4TaCHfC is sawat 4215 ℃, wêrtroch it de ferbining is mei it heechste bekende smeltpunt. Hafnium kin brûkt wurde as getter yn in protte ynflaasjesystemen. Hafnium-getters kinne ûnnedige gassen ferwiderje lykas soerstof en stikstof oanwêzich yn it systeem. Hafnium wurdt faak brûkt as tafoeging yn hydraulyske oalje om de fervluchtiging fan hydraulike oalje te foarkommen by operaasjes mei hege risiko, en hat sterke anty-volatiliteitseigenskippen. Dêrom wurdt it algemien brûkt yn yndustriële hydraulyske oalje. Medyske hydraulyske oalje.
Hafnium elemint wurdt ek brûkt yn de lêste Intel 45 nanoprocessors. Troch de manufacturability fan silisium dioxide (SiO2) en syn fermogen om te ferminderjen dikte om kontinu ferbetterjen transistor prestaasjes, prosessor fabrikanten brûke silisium dioxide as it materiaal foar poarte dielectrics. Doe't Intel it produksjeproses fan 65 nanometer yntrodusearre, hoewol it alle war dien hie om de dikte fan 'e silisiumdioxide-poarte-dielektrikum te ferminderjen nei 1,2 nanometer, lykweardich oan 5 lagen fan atomen, soe de muoite fan enerzjyferbrûk en waarmtedissipaasje ek tanimme as de transistor waard fermindere ta de grutte fan in atoom, wat resultearre yn hjoeddeistige ôffal en ûnnedige waarmte-enerzjy. Dêrom, as aktuele materialen wurde fierder brûkt en de dikte wurdt fierder fermindere, it lekken fan de poarte dielectric sil gâns tanimme, Bringing del transistor technology oan syn grinzen. Om dit krityske probleem oan te pakken, is Intel fan plan om dikkere materialen mei hege K (hafnium-basearre materialen) te brûken as poartedielektrika ynstee fan silisiumdioxide, dy't lekkage mei mear dan 10 kear mei súkses hat fermindere. Yn ferliking mei de foarige generaasje fan 65nm-technology fergruttet Intel's 45nm-proses de transistortichte mei hast twa kear, wêrtroch in ferheging fan it totale oantal transistors of in fermindering fan prosessorvolumint mooglik is. Derneist is de krêft dy't nedich is foar transistor-skeakeljen leger, wat it enerzjyferbrûk mei hast 30% ferminderet. De ynterne ferbiningen binne makke fan koperdraad keppele mei lege k dielektrikum, it ferbetterjen fan effisjinsje soepel en it ferminderjen fan enerzjyferbrûk, en de skeakelsnelheid is sawat 20% rapper
Mineral distribúsje:
Hafnium hat in hegere korst oerfloed as meast brûkte metalen lykas bismuth, kadmium, en kwik, en is lykweardich yn ynhâld oan beryllium, germanium, en uranium. Alle mineralen mei sirkonium befetsje hafnium. Zirkoon brûkt yn yndustry befettet 0,5-2% hafnium. De beryllium zircon (Alvite) yn sekundêre sirkoniumerts kin oant 15% hafnium befetsje. D'r is ek in soarte fan metamorphic sirkoon, cyrtolit, dy't mear as 5% HfO befettet. De reserves fan de lêste twa mineralen binne lyts en binne noch net oannommen yn de yndustry. Hafnium wurdt benammen weromfûn by de produksje fan sirkonium.
It bestiet yn de measte sirkoniumertsen. [18] [19] Omdat der in hiel bytsje ynhâld yn 'e koarste. It bestiet faak tegearre mei sirkonium en hat gjin aparte erts.
Tarieding metoade:
1. It kin wurde taret troch magnesium reduksje fan hafnium tetrachloride of termyske ûntbining fan hafnium iodide. HfCl4 en K2HfF6 kinne ek brûkt wurde as grûnstoffen. It proses fan elektrolytyske produksje yn NaCl KCl HfCl4 of K2HfF6 smelt is fergelykber mei dat fan elektrolytyske produksje fan sirkonium.
2. Hafnium bestiet tegearre mei sirkonium, en der is gjin aparte grûnstof foar hafnium. De grûnstof foar it meitsjen fan hafnium is rûch hafnium okside skieden tidens it proses fan it meitsjen fan sirkonium. Extract hafnium okside mei ion útwikseling hars, en brûk dan deselde metoade as sirkonium te rieden metaal hafnium út dit hafnium okside.
3. It kin wurde taret troch co ferwaarming hafnium tetrachloride (HfCl4) mei natrium troch reduksje.
De ierste metoaden foar it skieden fan sirkonium en hafnium wiene fraksjonele kristallisaasje fan fluorinearre komplekse sâlten en fraksjonele delslach fan fosfaten. Dizze metoaden binne omslachtich om te operearjen en binne beheind ta laboratoariumgebrûk. Nije technologyen foar it skieden fan sirkonium en hafnium, lykas fractionation distillation, solvent ekstraksje, ion útwikseling, en fractionation adsorption, binne ûntstien ien nei de oare, mei solvent ekstraksje is mear praktysk. De twa meast brûkte skiedingssystemen binne it thiocyanate cyclohexanone-systeem en it tributylfosfaat-salpetersûrsysteem. De produkten krigen troch de boppesteande metoaden binne allegear hafniumhydroxide, en suver hafniumoxide kin wurde krigen troch kalsinaasje. Heech suverens hafnium kin wurde krigen troch ion útwikseling metoade.
Yn 'e yndustry giet de produksje fan metaal hafnium faak sawol it Kroll-proses as it Debor Aker-proses om. It Kroll-proses omfettet de reduksje fan hafniumtetrachloride mei metallysk magnesium:
2Mg+HfCl4- → 2MgCl2+Hf
De Debor Aker-metoade, ek wol bekend as de iodisaasjemetoade, wurdt brûkt om spons lykas hafnium te suverjen en smeedber metaal hafnium te krijen.
5. It smelten fan hafnium is yn prinsipe itselde as dat fan sirkonium:
De earste stap is de ûntbining fan it erts, wêrby't trije metoaden omfetsje: chlorinaasje fan sirkon om (Zr, Hf) Cl te krijen. Alkali smelten fan sirkon. Zirkon smelt mei NaOH by sawat 600, en mear as 90% fan (Zr, Hf) O feroaret yn Na (Zr, Hf) O, mei SiO omfoarme ta NaSiO, dat wurdt oplost yn wetter foar ferwidering. Na (Zr, Hf) O kin brûkt wurde as de oarspronklike oplossing foar it skieden fan sirkonium en hafnium nei't se oplost binne yn HNO. De oanwêzigens fan SiO-kolloïden makket lykwols skieding fan solvent-ekstraksje lestich. Sinterje mei KSiF en soak yn wetter om K (Zr, Hf) F-oplossing te krijen. De oplossing kin skieden sirkonium en hafnium troch fraksjonele crystallization;
De twadde stap is de skieding fan sirkonium en hafnium, dat kin wurde berikt mei help fan oplosmiddel ekstraksje skieding metoaden mei help fan hydrochloric acid MIBK (methyl isobutyl ketone) systeem en HNO-TBP (tributyl fosfaat) systeem. De technology fan multi-stage fractionation mei help fan it ferskil yn damp druk tusken HfCl en ZrCl smelten ûnder hege druk (boppe 20 atmosfearen) is al lang studearre, dat kin besparje de sekundêre chlorination proses en ferminderjen kosten. Lykwols, fanwege de corrosie probleem fan (Zr, Hf) Cl en HCl, is it net maklik te finen geskikt fractionation kolom materialen, en it sil ek ferminderje de kwaliteit fan ZrCl en HfCl, tanimmende suvering kosten. Yn de jierren 1970, it wie noch yn de tuskenlizzende plant test faze;
De tredde stap is de sekundêre chlorinaasje fan HfO om rau HfCl te krijen foar reduksje;
De fjirde stap is de suvering fan HfCl en magnesium reduksje. Dit proses is itselde as de suvering en reduksje fan ZrCl, en de resultearjende semi-ferwurke produkt is grof sponge hafnium;
De fyfde stap is it fakuümdestillearjen fan rûge spons hafnium om MgCl te ferwiderjen en oerstallich metaalmagnesium werom te heljen, wat resulteart yn in klear produkt fan sponsmetaalhafnium. As it reduksjemiddel natrium brûkt ynstee fan magnesium, moat de fyfde stap feroare wurde yn wetterdompeling
Opslachmetoade:
Bewarje yn in koel en fentilearre pakhús. Hâld fuort fan vonken en waarmte boarnen. It moat apart wurde opslein fan oksidanten, soeren, halogenen, ensfh., En foarkomme mingde opslach. It brûken fan eksploazjebestindige ferljochting en fentilaasjefoarsjenningen. Ferbiede it gebrûk fan meganyske apparatuer en ark dy't gefoelich binne foar vonken. It opslachgebiet moat wurde foarsjoen fan gaadlik materiaal om lekken te befetsjen.
Post tiid: Sep-25-2023