Hafnium, Fém HF, Atomice 72, Atomy Súly 178.49, egy fényes ezüstszürke átmeneti fém.
A Hafniumnak hat természetes stabil izotópja van: Hafnium 174, 176, 177, 178, 179 és 180. A Hafnium nem reagál híg sósavval, híg kénsavval és erős lúgos oldatokkal, hanem hidrofluorsavban és az Aqua Regia -ban. Az elem neve Koppenhága város latin nevéből származik.
1925 -ben Hervey svéd kémikus és Koster holland fizikus tiszta hafnium -sót kaptak a fluortartalmú komplex sók frakcionált kristályosodása révén, és fém nátriummal csökkentették, hogy tiszta fém hafniumot kapjanak. A Hafnium a földkéreg 0,00045% -át tartalmazza, és gyakran a cirkóniummal társul.
Termék neve: Hafnium
Elem szimbóluma: HF
Atomtömeg: 178,49
Elem típusa: Fémelem
Fizikai tulajdonságok:
Hafniumezüst szürke fém fémes csillogással; A fém hafnium két változata van: az α hafnium egy hatszögletű, szorosan csomagolt változat (1750 ℃), nagyobb transzformációs hőmérsékleten, mint a cirkónium. A fém hafnium magas hőmérsékleten allotróp variánsokkal rendelkezik. A fém hafnium magas neutron abszorpciós keresztmetszetű, és a reaktorok kontroll anyagként használható.
Kétféle kristályszerkezet létezik: hatszögletű sűrű csomagolás 1300 ℃（ α-egyenlet alatti hőmérsékleten); 1300 ℃ feletti hőmérsékleten testközpontú köbös β-egyenlet). Plaszticitású fém, amely megkeményedik és törékeny lesz szennyeződések jelenlétében. Stabil a levegőben, csak a felszínen sötétedik, amikor égetik. A szálakat egy mérkőzés lángja meggyújthatja. A cirkóniumhoz hasonló tulajdonságok. Nem reagál vízzel, híg savakkal vagy erős bázisokkal, hanem könnyen oldódik az Aqua Regia -ban és a hidrofluorsavban. Elsősorban az A+4 valencia vegyületekben. A Hafnium ötvözet (TA4HFC5) ismert, hogy a legmagasabb olvadáspont (körülbelül 4215 ℃).
Kristályszerkezet: A kristálysejt hatszögletű
CAS szám: 7440-58-6
Olvadási pont: 2227 ℃
Forráspont: 4602 ℃
Kémiai tulajdonságok:
A hafnium kémiai tulajdonságai nagyon hasonlóak a cirkóniumhoz, és jó korrózióállósággal rendelkezik, és az általános savas lúg vizes oldatokkal nem könnyen korrodálódik; Könnyen oldható hidrofluorsavban, hogy fluortartalmú komplexeket képezzen. Magas hőmérsékleten a Hafnium közvetlenül kombinálhat olyan gázokkal, mint az oxigén és a nitrogén, hogy oxidokat és nitrideket képezzen.
A Hafniumnak a vegyületekben gyakran+4 valenciája van. A fő vegyület azhafnium -oxidHFO2. A hafnium -oxid három különböző változata van:hafnium -oxida hafnium -szulfát és a klorid -oxid folyamatos kalcinálásával nyerik egy monoklinikus változat; A hafnium -oxid a Hafnium hidroxidjának kb. 400 ℃ -en történő melegítésével nyert egy tetragonális változat; Ha 1000 ℃ felett van kalcinálva, akkor köbös változatot lehet beszerezni. Egy másik vegyület azhafnium -tetraklorid, amely a fém hafnium előállításához szükséges alapanyag, és úgy készíthető el, hogy klórgáz reagál a hafnium -oxid és a szén keverékére. A hafnium -tetraklorid érintkezésbe kerül a vízzel, és azonnal hidrolizálja a nagyon stabil HFO (4H2O) 2+ionokat. A HFO2+ionok sok Hafnium vegyületben léteznek, és a tű alakú hidratált hafnium -oxi -klorid HFOCL2 · 8H2O kristályokat kristályosíthatják sósavban savanyított hafnium -tetraklorid -oldatban.
A 4-Valent Hafnium szintén hajlamos fluoriddal komplexeket képezni, amelyek K2HFF6, K3HFF7, (NH4) 2HFF6 és (NH4) 3HFF7-ből állnak. Ezeket a komplexeket a cirkónium és a hafnium elválasztására használták.
Közös vegyületek:
Hafnium -dioxid: név hafnium -dioxid; Hafnium -dioxid; Molekuláris képlet: HFO2 [4]; Tulajdonság: Fehér por három kristályszerkezetgel: monoklinikus, tetragonális és köbös. A sűrűség 10,3, 10,1 és 10,43 g/cm3. Olvadási pont 2780-2920K. Forráspont 5400K. A termikus tágulási együttható 5,8 × 10-6/℃. Vízben, sósavban és salétromsavban oldhatatlan, de koncentrált kénsavban és hidrofluorinsavban oldódik. Termikus bomlással vagy olyan vegyületek, például hafnium -szulfát és hafnium -oxi -klorid hidrolízisével állítják elő. Alapanyagok a fém hafnium és a hafnium ötvözetek előállításához. Refrakter anyagként, radioaktív bevonatokként és katalizátorként használják. [5] Az atomenergia szintje a HFO egy olyan termék, amelyet egyidejűleg kapnak a ZRO atomenergia -szintű gyártásakor. A szekunder klórozástól kezdve a tisztítás, a redukció és a vákuum desztilláció folyamata szinte megegyezik a cirkóniumi fejlõdéssel.
Hafnium -tetraklorid: Hafnium (IV) -klorid, hafnium -tetraklorid molekuláris képlet HFCL4 molekulatömeg 320.30 Karakter: Fehér kristályos blokk. Érzékeny a nedvességre. Oldódik acetonban és metanolban. Hidrolizálva vízben, hogy hafnium -oxi -kloridot (HFOCL2) termeljenek. Melegítsük a 250 ℃ -t és elpárologjanak. Irritáló a szemekhez, a légzőrendszerhez és a bőrhez.
Hafnium -hidroxid: Hafnium -hidroxid (H4HFO4), általában hidratált hfo2 · NH2O -ként jelenik meg, vízben oldhatatlan, könnyen oldható szerves savakban, ammóniában oldhatatlan és ritkán oldódik a notrium -hidroxidban. Hűtsük fel a 100 ℃ -ig, hogy hafnium -hidroxid HFO (OH) 2 -et generáljon. Felhasználható más Hafnium vegyületek előállítására.
Kutatási előzmények
Discovery történelem:
1923 -ban Hervey svéd kémikus és D. Koster holland fizikus felfedezte a norvégiai és grönlandi cirkonban található Hafniumot, és Hafniumnak nevezte el, amely a koppenhágai Hafnia latin névből származik. 1925 -ben Hervey és Coster elválasztották a cirkóniumot és a titánot a fluortartalmú komplex sók frakcionált kristályosodásának módszerével, hogy tiszta hafnium -sókat kapjanak; És csökkentse a hafnium -sót fém nátriummal, hogy tiszta fém hafniumot kapjon. Hervey több milligramm tiszta hafniumból készített mintát készített.
Kémiai kísérletek cirkóniumon és hafniumon:
Carl Collins professzor által a Texasi Egyetemen 1998-ban végzett kísérletben azt állították, hogy a gamma besugárzott Hafnium 178m2 (az izomer hafnium-178m2 [7]) hatalmas energiát szabadíthat fel, amely öt nagyságrendű, mint a kémiai reakciók három sorrendje, mint a nukleáris reakcióknál. [8] A HF178M2 (Hafnium 178M2) a leghosszabb élettartamú a hasonló hosszú élettartamú izotópok között: a HF178M2 (Hafnium 178m2) 31 éve, ami körülbelül 1,6 milliós Becquerels természetes radioaktivitást eredményez. Collins jelentése kimondja, hogy egy gramm tiszta HF178m2 (Hafnium 178m2) körülbelül 1330 megajoule -t tartalmaz, ami megegyezik a 300 kilogramm TNT robbanóanyagok robbanásának energiájával. Collins jelentése azt jelzi, hogy ebben a reakcióban az összes energia röntgen vagy gamma-sugarak formájában szabadul fel, amelyek rendkívül gyors sebességgel engedik el az energiát, és a HF178M2 (Hafnium 178M2) továbbra is rendkívül alacsony koncentrációban reagálhat. [9] A Pentagon pénzeszközöket osztott ki a kutatáshoz. A kísérletben a jel-zaj arány nagyon alacsony volt (jelentős hibákkal), és azóta több szervezet tudósai által végzett többszörös kísérletek ellenére, köztük az Egyesült Államok Védelmi Minisztériumának Advanced Projects Research Agency (DARPA) és a Jason Defense Advisory Group [13], egyetlen tudós sem tudta elérni ezt a reakciót a Collins által igényelt feltételek alapján, és a Collins nem nyújtott be erős bizonyítékokat, hogy a létezés létezik, és a reakciót a reakciónak a prop-módszerének alkalmazása alapján nem nyújtották be a Collins-t, és a Collins-t használják, és a Collins nem nyújtott bizonyítékokat. Ray -emisszió, hogy felszabadítsák az energiát a HF178M2 -ből (Hafnium 178M2) [15], de más tudósok elméletileg bebizonyították, hogy ezt a reakciót nem lehet elérni. [16] A HF178M2 (Hafnium 178M2) széles körben úgy gondolják, hogy az akadémiai közösség nem az energiaforrás
Alkalmazás mező:
A Hafnium nagyon hasznos, mivel képes elektronok kibocsátására, például az izzószál izzószálakként történő alkalmazására. Katódként használják a röntgencsövekhez, és a hafnium és a volfrám vagy a molibdén ötvözeteit nagyfeszültségű ürítőcsövekhez használják. A katód- és volfrámhuzal-gyártóiparban általánosan használják a röntgenfelvételekhez. A tiszta hafnium fontos anyag az atomenergia -iparban plaszticitás, egyszerű feldolgozás, magas hőmérséklet -ellenállás és korrózióállóság miatt. A Hafniumnak nagy termikus neutron-elfogási keresztmetszete van, és ideális neutron abszorbens, amely vezérlőrúdként és védőeszközként használható az atomreaktorokhoz. A hafnium por használható a rakéták hajtószerzőjeként. A röntgencsövek katódját az elektromos iparban lehet előállítani. A Hafnium ötvözet a rakéta fúvókák és a Glide Rectry repülőgépek előremenő védőrétegeként szolgálhat, míg a HF TA ötvözet használható szerszám acél és ellenállási anyagok előállításához. A hafniumot additív elemként használják a hőálló ötvözetek, például a volfrám, a molibdén és a tantalumban. A HFC nagy keménység és olvadási pont miatt adalékanyagként használható a kemény ötvözetekhez. A 4TACHFC olvadási pontja körülbelül 4215 ℃, így a legismertebb olvadási ponttal rendelkező vegyület. A Hafnium sok inflációs rendszerben használható Getterként. A Hafnium geters eltávolíthatja a szükségtelen gázokat, például a rendszerben lévő oxigént és nitrogént. A hafniumot gyakran additívként használják hidraulikus olajban, hogy megakadályozzák a hidraulikus olaj illékonyságát a magas kockázatú műveletek során, és erős volatilitású tulajdonságokkal rendelkeznek. Ezért általában ipari hidraulikus olajban használják. Orvosi hidraulikus olaj.
A Hafnium elemet a legújabb Intel 45 nanoprocesszorokban is használják. A szilícium -dioxid (SIO2) gyárthatóságának és annak képessége miatt, hogy csökkentse a vastagságot a tranzisztor teljesítményének folyamatos javítása érdekében, a processzorgyártók szilícium -dioxidot használnak a kapu dielektrikumok anyagának. Amikor az Intel bevezette a 65 nanométeres gyártási folyamatot, bár minden erőfeszítést megtett a szilícium -dioxid -kapu dielektromos vastagságának 1,2 nanométerre történő csökkentése érdekében, ami 5 atomrétegnek felel meg, az energiafogyasztás és a hőeloszlás nehézsége is növekszik, ha a tranzisztor az atom méretére csökkent, és a jelenlegi hulladékban és a félelmetes energiában következik be. Ezért, ha az aktuális anyagokat továbbra is felhasználják, és a vastagság tovább csökken, akkor a kapu -dielektrikum szivárgása jelentősen növekszik, ami a tranzisztor technológiáját korlátozza. Ennek a kritikus kérdésnek a kezelése érdekében az Intel vastagabb magas K anyagokat (hafnium alapú anyagokat) tervez felhasználni kapu -dielektrikumként szilícium -dioxid helyett, amely több mint tízszer sikeresen csökkentette a szivárgást. A 65 nm -es technológia előző generációjához képest az Intel 45 NM folyamata majdnem kétszer növeli a tranzisztor sűrűségét, lehetővé téve a tranzisztorok teljes számának növekedését vagy a processzor mennyiségének csökkenését. Ezenkívül a tranzisztorváltáshoz szükséges energia alacsonyabb, ami közel 30%-kal csökkenti az energiafogyasztást. A belső csatlakozások rézhuzalból készülnek, alacsony K dielektromos, simán javítva a hatékonyságot és csökkentve az energiafogyasztást, és a kapcsolási sebesség körülbelül 20% -kal gyorsabb
Ásványi eloszlás:
A Hafniumban magasabb a kéregbőség, mint az általánosan használt fémek, mint például a bizmut, a kadmium és a higany, és tartalma egyenértékű a berillium, a germánium és az uránnal. Az összes cirkóniumot tartalmazó ásványi anyag hafniumot tartalmaz. Az iparban használt cirkon 0,5-2% hafniumot tartalmaz. A szekunder cirkónium ércében lévő berillium cirkon (Alvite) akár 15% hafniumot is tartalmazhat. Van egyfajta metamorf cirkon, a cyrtolite, amely több mint 5% HFO -t tartalmaz. Az utóbbi két ásványi anyag tartaléka kicsi, és az iparban még nem fogadták el őket. A hafniumot elsősorban a cirkónium előállítása során nyerték be.
A legtöbb cirkóniumércben létezik. [18] [19] Mert nagyon kevés tartalom van a kéregben. Gyakran létezik a cirkóniummal, és nincs külön érce.
Előkészítési módszer:
1. előállítható a hafnium -tetraklorid magnézium -redukciójával vagy a Hafnium -jodid termikus bomlásával. A HFCL4 és a K2HFF6 nyersanyagként is felhasználható. A NaCl KCL HFCL4 vagy K2HFF6 olvadék elektrolitikus termelésének folyamata hasonló a cirkónium elektrolitikus termeléséhez.
2. A Hafnium együttéli a cirkóniummal, és nincs külön nyersanyag a Hafnium számára. A hafnium előállításához szükséges nyersanyag a cirkónium előállításának során elválasztott nyers hafnium -oxid. Kivonja a hafnium -oxidot ioncserélő gyantával, majd használja ugyanazt a módszert, mint a cirkónium, hogy előállítsák a fém hafniumot ebből a hafnium -oxidból.
3. Készíthető a hafnium -tetraklorid (HFCL4) fűtésével nátriummal redukcióval.
A cirkónium és a hafnium elválasztásának legkorábbi módszerei a fluortartalmú komplex sók frakcionált kristályosodása és a foszfátok frakcionált csapadéka. Ezek a módszerek nehézkes működni, és a laboratóriumi felhasználásra korlátozódnak. A cirkónium és a hafnium elválasztására szolgáló új technológiák, például frakcionálási desztilláció, oldószer -extrahálás, ioncsere és frakcionálás adszorpciója, egymás után alakultak ki, az oldószer -extrakció praktikusabb. A két általánosan használt elválasztó rendszer a tiocianát ciklohexanon rendszer és a tributil -foszfát salétromsav -rendszer. A fenti módszerekkel kapott termékek mind a hafnium -hidroxid, és a tiszta hafnium -oxid kalcinálással nyerhető. A magas tisztaságú hafnium ioncserélő módszerrel nyerhető.
Az iparban a fém hafnium előállítása gyakran magában foglalja mind a Kroll -folyamatot, mind a Debor Aker folyamatot. A Kroll -folyamat magában foglalja a hafnium -tetraklorid fém magnézium alkalmazásával történő csökkentését:
2mg+hfcl4- → 2mgcl2+hf
A Debor Aker módszert, más néven jódizációs módszert használják, a szivacs, például a hafnium tisztítására és a temperációs fém hafnium előállítására használják.
5. A hafnium olvasztása alapvetően megegyezik a cirkóniuméval:
Az első lépés az érc bomlása, amely három módszert foglal magában: a cirkon klórozása a (zr, hf) cl előállításához. A cirkon lúgos olvadása. A cirkon körülbelül 600 -nál olvad a NaOH -val, és a (Zr, HF) o több mint 90% -a na (zr, hf) o -ba alakul át, az SIO -t Nasio -ba alakítva, amelyet vízben feloldunk az eltávolítás céljából. A Na (Zr, HF) o használható eredeti megoldásként a cirkónium és a hafnium elválasztására, miután a HNO -ban feloldódtak. A SIO -kolloidok jelenléte azonban megnehezíti az oldószer -extrakció elválasztását. Szélesedést KSIF -rel, és áztassa vízben, hogy K (ZR, HF) F oldatot kapjon. Az oldat frakcionált kristályosodás révén elválaszthatja a cirkóniumot és a hafniumot;
A második lépés a cirkónium és a hafnium elválasztása, amelyet oldószer-extrakciós elválasztási módszerekkel lehet elérni sósav-MIBK (metil-izobutil-keton) rendszer és HNO-TBP (tributil-foszfát) rendszer alkalmazásával. A többlépcsős frakcionálás technológiáját a HFCL és a ZRCL közötti gőznyomás különbségének felhasználásával nagynyomású (20 atmoszféra feletti) megolvadják, ami megmentheti a másodlagos klórozási folyamatot és csökkentheti a költségeket. A (ZR, HF) CL és HCL korróziós problémája miatt azonban nem könnyű megtalálni a megfelelő frakcionáló oszlop anyagokat, és csökkenti a ZRCL és a HFCL minőségét, növelve a tisztítási költségeket. Az 1970 -es években még mindig a közbenső növényi tesztelési szakaszban volt;
A harmadik lépés a HFO másodlagos klórozása, hogy nyers HFCL -t kapjanak a redukcióhoz;
A negyedik lépés a HFCL tisztítása és a magnéziumcsökkentés. Ez a folyamat megegyezik a ZRCL tisztításával és redukciójával, és az ebből eredő félkész termék durva szivacs hafnium;
Az ötödik lépés az, hogy a nyers szivacs hafniumot vákuumban vákuumú desztillálják az MGCL eltávolításához és a felesleges fém magnézium visszanyeréséhez, ami a szivacs fém hafnium késztermékét eredményezi. Ha a redukálószer magnézium helyett nátriumot használ, az ötödik lépést víz merítésre kell változtatni
Tárolási módszer:
Tároljon hűvös és szellőztetett raktárban. Tartsa távol a szikráktól és a hőforrásoktól. Az oxidánsoktól, savaktól, halogénektől stb. Külön -külön kell tárolni, és kerülni kell a tárolás keverését. Robbanásbiztos megvilágítási és szellőztetési lehetőségek használata. Tiltsd meg a szikrákra hajlamos mechanikus berendezések és eszközök használatát. A tárolóterületet megfelelő anyagokkal kell felszerelni a szivárgáshoz.
A postai idő: szeptember-25-2023