חפניום, מתכת HF, מספר אטומי 72, משקל אטומי 178.49, היא מתכת מעבר אפור כסף מבריק.
לחפניום יש שישה איזוטופים יציבים באופן טבעי: Hafnium 174, 176, 177, 178, 179 ו- 180. Hafnium אינו מגיב עם חומצה הידרוכלורית מדוללת, חומצה גופרתית מדוללת ופתרונות אלקליין חזקים, אך הוא מסיס בחומצה הידרופולורית ובאקווה. שם האלמנט מגיע משם הלטיני של קופנהגן סיטי.
בשנת 1925 השיגו הכימאי השבדי הרווי והפיזיקאי ההולנדי קוסטר מלח חפניום טהור על ידי התגבשות שברירית של מלחים מורכבים פלואוריים, והפחיתו אותו עם נתרן מתכתי כדי להשיג חפניום מתכת טהור. Hafnium מכיל 0.00045% מקרום כדור הארץ ולעתים קרובות קשור לזירקוניום בטבע.
שם המוצר: Hafnium
סמל אלמנט: HF
משקל אטומי: 178.49
סוג אלמנט: אלמנט מתכתי
מאפיינים פיזיים:
חפניוםהיא מתכת אפור כסוף עם ברק מתכתי; ישנן שתי גרסאות של חפניום מתכת: α Hafnium הוא גרסה משושה ארוזת מקרוב (1750 ℃) עם טמפרטורת טרנספורמציה גבוהה יותר מזירקוניום. לחפניום מתכת יש גרסאות Allotrope בטמפרטורות גבוהות. לחפניום מתכת יש חתך ספיגת נויטרונים גבוה ויכול לשמש כחומר בקרה לכורים.
ישנם שני סוגים של מבני קריסטל: אריזה צפופה משושה בטמפרטורות מתחת ל 1300 ℃ משוואה α-); בטמפרטורות מעל 1300 ℃, מדובר בקוביות מרוכזת בגוף ויר משוואה). מתכת עם פלסטיות שמתקשה והופכת שבירה בנוכחות זיהומים. יציב באוויר, רק מתכהה על פני השטח כאשר נשרפים. ניתן להצית את החוטים על ידי הלהבה של משחק. תכונות הדומות לזירקוניום. זה לא מגיב עם מים, חומצות מדוללות או בסיסים חזקים, אלא מסיס בקלות באקווה רג'יה ובחומצה הידרופלואורית. בעיקר בתרכובות עם ערכיות+4. ידוע כי סגסוגת Hafnium (TA4HFC5) היא בעלת נקודת ההיתוך הגבוהה ביותר (בערך 4215 ℃).
מבנה קריסטל: תא הגביש משושה
מספר CAS: 7440-58-6
נקודת התכה: 2227 ℃
נקודת רתיחה: 4602 ℃
תכונות כימיות:
התכונות הכימיות של חפניום דומות מאוד לאלה של זירקוניום, ויש לה עמידות בפני קורוזיה טובה ואינה מאושרת בקלות על ידי פתרונות מימיים חומצה כללית; מסיס בקלות בחומצה הידרופלואורית ליצירת קומפלקסים פלואוריים. בטמפרטורות גבוהות, הפניום יכול גם לשלב ישירות עם גזים כמו חמצן וחנקן ליצירת תחמוצות וניטרידים.
לחפניום לעיתים קרובות יש ערכיות+4 בתרכובות. המתחם העיקרי הואתחמוצת חפניוםHFO2. ישנן שלוש גרסאות שונות של תחמוצת הפניום:תחמוצת חפניוםהמתקבל על ידי הסכמה רציפה של חפניום סולפט ותחמוצת כלוריד הוא גרסה מונוקלינית; תחמוצת החפניום המתקבלת על ידי חימום ההידרוקסיד של הפניום בסביבות 400 ℃ היא גרסה טטרגונלית; אם הוא מחויב מעל 1000 ℃, ניתן להשיג גרסה מעוקבת. מתחם נוסף הואHafnium tetrachloride, שהוא חומר הגלם להכנת חפניום מתכת וניתן להכין אותו על ידי תגובת גז כלור על תערובת של תחמוצת חפניום ופחמן. Hafnium tetrachloride בא במגע עם מים ומיד הידרוליזה ליוני HFO יציבים ביותר (4H2O) 2+. יוני HFO2+קיימים בתרכובות רבות של חפניום, ויכולים לגבש גבישים מיובשים בצורת מחט חפניום אוקסיכלוריד HFOCL2 · 8H2O בתמיסת חומצה הידרוכלורית חומצה חפניום טטרכלוריד.
הפניום 4-Valent מועד גם ליצירת קומפלקסים עם פלואוריד, המורכב מ- K2HFF6, K3HFF7, (NH4) 2HFF6 ו- (NH4) 3HFF7. קומפלקסים אלה שימשו להפרדת זירקוניום והפניום.
מתחמים משותפים:
חפניום דו חמצני: שם חפניום דו חמצני; חפניום דו חמצני; פורמולה מולקולרית: HFO2 [4]; רכוש: אבקה לבנה עם שלושה מבני קריסטל: מונוקליניים, טטרגון וקוביות. הצפיפות הן 10.3, 10.1 ו- 10.43 גרם/ס"מ 3, בהתאמה. נקודת התכה 2780-2920K. נקודת רתיחה 5400K. מקדם התפשטות תרמית 5.8 × 10-6/℃. בלתי מסיסים במים, חומצה הידרוכלורית וחומצה חנקתית, אך מסיסים בחומצה גופרתית מרוכזת ובחומצה הידרופלואורית. מיוצר על ידי פירוק תרמי או הידרוליזה של תרכובות כמו חפניום סולפט והפניום אוקסיכלוריד. חומרי גלם לייצור סגסוגות חפניום מתכת וסגסוגות חפניום. משמש כחומרים עקשן, ציפויים אנטי רדיואקטיביים וזרזים. [5] רמת אנרגיה אטומית HFO היא מוצר המתקבל בו זמנית בעת ייצור רמת אנרגיה אטומית ZRO. החל מהכלור המשני, תהליכי הטיהור, הפחתה וזיקוק ואקום כמעט זהים לאלה של זירקוניום.
Hafnium tetrachloride: Hafnium (IV) כלוריד, Hafnium tetrachloride Formular Formular HFCL4 משקל מולקולרי 320.30 תו: בלוק גבישי לבן. רגיש ללחות. מסיס באצטון ובמתנול. הידרוליזה במים לייצור חפניום אוקסיכלוריד (HFOCL2). מחממים עד 250 ℃ ומתאדות. מרגיז לעיניים, למערכת הנשימה ועור.
Hafnium hydroxide: Hafnium hydroxide (H4HFO4), בדרך כלל כמוצג תחמוצת HFO2 · NH2O, אינו מסיס במים, מסיס בקלות בחומצות אורגניות, בלתי מסיס באמוניה, ולעתים נדירות מסיסים בנתרן הידרוקסיד. חום עד 100 ℃ ליצירת HFO Hafnium HFO (OH) 2. זה יכול לשמש לייצור תרכובות חפניום אחרות.
היסטוריית מחקר
היסטוריה של גילוי:
בשנת 1923 גילו הכימאי השבדי הרווי והפיזיקאי ההולנדי ד. קוסטר חפניום בזירקון המיוצר בנורבגיה ובגרינלנד, וקראו לו הפניום, שמקורו בשם הלטיני הפניה מקופנהגן. בשנת 1925 הפרידו הרווי וקוסטר זירקוניום וטיטניום בשיטה להתגבשות שברית של מלחים מורכבים פלואוריים כדי להשיג מלחי חפניום טהורים; ולהפחית מלח חפניום בעזרת נתרן מתכתי כדי להשיג חפניום מתכת טהור. הרווי הכין מדגם של כמה מיליגרם של חפניום טהור.
ניסויים כימיים על זירקוניום והפניום:
בניסוי שנערך על ידי פרופסור קרל קולינס באוניברסיטת טקסס בשנת 1998, נטען כי גמא הקרינה את חפניום 178 מ '2 (האיזומר Hafnium-178m2 [7]) יכול לשחרר אנרגיה אדירה, שהם חמישה סדרי גודל גבוהים יותר מתגובות כימיות, אך שלוש הסדרים של תגובות נמוכות יותר מתגובות גרעין. [8] ל- HF178m2 (Hafnium 178m2) יש תוחלת החיים הארוכה ביותר בקרב איזוטופים דומים ארוכי חיים: HF178m2 (Hafnium 178m2) יש מחצית חיים של 31 שנה, וכתוצאה מכך רדיואקטיביות טבעית של כ- 1.6 טריליון בקורלים. בדו"ח של קולינס נכתב כי גרם אחד של HF178M2 טהור (Hafnium 178M2) מכיל כ- 1330 מג'אולס, השווה לאנרגיה שמשתחררת בפיצוץ של 300 קילוגרמים של חומרי נפץ TNT. הדו"ח של קולינס מצביע על כך שכל האנרגיה בתגובה זו משתחררת בצורה של קרני רנטגן או קרני גמא, שמשחררות אנרגיה בקצב מהיר במיוחד, ו- HF178M2 (Hafnium 178M2) עדיין יכול להגיב בריכוזים נמוכים במיוחד. [9] הפנטגון הקצה כספים למחקר. בניסוי, יחס האות לרעש היה נמוך מאוד (עם שגיאות משמעותיות), ומאז, למרות ניסויים מרובים של מדענים מארגונים מרובים, כולל משרד החוץ של ארצות הברית, סוכנות המחקר המתקדמת בפרויקטים (DARPA) וקבוצת הייעוץ להגנת ג'ייסון [13], לא הצליחו שום מדען לתגובה זו בתנאים שנטען על ידי קולינס, והציע את התוצאה של הניצול של נימוס על קיומו של קיומו של קיומו של קיומו של קיומו של קיום זה, פליטת קרני גמא לשחרור אנרגיה מ- HF178m2 (Hafnium 178m2) [15], אך מדענים אחרים הוכיחו תיאורטית שלא ניתן להשיג תגובה זו. [16] HF178m2 (Hafnium 178M2) מאמינים בהרחבה בקהילה האקדמית שלא להיות מקור לאנרגיה
שדה יישום:
Hafnium שימושי מאוד בגלל יכולתו לפלוט אלקטרונים, כמו כמשמשת נימה במנורות ליבון. משמש כקתודה לצינורות רנטגן, וסגסוגות של חפניום וטונגסטן או מוליבדן משמשים כאלקטרודות לצינורות פריקה מתח גבוה. משמש בדרך כלל בענף הקתודה ותעשיית ייצור החוטים של טונגסטן לצורך צילומי רנטגן. חפניום טהור הוא חומר חשוב בתעשיית האנרגיה האטומית בגלל הפלסטיות שלו, עיבוד קל, עמידות לטמפרטורה גבוהה ועמידות בפני קורוזיה. לחפניום יש חתך גדול לכידת נויטרונים תרמיים והוא בולם נויטרונים אידיאלי, שיכול לשמש כמוט בקרה ומכשיר מגן עבור כורים אטומיים. אבקת חפניום יכולה לשמש כדחף עבור רקטות. ניתן לייצר את הקתודה של צינורות רנטגן בתעשיית החשמל. סגסוגת Hafnium יכולה לשמש כשכבת ההגנה קדימה לחרירי טילים ומטוסי כניסה חוזרים, ואילו ניתן להשתמש בסגסוגת HF TA לייצור חומרי פלדה וחומרי התנגדות של כלים. Hafnium משמש כאלמנט תוסף בסגסוגות עמידות בחום, כמו טונגסטן, מוליבדן וטנטלום. HFC יכול לשמש כתוסף לסגסוגות קשות בגלל נקודת הקשיות הגבוהה שלה ונקודת ההיתוך שלו. נקודת ההיתוך של 4TACHFC היא בערך 4215 ℃, מה שהופך אותה לתרכובת עם נקודת ההיתוך הגבוהה ביותר הידועה. Hafnium יכול לשמש כגסט במערכות אינפלציה רבות. גטטרס חפניום יכולים להסיר גזים מיותרים כמו חמצן וחנקן שנמצאים במערכת. הפניום משמש לרוב כתוסף בשמן הידראולי כדי למנוע התנודתיות של שמן הידראולי במהלך פעולות בסיכון גבוה, ויש לו תכונות אנטי-תנודתיות חזקות. לכן הוא משמש בדרך כלל בשמן הידראולי תעשייתי. שמן הידראולי רפואי.
אלמנט Hafnium משמש גם ב- Nanoprocors האחרונים של Intel 45. בשל הייצור של סיליקון דו חמצני (SIO2) ויכולתו להפחית את העובי לשיפור מתמיד של ביצועי הטרנזיסטור, יצרני המעבדים משתמשים בסיליקון דו חמצני כחומר לדיאלקטריה של GATE. כאשר אינטל הציגה את תהליך ייצור 65 הננומטר, אם כי היא עשתה את כל המאמץ להפחית את עובי שער הסיליקון הדו -חמצני הדיאלקטרי ל -1.2 ננומטרים, שווה ערך ל -5 שכבות של אטומים, הקושי של צריכת החשמל והפיזור החום יגדל גם כאשר הטרנזיסטור הצטמצם לגודל אטום, באנרגיה חום פסולת זרם. לכן, אם ממשיכים להשתמש בחומרים הנוכחיים והעובי מופחת עוד יותר, דליפת הדיאלקטרי של השער תגדל באופן משמעותי, ותפיל את טכנולוגיית הטרנזיסטור לגבולותיה. כדי לטפל בבעיה קריטית זו, אינטל מתכננת להשתמש בחומרים k גבוהים עבים יותר (חומרים מבוססי חפניום) כדיאלקטריה של שער במקום סיליקון דו חמצני, שהפחית בהצלחה את הדליפה ביותר מעשר פעמים. בהשוואה לדור הקודם של טכנולוגיית 65 ננומטר, תהליך 45nm של אינטל מגדיל את צפיפות הטרנזיסטור בכמעט פעמיים, ומאפשר עלייה במספר הטרנזיסטורים הכולל או ירידה בנפח המעבד. בנוסף, ההספק הנדרש למיתוג טרנזיסטור נמוך יותר, ומפחית את צריכת החשמל בכמעט 30%. החיבורים הפנימיים עשויים מחוטי נחושת המשויכים לדיאלקטרי K נמוך, משפרת בצורה חלקה את היעילות והפחתת צריכת החשמל, ומהירות המיתוג מהירה בערך 20% מהירה יותר
חלוקת מינרלים:
לחפניום שפע קרום גבוה יותר מאשר מתכות נפוצות כמו ביסמוט, קדמיום וכספית, והוא שווה בתוכן בריליום, גרמניום ואורניום. כל המינרלים המכילים זירקוניום מכילים חפניום. זירקון המשמש בתעשייה מכיל 0.5-2% חפניום. זירקון הבריליום (Alvite) בעפרות זירקוניום משניות יכול להכיל עד 15% חפניום. יש גם סוג של זירקון מטמורפי, סירטוליט, המכיל מעל 5% HFO. העתודות של שני המינרלים האחרונים הם קטנים וטרם אומצו בתעשייה. הפניום מתאושש בעיקר במהלך ייצור הזירקוניום.
זה קיים ברוב עפרות הזירקוניום. [18] [19] מכיוון שיש מעט מאוד תוכן בקרום. לעתים קרובות זה מתקיים יחד עם זירקוניום ואין לו עפרות נפרדות.
שיטת הכנה:
1. ניתן להכין אותו על ידי הפחתת מגנזיום של חפניום טטרכלוריד או פירוק תרמי של הידיד הפניום. HFCL4 ו- K2HFF6 יכולים לשמש גם כחומרי גלם. תהליך הייצור האלקטרוליטי ב- NaCl KCL HFCL4 או K2HFF6 נמס דומה לזה של ייצור אלקטרוליטי של זירקוניום.
2. חפניום מתקיים יחד עם זירקוניום, ואין חומר גלם נפרד לחפניום. חומר הגלם לייצור חפניום הוא תחמוצת חפניום גולמית המופרדת במהלך תהליך ייצור הזירקוניום. חלץ תחמוצת חפניום באמצעות שרף חילופי יונים, ואז השתמש באותה שיטה כמו זירקוניום להכנת חפניום מתכת מתחמוצת חפניום זו.
3. ניתן להכין אותו על ידי חימום CO Hafnium tetrachloride (HFCL4) עם נתרן באמצעות צמצום.
השיטות המוקדמות ביותר להפרדת זירקוניום והפניום היו התגבשות חלקית של מלחים מורכבים פלואוריים ומשקעים שברים של פוספטים. שיטות אלה מסורבלות לפעול ומוגבלות לשימוש במעבדה. טכנולוגיות חדשות להפרדת זירקוניום והפניום, כמו זיקוק שבר, מיצוי ממס, חילופי יונים וספיחת שבר, צצו בזה אחר זה, כאשר מיצוי הממס היה מעשי יותר. שתי מערכות ההפרדה הנפוצות הן מערכת Cyclohexanone Thiocyanate ומערכת חומצות החנקן של Tributyl Phosphate. המוצרים המתקבלים בשיטות לעיל הם כולם Hafnium hydroxide, וניתן להשיג תחמוצת חפניום טהורה על ידי הסתיידות. ניתן להשיג חפניום טוהר גבוה בשיטת חילופי יונים.
בתעשייה, ייצור חפניום מתכת כרוך לעתים קרובות הן בתהליך הקרול והן בתהליך ה- Debor Aker. תהליך ה- Kroll כולל הפחתה של חפניום טטרכלוריד באמצעות מגנזיום מתכתי:
2MG+HFCL4- → 2 MGCL2+HF
שיטת ה- Debor Aker, המכונה גם שיטת היודציה, משמשת לטהר ספוג כמו חפניום ולקבל חפניום מתכת הניתנת לניפוח.
5. התכת האפניום זהה למעשה לזו של הזירקוניום:
השלב הראשון הוא פירוק העפרות, הכולל שלוש שיטות: כלור של זירקון להשיג (zr, hf) Cl. התכה אלקלי של זירקון. זירקון נמס עם NAOH בסביבות 600, ומעל 90% מ- (ZR, HF) O הופך ל- NA (ZR, HF) O, כאשר SIO הופך לנאסיו, המומס במים להסרה. NA (ZR, HF) O יכול לשמש כפתרון המקורי להפרדת זירקוניום והפניום לאחר מומס ב- HNO. עם זאת, נוכחותם של קולואידים של SIO מקשה על הפרדת מיצוי ממס. סינטר עם ksif וספיגה במים כדי להשיג את תמיסת K (Zr, HF) F. הפיתרון יכול להפריד בין זירקוניום והפניום באמצעות התגבשות שברירית;
השלב השני הוא הפרדת זירקוניום והפניום, אותם ניתן להשיג בשיטות הפרדת מיצוי ממס באמצעות מערכת MIBK חומצה הידרוכלורית (מתיל איזובוטיל קטון) ומערכת HNO-TBP (Tributyl Phosphate). הטכנולוגיה של שבר רב-שלבי באמצעות ההבדל בלחץ האדים בין HFCL ל- ZRCL נמלים בלחץ גבוה (מעל 20 אטמוספרות) נבדקה זה מכבר, מה שיכול לחסוך את תהליך הכלור המשני ולהפחית עלויות. עם זאת, בשל בעיית הקורוזיה של (ZR, HF) CL ו- HCL, לא קל למצוא חומרי עמודות מתאימים של שבר, וזה גם יפחית את איכות ZRCL ו- HFCL, ויגדיל את עלויות הטיהור. בשנות השבעים זה היה עדיין בשלב בדיקת הצמח הביניים;
השלב השלישי הוא הכלור המשני של HFO כדי להשיג HFCL גולמי להפחתה;
השלב הרביעי הוא טיהור HFCL והפחתת מגנזיום. תהליך זה זהה לטיהור וצמצום של ZRCL, והמוצר המוגמר למחצה שהתקבל הוא חפניום גס;
השלב החמישי הוא לנקות זיקוק גולמי ספוג גולמי כדי להסיר את MGCL ולהחזיר עודף מגנזיום מתכת, וכתוצאה מכך תוצר מוגמר של ספוג מתכת חפניום. אם החומר המפחית משתמש בנתרן במקום במגנזיום, יש לשנות את הצעד החמישי לטבילה מים
שיטת אחסון:
אחסן במחסן מגניב ומאוורר. להתרחק ממקורות ניצוצות ומקורות חום. יש לאחסן אותו בנפרד מחמצנים, חומצות, הלוגנים וכו ', ולהימנע מערבוב אחסון. באמצעות מתקני תאורה ואוורור מוגנים לפיצוץ. לאסור שימוש בציוד מכני וכלים המועדים לניצוצות. אזור האחסון צריך להיות מצויד בחומרים מתאימים להכיל דליפות.
זמן הודעה: ספטמבר -25-2023