Гафний, металл Hf, атомдук номери 72, атомдук салмагы 178,49, жалтырак күмүш боз өткөөл металл.
Гафнийдин табигый жактан туруктуу алты изотопу бар: гафний 174, 176, 177, 178, 179 жана 180. Гафний суюлтулган туз кислотасы, суюлтулган күкүрт кислотасы жана күчтүү щелоч эритмелери менен реакцияга кирбейт, бирок гидрофтор кислотасында жана рекважиада эрийт. Элементтин аты Копенгаген шаарынын латынча аталышынан келип чыккан.
1925-жылы швед химиги Хервей жана голландиялык физик Костер фторлуу комплекстүү туздарды фракциялык кристаллдаштыруу жолу менен таза гафний тузун алышкан жана аны металлдык натрий менен калыбына келтирип, таза металл гафнийди алышкан. Гафний жер кыртышынын 0,00045% камтыйт жана табиятта көбүнчө цирконий менен байланышкан.
Продукт аты: гафний
Элемент белгиси: Hf
Атомдук салмагы: 178,49
Элемент түрү: металлдык элемент
Физикалык касиеттери:
Гафнийметалл жалтылдаган күмүш боз металл; Металл гафнийинин эки варианты бар: α Гафний - цирконийге караганда трансформация температурасы жогору болгон алты бурчтуу тыгыз пакеттелген вариант (1750 ℃). Металл гафнийдин жогорку температурада аллотроптук варианттары бар. Металл гафнийинин нейтронду сиңирүү кесилиши жогору жана реакторлорду башкаруучу материал катары колдонулушу мүмкүн.
Кристалл структураларынын эки түрү бар: 1300 ℃ төмөн температурада алты бурчтуу тыгыз пакеттөө（ α- Теңдеме); 1300 ℃ жогору температурада, ал дененин борборлоштурулган куб болуп саналат (β- Теңдеме). Кошумчалар болгондо катууланып, морт болуп кала турган пластикалык металл. Абада туруктуу, күйгөндө гана үстү карарып калат. Жиптер ширеңкенин жалынынан тутанышы мүмкүн. Цирконийге окшош касиеттери. Ал суу, суюлтулган кислоталар же күчтүү негиздер менен реакцияга кирбейт, бирок акварегияда жана фторит кислотасында оңой эрийт. Негизинен а+4 валенттүү кошулмаларда. Гафний эритмеси (Ta4HfC5) эң жогорку эрүү температурасына ээ (болжол менен 4215 ℃) белгилүү.
Кристаллдын структурасы: Кристалл клеткасы алты бурчтуу
CAS номери: 7440-58-6
Эрүү температурасы: 2227 ℃
Кайноо температурасы: 4602 ℃
Химиялык касиеттери:
Гафнийдин химиялык касиеттери цирконийдикине абдан окшош жана ал коррозияга жакшы туруштук берет жана жалпы кислота щелочунун суу эритмелери менен оңой коррозияга учурабайт; Фторлуу комплекстерди пайда кылуу үчүн фтор кислотасында оңой эрийт. Жогорку температурада гафний кычкылтек жана азот сыяктуу газдар менен түздөн-түз биригип, оксиддерди жана нитриддерди түзө алат.
Гафний көбүнчө кошулмаларда +4 валенттүүлүккө ээ. Негизги кошулмасы болуп саналатгафний оксидиHfO2. Гафний кычкылынын үч түрдүү варианттары бар:гафний оксидигафний сульфаты менен хлорид оксидин үзгүлтүксүз кальцинациялоодон алынган моноклиниктик вариант; Гафнийдин гидроксидин 400 ℃ге жакын ысытуудан алынган гафний оксиди тетрагоналдык вариант болуп саналат; 1000 ℃ жогору кальциленген болсо, куб вариантын алууга болот. Дагы бир кошулма болуп саналатгафний тетрахлоридиметалл гафнийди даярдоо үчүн чийки зат болуп саналат жана гафний кычкылы менен көмүртектин аралашмасында хлор газын реакцияга киргизүү жолу менен даярдалышы мүмкүн. Гафний тетрахлориди суу менен тийип, дароо өтө туруктуу HfO (4H2O) 2+ ионуна гидролизденет. HfO2+иондору гафнийдин көптөгөн бирикмелеринде бар жана ийне түрүндөгү гидратталган гафний оксихлоридинин HfOCl2 · 8H2O кристаллдарын туз кислотасынын кислоталанган гафний төрт хлоридинин эритмесинде кристаллдаштыра алат.
4-валенттүү гафний ошондой эле K2HfF6, K3HfF7, (NH4) 2HfF6 жана (NH4) 3HfF7ден турган фторид менен комплекстерди түзүүгө жакын. Бул комплекстер цирконий менен гафнийди бөлүү үчүн колдонулган.
Жалпы кошулмалар:
Гафний диоксиди: аты Гафний диоксиди; Гафний диоксиди; Молекулярдык формула: HfO2 [4]; Мүлк: үч кристалл структурасы бар ак порошок: моноклиник, тетрагоналдык жана куб. Жыштыктары тиешелүүлүгүнө жараша 10,3, 10,1 жана 10,43 г/см3. Эрүү температурасы 2780-2920К. Кайноо температурасы 5400K. Жылуулук кеңейүү коэффициенти 5,8 × 10-6/℃. Сууда, туз кислотасында жана азот кислотасында эрибейт, бирок концентраттуу күкүрт кислотасында жана фтор кислотасында эрийт. Гафний сульфаты жана гафний оксихлориди сыяктуу кошулмалардын термикалык ажыроосу же гидролизинен пайда болот. металл гафний жана гафний эритмелерин алуу учун сырьё. Отко чыдамдуу материалдар, антирадиактивдүү каптоо жана катализатор катары колдонулат. [5] Атомдук энергиянын деңгээли HfO – атомдук энергиянын деңгээлин ZrO өндүрүүдө бир убакта алынган продукт. Экинчилик хлордоодон баштап, тазалоо, калыбына келтирүү жана вакуумдук дистилляция процесстери цирконийдин процесстери менен дээрлик бирдей.
Гафний тетрахлориди: Гафний (IV) хлориди, Гафний тетрахлориди Молекулярдык формула HfCl4 Молекулярдык салмагы 320,30 Белги: Ак кристаллдык блок. Нымдуулукка сезгич. Ацетон менен метанолдо эрийт. Гафний оксихлориди (HfOCl2) алуу үчүн сууда гидролизденет. 250 ℃ чейин ысытып, бууланып. Көздү, дем алуу системасын жана терини дүүлүктүрөт.
Гафний гидроксиди: гафний гидроксиди (H4HfO4), адатта гидратталган оксиди HfO2 · nH2O катары бар, сууда эрибейт, органикалык эмес кислоталарда оңой эрийт, аммиакта эрибейт, натрий гидроксидинде сейрек эрийт. Гафний гидроксиди HfO (OH) түзүү үчүн 100 ℃ чейин ысытыңыз. Бул башка гафний кошулмаларын өндүрүү үчүн колдонулушу мүмкүн.
Изилдөө тарыхы
Ачылыш тарыхы:
1923-жылы швед химиги Хервей жана голландиялык физик Д.Костер Норвегияда жана Гренландияда өндүрүлгөн циркондо гафнийди ачып, аны Гафний деп аташкан, ал латынча Hafnia of Copenhagen аталышынан келип чыккан. 1925-жылы Херви жана Костер таза гафний туздарын алуу үчүн фторлуу комплекстүү туздарды фракциялык кристаллдаштыруу ыкмасын колдонуу менен цирконий менен титанды бөлүп алышкан; Жана таза металл гафнийди алуу үчүн металлдык натрий менен гафний тузун азайтыңыз. Хервей бир нече миллиграмм таза гафнийдин үлгүсүн даярдаган.
Цирконий жана гафний боюнча химиялык эксперименттер:
1998-жылы Техас университетинин профессору Карл Коллинз тарабынан жүргүзүлгөн экспериментте гамма менен нурланган гафний 178м2 (гафний изомери-178м2 [7]) химиялык реакциялардан беш эсе чоң энергияны бөлүп чыгара алат деп айтылган. ядролук реакциялардан үч даражага төмөн. [8] Hf178m2 (гафний 178м2) окшош узак жашоочу изотоптор арасында эң узун өмүргө ээ: Hf178m2 (гафний 178м2) жарым ажыроо мезгили 31 жыл, натыйжада табигый радиоактивдүүлүк болжол менен 1,6 триллион Беккерелди түзөт. Коллинздин отчетунда бир грамм таза Hf178m2 (гафний 178м2) болжол менен 1330 мегаджоуль бар, бул 300 килограмм тротил жарылуучу заттын жарылуусунан бөлүнүп чыккан энергияга барабар экени айтылат. Коллинздин отчету көрсөткөндөй, бул реакциянын бардык энергиясы рентген нурлары же гамма нурлары түрүндө бөлүнүп чыгат, алар энергияны өтө тездик менен бөлүп чыгарат жана Hf178m2 (гафний 178м2) дагы эле өтө төмөн концентрацияларда реакция кыла алат. [9] Пентагон изилдөө үчүн каражат бөлгөн. Экспериментте сигнал-ызы-чуу катышы өтө төмөн болгон (олуттуу каталар менен) жана ошондон бери бир нече уюмдардын окумуштуулары, анын ичинде Америка Кошмо Штаттарынын Коргоо министрлигинин Өркүндөтүлгөн долбоорлорун изилдөө агенттиги (DARPA) жана JASON Defence Advisory сыяктуу бир нече уюмдардын бир нече эксперименттерине карабастан. Топ [13], эч бир илимпоз Коллинз айткан шарттарда бул реакцияга жете алган эмес жана Коллинз бул реакциянын бар экенин далилдей турган күчтүү далилдерди келтире алган эмес, Коллинз Hf178m2 (гафний 178м2) [15] энергияны бөлүп чыгаруу үчүн индукцияланган гамма-нур эмиссиясын колдонуу ыкмасын сунуштады, бирок башка илимпоздор бул реакцияга жетишүү мүмкүн эместигин теориялык жактан далилдешти. [16] Hf178m2 (гафний 178м2) академиялык коомчулукта энергиянын булагы эмес деп ишенишет.
Колдонмо талаасы:
Гафний электрондорду чыгаруу жөндөмдүүлүгүнөн улам абдан пайдалуу, мисалы, ысытуу лампаларында жип катары колдонулат. Рентген түтүкчөлөрү үчүн катод катары колдонулат, ал эми гафнийдин жана вольфрамдын же молибдендин эритмелери жогорку вольттогу разряддык түтүктөр үчүн электроддор катары колдонулат. Көбүнчө рентген нурлары үчүн катод жана вольфрам зымдарын өндүрүү тармагында колдонулат. Таза гафний пластикалык, жеңил иштетүү, жогорку температурага туруктуулугу жана коррозияга туруктуулугу менен атомдук энергетика тармагында маанилүү материал болуп саналат. Гафний чоң жылуулук нейтронду кармоо кесилишине ээ жана атомдук реакторлор үчүн башкаруу таякчасы жана коргоочу түзүлүш катары колдонула турган идеалдуу нейтрон абсорбер болуп саналат. Гафний порошок ракеталар үчүн пропеллант катары колдонулушу мүмкүн. Рентген түтүкчөлөрүнүн катоду электр өнөр жайында даярдалышы мүмкүн. Гафний эритмеси ракетанын соплолору жана кайра кирүүчү учактар үчүн алдыңкы коргоочу катмар катары кызмат кыла алат, ал эми Hf Ta эритмеси инструменталдык болот жана каршылык материалдарын өндүрүү үчүн колдонулушу мүмкүн. Гафний вольфрам, молибден жана тантал сыяктуу ысыкка чыдамдуу эритмелерде кошумча элемент катары колдонулат. HfC жогорку катуулук жана эрүү температурасына байланыштуу катуу эритмелер үчүн кошумча катары колдонулушу мүмкүн. 4TaCHfC эрүү температурасы болжол менен 4215 ℃ болуп саналат, бул эң белгилүү эрүү чекити менен кошулманы түзөт. Гафнийди көптөгөн инфляция системаларында алуучу катары колдонсо болот. Гафний алгычтар системадагы кычкылтек жана азот сыяктуу керексиз газдарды жок кыла алат. Гафний көбүнчө гидравликалык мунайга кошумча катары колдонулат, ал эми жогорку тобокелдиктеги операцияларда гидравликалык мунайдын учуп кетишине жол бербөө үчүн жана күчтүү антиволатилдүүлүк касиетке ээ. Ошондуктан, ал жалпысынан өнөр жай гидравликалык мунай колдонулат. Медициналык гидравликалык май.
Гафний элементи акыркы Intel 45 нанопроцессорлорунда да колдонулат. Кремний диоксидинин (SiO2) өндүрүштүк жөндөмдүүлүгүнө жана транзистордун иштешин үзгүлтүксүз жакшыртуу үчүн анын калыңдыгын азайтууга жөндөмдүүлүгүнөн улам, процессор өндүрүүчүлөр дарбаза диэлектриктери үчүн материал катары кремний диоксидин колдонушат. Intel 65 нанометрдик өндүрүш процессин киргизгенде, кремний диоксидинин дарбазасынын диэлектриктеринин калыңдыгын 1,2 нанометрге чейин азайтуу үчүн бардык күч-аракетин жумшаса да, атомдордун 5 катмарына барабар болгон, транзистор болгондо электр энергиясын керектөө жана жылуулукту таратуу кыйынчылыгы да күчөйт. бир атомдун өлчөмүнө чейин кыскарган, натыйжада учурдагы калдыктар жана керексиз жылуулук энергиясы пайда болгон. Ошондуктан, эгерде учурдагы материалдар колдонула берсе жана калыңдыгы дагы азайса, диэлектрик дарбазасынын агып кетиши бир топ көбөйөт, транзистордук технологияны анын чегине чейин түшүрөт. Бул орчундуу маселени чечүү үчүн Intel кремний диоксидинин ордуна дарбаза диэлектриктери катары калыңыраак К материалдарын (гафнийдин негизиндеги материалдар) колдонууну пландаштырууда, бул агып чыгууну 10 эседен ашык ийгиликтүү азайткан. 65 нм технологиясынын мурунку мууну менен салыштырганда, Intelдин 45 нм процесси транзистордун тыгыздыгын эки эсеге жакын көбөйтүп, транзисторлордун жалпы санын көбөйтүүгө же процессордун көлөмүн кыскартууга мүмкүндүк берет. Кошумчалай кетсек, транзисторду алмаштыруу үчүн талап кылынган кубаттуулук азыраак болуп, электр энергиясын керектөөнү дээрлик 30% га азайтат. Ички туташуулар аз к диэлектрик менен жупташкан жез зымдан жасалган, натыйжалуулукту жакшыртат жана электр энергиясын керектөөнү азайтат жана которуу ылдамдыгы болжол менен 20% тезирээк
Минералдык бөлүштүрүү:
Гафний висмут, кадмий жана сымап сыяктуу кеңири колдонулган металлдарга караганда жер кыртышынын көптүгүнө ээ жана мазмуну боюнча бериллий, германий жана уранга барабар. Цирконий бар бардык минералдар гафнийди камтыйт. Өнөр жайда колдонулган циркондун курамында 0,5-2% гафний бар. Экинчи цирконий рудасындагы бериллий циркону (альвит) 15% гафнийди камтышы мүмкүн. Метаморфикалык циркондун бир түрү да бар, анын курамында 5%дан ашык HfO бар. Акыркы эки пайдалуу кендин запастары аз жана али өнөр жайда колдонула элек. Гафний негизинен цирконийди өндүрүүдө алынат.
Ал көпчүлүк цирконий рудаларында бар. [18] [19] Анткени жер кыртышында өтө аз мазмун бар. Ал көп учурда цирконий менен бирге жашайт жана өзүнчө рудасы жок.
Даярдоо ыкмасы:
1. Бул гафний төрт хлоридинин магнийди калыбына келтирүү же гафний йодидинин термикалык ажыратуу жолу менен даярдалышы мүмкүн. HfCl4 жана K2HfF6 да чийки зат катары колдонулушу мүмкүн. NaCl KCl HfCl4 же K2HfF6 эритмесинде электролиттик өндүрүш процесси цирконийдин электролиттик өндүрүшүнө окшош.
2. Гафний цирконий менен бирге жашайт жана гафний үчүн өзүнчө чийки зат жок. Гафнийди өндүрүү үчүн чийки зат цирконийди өндүрүү процессинде бөлүнгөн чийки гафний оксиди болуп саналат. Гафний кычкылын ион алмаштыруучу чайырды колдонуп бөлүп алыңыз, андан кийин бул гафний кычкылынан металл гафнийди даярдоо үчүн цирконий сыяктуу ыкманы колдонуңуз.
3. Ал гафний тетрахлоридин (HfCl4) натрий менен калыбына келтирүү жолу менен бирге ысытуу жолу менен даярдалышы мүмкүн.
Цирконий менен гафнийди бөлүүнүн эң алгачкы ыкмалары фторлуу комплекстүү туздарды фракциялык кристаллдаштыруу жана фосфаттарды фракциялык чөктүрүү болгон. Бул ыкмалар иштөө үчүн оор жана лабораториялык колдонуу менен гана чектелет. Цирконий менен гафнийди ажыратуунун жаңы технологиялары, мисалы, фракциялоо дистилляциясы, эриткичтерди экстракциялоо, ион алмашуу жана фракциялоо адсорбциялары биринин артынан бири пайда болду, эриткичтерди экстракциялоо кыйла практикалык. Көбүнчө колдонулган эки бөлүү системасы тиоцианат циклогексанон системасы жана трибутилфосфат азот кислотасы системасы. Жогорудагы ыкмалар менен алынган продуктылардын бардыгы гафний гидроксиди, ал эми таза гафний оксиди кальцинациялоо жолу менен алынышы мүмкүн. Жогорку тазалыктагы гафнийди ион алмашуу ыкмасы менен алууга болот.
Өнөр жайда металл гафнийди өндүрүү көбүнчө Кролл процессин да, Дебор Акер процессин да камтыйт. Kroll процесси металл магнийди колдонуу менен гафний тетрахлоридинин кыскарышын камтыйт:
2Mg+HfCl4- → 2MgCl2+Hf
Дебор Акер ыкмасы, ошондой эле йоддоштуруу ыкмасы катары белгилүү, гафний сыяктуу губканы тазалоо жана ийкемдүү металл гафнийди алуу үчүн колдонулат.
5. Гафнийдин эритүү процесси цирконийдикине окшош:
Биринчи кадам - руданы ыдырат, ал үч ыкманы камтыйт: цирконду хлордоо (Zr, Hf) Cl алуу. Циркондун щелочтук эриши. Циркон NaOH менен 600гө жакын эрийт жана 90%дан ашыгы (Zr, Hf) O Na (Zr, Hf) O га, SiO менен NaSiO га айланат, ал алып салуу үчүн сууда эрийт. Na (Zr, Hf) O цирконий менен гафнийди HNOдо эриткенден кийин бөлүү үчүн баштапкы эритме катары колдонулушу мүмкүн. Бирок, SiO коллоиддердин болушу эриткичтерди бөлүп алууну кыйындатат. KSiF менен агломерат жана сууга чылап, K (Zr, Hf) F эритмесин алуу. Эритме цирконий менен гафнийди фракциялык кристаллдаштыруу аркылуу бөлүп алат;
Экинчи кадам цирконий менен гафнийди бөлүү болуп саналат, ал туз кислотасынын MIBK (метил изобутил кетон) системасын жана HNO-TBP (трибутилфосфат) системасын колдонуу менен эриткичтүү экстракциялоонун бөлүү ыкмаларын колдонуу менен жетишүүгө болот. Жогорку басымдагы (20 атмосферадан жогору) HfCl менен ZrCl эритмелеринин буу басымынын айырмасын пайдалануу менен көп баскычтуу фракциялоонун технологиясы көптөн бери изилденген, бул экинчилик хлордоо процессин үнөмдөөгө жана чыгымдарды азайтууга мүмкүндүк берет. Бирок, (Zr, Hf) Cl жана HCl коррозия көйгөйүнөн улам, ылайыктуу фракциялоо колоннасынын материалдарын табуу оңой эмес, ошондой эле ZrCl жана HfCl сапатын төмөндөтүп, тазалоого кеткен чыгымдарды көбөйтөт. 1970-жылдары, ал дагы эле орто өсүмдүк сыноо стадиясында болгон;
Үчүнчү кадам - калыбына келтирүү үчүн чийки HfCl алуу үчүн HfO экинчилик хлордоо;
Төртүнчү кадам HfCl жана магний азайтуу тазалоо болуп саналат. Бул процесс ZrCl тазалоо жана кыскартуу менен бирдей, ал эми натыйжасында жарым фабрикат орой губка гафний болуп саналат;
Бешинчи кадам - бул чийки губка гафнийин вакуумда дистилляциялоодон MgCl алып салуу жана ашыкча металл магнийин калыбына келтирүү, натыйжада губка металл гафнийинин даяр продуктусу. Эгерде редукциялоочу агент магнийдин ордуна натрийди колдонсо, бешинчи кадамды сууга чөмтүрүүгө өзгөртүү керек.
Сактоо ыкмасы:
Салкын жана желдетилген кампада сактаңыз. Учкундан жана жылуулук булактарынан алыс болуңуз. Аны оксиданттардан, кислоталардан, галогендерден жана башкалардан өзүнчө сактоо керек жана сактоону аралаштырбоо керек. Жарылуудан корголбогон жарыктандыруу жана желдетүү каражаттарын колдонуу. Учкунга жакын механикалык жабдууларды жана аспаптарды колдонууга тыюу салынсын. Сактоочу жай агып кетпеши үчүн ылайыктуу материалдар менен жабдылышы керек.
Посттун убактысы: 25-сентябрдан 2023-жылга чейин