Hafnium, Metall Hf, Atomnummer 72, Atomgewiicht 178,49, ass e glänzend sëlwergrau Iwwergangsmetall.
Hafnium huet sechs natierlech stabil Isotopen: Hafnium 174, 176, 177, 178, 179, an 180. Hafnium reagéiert net mat verdënntem Salzsäure, verdënntem Schwefelsäure a staarken alkalesche Léisungen, awer ass löslech an Fluorsäure a Aquaregia. Den Numm vum Element kënnt vum laténgesche Numm vun der Stad Kopenhagen.
Am Joer 1925 krut de schwedesche Chemiker Hervey an den hollännesche Physiker Koster reng Hafniumsalz duerch fraktionell Kristalliséierung vu fluorinéierte komplexe Salze, a reduzéiert et mat metallesche Natrium fir pure Metallhafnium ze kréien. Hafnium enthält 0,00045% vun der Äerdkrust an ass dacks mat Zirkonium an der Natur verbonnen.
Produit Numm: hafnium
Element Symbol: Hf
Atommass: 178,49
Element Typ: metallesch Element
Physikalesch Eegeschaften:
Hafniumass e sëlwergroe Metal mat engem metallesche Glanz; Et ginn zwou Varianten vum Metallhafnium: α Hafnium ass eng sechseckeg enk gepackt Variant (1750 ℃) mat enger méi héijer Transformatiounstemperatur wéi Zirkonium. Metal Hafnium huet allotrope Varianten bei héijen Temperaturen. Metal Hafnium huet eng héich Neutronen Absorptioun Querschnitt a kann als Kontroll Material fir Reaktoren benotzt ginn.
Et ginn zwou Aarte vu Kristallstrukturen: sechseckeg dichte Verpackung bei Temperaturen ënner 1300 ℃ (α- Equatioun); Bei Temperaturen iwwer 1300 ℃ ass et Kierperzentréiert Kubik (β- Equatioun). E Metall mat Plastizitéit, deen härt a brécheg gëtt an der Präsenz vun Gëftstoffer. Stabil an der Loft, däischter nëmmen op der Uewerfläch wann se verbrannt ginn. D'Filamenter kënnen duerch d'Flam vun engem Match entzündegt ginn. Eegeschafte ähnlech wéi Zirkonium. Et reagéiert net mat Waasser, verdënntem Säuren oder staarke Basen, awer ass liicht löslech an Aqua Regia a Waasserstoffsäure. Haaptsächlech a Verbindungen mat enger +4 Valenz. Hafniumlegierung (Ta4HfC5) ass bekannt fir den héchste Schmelzpunkt (ongeféier 4215 ℃).
Kristallstruktur: D'Kristallzell ass sechseckeg
CAS Zuel: 7440-58-6
Schmelzpunkt: 2227 ℃
Kachpunkt: 4602 ℃
Chemesch Eegeschaften:
Déi chemesch Eegeschafte vum Hafnium si ganz ähnlech wéi déi vum Zirkonium, an et huet gutt Korrosiounsbeständegkeet an ass net liicht korrodéiert duerch allgemeng sauer Alkali-wässerlech Léisungen; Einfach löslech a Fluorsäure fir fluorinéiert Komplexe ze bilden. Bei héijen Temperaturen kann Hafnium och direkt mat Gase wéi Sauerstoff a Stickstoff kombinéieren fir Oxiden an Nitriden ze bilden.
Hafnium huet dacks eng +4 Valenz a Verbindungen. D'Haaptrei Verbindung assHafniumoxidHfO2. Et ginn dräi verschidde Varianten vum Hafniumoxid:Hafniumoxidkritt duerch kontinuéierlech calcination vun Hafnium sulfate a Chloroxid ass eng monoclinic Variant; Den Hafniumoxid, deen duerch Erwiermung vum Hafniumhydroxid op ongeféier 400 ℃ kritt gëtt, ass eng tetragonal Variant; Wann iwwer 1000 ℃ kalzinéiert gëtt, kann eng kubesch Variant kritt ginn. Eng aner Verbindung assHafniumtetrachlorid, wat de Rohmaterial ass fir Metallhafnium ze preparéieren a ka virbereet ginn andeems Chlorgas op enger Mëschung aus Hafniumoxid a Kuelestoff reagéiert. Hafniumtetrachlorid kënnt a Kontakt mat Waasser an hydrolyséiert direkt an héich stabil HfO (4H2O) 2+ Ionen. HfO2 + Ionen existéieren a ville Verbindunge vun Hafnium, a kënnen Nadel geformt hydratiséiert Hafnium Oxychlorid HfOCl2 · 8H2O Kristaller an Salzsäure sauer Hafniumtetrachlorid Léisung kristalliséieren.
4-valent Hafnium ass och ufälleg fir Komplexe mat Fluorid ze bilden, besteet aus K2HfF6, K3HfF7, (NH4) 2HfF6, an (NH4) 3HfF7. Dës Komplexe goufen fir d'Trennung vun Zirkonium an Hafnium benotzt.
Gemeinsam Verbindungen:
Hafniumdioxid: Numm Hafniumdioxid; Hafniumdioxid; Molekulare Formel: HfO2 [4]; Eegeschafte: Wäiss Pudder mat dräi Kristallstrukturen: monoklinesch, tetragonal a kubesch. D'Dichte sinn 10,3, 10,1, respektiv 10,43g/cm3. Schmelzpunkt 2780-2920K. Kachpunkt 5400K. Thermesch Expansiounskoeffizient 5,8 × 10-6/℃. Onopléisbar a Waasser, Salzsäure a Salpetersäure, awer löslech a konzentréiert Schwefelsäure a Fluorsäure. Produzéiert duerch thermesch Zersetzung oder Hydrolyse vu Verbindungen wéi Hafniumsulfat an Hafniumoxychlorid. Matière première fir d'Produktioun vun Metall Hafnium an Hafnium Legierungen. Benotzt als refractaire Materialien, anti-radioaktiv Beschichtungen, a Katalysatoren. [5] Atomenergieniveau HfO ass e Produkt dat gläichzäiteg kritt gëtt beim Fabrikatioun vum Atomenergieniveau ZrO. Vun der sekundärer Chloréierung un, sinn d'Prozesser vun der Reinigung, der Reduktioun an der Vakuumdestillatioun bal identesch mat deene vum Zirkonium.
Hafniumtetrachlorid: Hafnium(IV)chlorid, Hafniumtetrachlorid Molekularformel HfCl4 Molekulargewiicht 320,30 Charakter: Wäiss kristallin Block. Sensibel fir Feuchtigkeit. Soluble an Aceton a Methanol. Hydrolyze am Waasser fir Hafniumoxychlorid (HfOCl2) ze produzéieren. Heizen op 250 ℃ a verdampen. Irritéiert d'Aen, d'Atmungssystem an d'Haut.
Hafniumhydroxid: Hafniumhydroxid (H4HfO4), normalerweis präsent als hydratiséierter Oxid HfO2 · nH2O, ass onopléisbar am Waasser, liicht löslech an anorganesche Säuren, onopléisbar an Ammoniak, a selten löslech am Natriumhydroxid. Hëtzt op 100 ℃ fir Hafniumhydroxid HfO (OH) ze generéieren 2. Wäiss Hafniumhydroxid Nidderschlag kann duerch Reaktioun vum Hafnium (IV) Salz mat Ammoniakwasser kritt ginn. Et kann benotzt ginn fir aner Hafniumverbindungen ze produzéieren.
Fuerschung Geschicht
Entdeckungsgeschicht:
Am Joer 1923 hunn de schwedesche Chemiker Hervey an den hollännesche Physiker D. Koster den Hafnium am Zirkon entdeckt, deen an Norwegen a Grönland produzéiert gouf, an huet et Hafnium genannt, wat aus dem laténgesche Numm Hafnia vu Kopenhagen staamt. Am Joer 1925 hunn den Hervey a Coster Zirkonium an Titan getrennt mat der Methode vun der fraktioneller Kristalliséierung vu fluoréierte komplexe Salze fir pure Hafniumsalze ze kréien; A reduzéiert Hafnium Salz mat metallesche Natrium fir pure Metallhafnium ze kréien. Den Hervey huet eng Probe vun e puer Milligramm vu pure Hafnium virbereet.
Chemesch Experimenter op Zirkonium an Hafnium:
An engem Experiment vum Professer Carl Collins op der University of Texas am Joer 1998 gouf behaapt datt gammabestraalt Hafnium 178m2 (den Isomer Hafnium-178m2 [7]) enorm Energie fräiginn kann, déi fënnef Uerderen méi héich ass wéi chemesch Reaktiounen awer dräi Gréisstenuerden manner wéi nuklear Reaktiounen. [8] Hf178m2 (hafnium 178m2) huet déi längste Liewensdauer ënner ähnlechen laangliewege Isotopen: Hf178m2 (hafnium 178m2) huet eng Hallefzäit vun 31 Joer, wat zu enger natierlecher Radioaktivitéit vu ronn 1,6 Billioun Becquerel resultéiert. De Collins Bericht seet, datt ee Gramm pure Hf178m2 (hafnium 178m2) ongeféier 1330 Megajoule enthält, wat entsprécht der Energie, déi duerch d'Explosioun vun 300 Kilogramm TNT Sprengstoff fräigelooss gëtt. De Collins Bericht weist datt all Energie an dëser Reaktioun a Form vun Röntgen- oder Gammastrahlen entlooss gëtt, déi Energie mat engem extrem schnelle Geschwindegkeet fräiginn, an Hf178m2 (Hafnium 178m2) kann nach bei extrem nidderegen Konzentratioune reagéieren. [9] De Pentagon huet Fongen fir Fuerschung zougewisen. Am Experiment war d'Signal-to-Geräusch Verhältnis ganz niddereg (mat bedeitende Feeler), an zënterhier, trotz multiplen Experimenter vu Wëssenschaftler vu verschiddenen Organisatiounen, dorënner den United States Department of Defense Advanced Projects Research Agency (DARPA) an JASON Defense Advisory Grupp [13], kee Wëssenschaftler konnt dës Reaktioun ënner de Bedéngungen, déi vum Collins behaapten, z'erreechen, an de Collins huet keng staark Beweiser geliwwert fir d'Existenz vun dëser Reaktioun ze beweisen, Collins proposéiert eng Method fir induzéiert Gammastrahlemissioun ze benotzen fir Energie aus ze befreien Hf178m2 (hafnium 178m2) [15], awer aner Wëssenschaftler hunn theoretesch bewisen datt dës Reaktioun net erreecht ka ginn. [16] Hf178m2 (hafnium 178m2) gëtt allgemeng gegleeft an der akademescher Gemeinschaft net eng Energiequell ze sinn
Applikatioun Feld:
Hafnium ass ganz nëtzlech wéinst senger Fäegkeet Elektronen ze emittéieren, sou wéi wéi e Filament an Glühwäin benotzt. Benotzt als Kathode fir Röntgenröhren, an Legierungen aus Hafnium a Wolfram oder Molybdän ginn als Elektroden fir Héichspannungsentladungsröhre benotzt. Allgemeng benotzt an der Kathode- a Wolframdrahtfabrikatioun fir Röntgenstrahlen. Pure Hafnium ass e wichtegt Material an der Atomenergieindustrie wéinst senger Plastizitéit, einfacher Veraarbechtung, héijer Temperaturbeständegkeet a Korrosiounsbeständegkeet. Hafnium huet e groussen thermesche Neutronefanger Querschnitt an ass en ideale Neutronenabsorber, deen als Kontrollstab a Schutzapparat fir Atomreaktoren benotzt ka ginn. Hafnium-Pulver kann als Dreifstoff fir Rakéite benotzt ginn. D'Kathode vun Röntgenröhren kann an der elektrescher Industrie fabrizéiert ginn. Hafnium-Legierung kann als Forward Schutzschicht fir Rakéitdüsen déngen an d'Glide-Re-Entry Fligeren déngen, während Hf Ta-Legierung ka benotzt ginn fir Toolstahl a Resistenzmaterialien ze fabrizéieren. Hafnium gëtt als Additiv Element an Hëtztbeständeg Legierungen benotzt, wéi Wolfram, Molybdän, an Tantal. HfC kann als Additiv fir haart Legierungen benotzt ginn wéinst senger héijer Hardness a Schmelzpunkt. De Schmelzpunkt vum 4TaCHfC ass ongeféier 4215 ℃, wouduerch et d'Verbindung mam héchste bekannte Schmelzpunkt ass. Hafnium kann als Getter a ville Inflatiounssystemer benotzt ginn. Hafnium Getters kënnen onnéideg Gase wéi Sauerstoff a Stickstoff präsent am System ewechhuelen. Hafnium gëtt dacks als Additiv am hydraulesche Ueleg benotzt fir d'Volatiliséierung vum hydraulesche Ueleg während héije Risiko Operatiounen ze vermeiden, an huet staark Anti-Volatilitéitseigenschaften. Dofir gëtt et allgemeng an industriellen hydraulesche Ueleg benotzt. Medizinesch hydraulesch Ueleg.
Hafnium Element gëtt och an de leschten Intel 45 Nanoprozessoren benotzt. Wéinst der Fabrikatioun vu Siliziumdioxid (SiO2) a seng Fäegkeet fir d'Dicke ze reduzéieren fir d'Transistorleistung kontinuéierlech ze verbesseren, benotze Prozessorhersteller Siliziumdioxid als Material fir Gate-Dielektrik. Wéi Intel de 65 Nanometer Fabrikatiounsprozess agefouert huet, obwuel et all Effort gemaach huet fir d'Dicke vum Siliziumdioxid Gate Dielektrik op 1,2 Nanometer ze reduzéieren, gläichwäerteg mat 5 Schichten vun Atomer, d'Schwieregkeet vum Stroumverbrauch an d'Wärmevergëftung géif och eropgoen wann den Transistor gouf op d'Gréisst vun engem Atom reduzéiert, wat zu aktuellen Offall an onnéideger Hëtztenergie resultéiert. Dofir, wann aktuell Materialien weider benotzt ginn an d'Dicke weider reduzéiert gëtt, wäert d'Leckage vum Gate-Dielektrik wesentlech eropgoen, Transistortechnologie op seng Grenzen erof ze bréngen. Fir dëst kritescht Thema unzegoen, plangt Intel méi décker héich K-Materialien (hafniumbaséiert Materialien) als Gate-Dielektrik ze benotzen anstatt Siliziumdioxid, wat d'Leckage ëm méi wéi 10 Mol erfollegräich reduzéiert huet. Am Verglach mat der viregter Generatioun vu 65nm Technologie, erhéicht den Intel 45nm Prozess d'Transistor Dicht ëm bal zweemol, wat eng Erhéijung vun der Gesamtzuel vun den Transistoren erlaabt oder eng Reduktioun vum Prozessorvolumen. Zousätzlech ass d'Kraaft erfuerderlech fir Transistorschalter manner, wat de Stroumverbrauch ëm bal 30% reduzéiert. Déi intern Verbindunge sinn aus Kupferdraht gepaart mat nidderegen Dielektrik, verbessert d'Effizienz glat an d'Kraaftverbrauch reduzéiert, an d'Schaltgeschwindegkeet ass ongeféier 20% méi séier
Mineralverdeelung:
Hafnium huet e méi héije Krustall wéi allgemeng benotzt Metaller wéi Bismut, Kadmium a Quecksilber, an ass am Inhalt gläichwäerteg mat Beryllium, Germanium an Uranium. All Mineralstoffer mat Zirkonium enthalen Hafnium. Zirkon benotzt an der Industrie enthält 0,5-2% Hafnium. De Berylliumzirkon (Alvite) am Secondaire Zirkoniumerz kann bis zu 15% Hafnium enthalen. Et gëtt och eng Aart vu metamorphesche Zirkon, Cyrtolit, deen iwwer 5% HfO enthält. D'Reserven vun deenen zwee leschten Mineralstoffer si kleng a sinn nach net an der Industrie ugeholl ginn. Hafnium gëtt haaptsächlech während der Produktioun vun Zirkonium erholl.
Et existéiert an de meeschte Zirkoniumerz. [18] [19] Well et ganz wéineg Inhalt an der Krust ass. Et existéiert dacks mat Zirkonium an huet keng separat Äerz.
Virbereedung Method:
1. Et kann duerch Magnesium Reduktioun vun Hafniumtetrachlorid oder thermesch Zersetzung vun Hafniumjodid virbereet ginn. HfCl4 a K2HfF6 kënnen och als Rohmaterial benotzt ginn. De Prozess vun der elektrolytescher Produktioun an der NaCl KCl HfCl4 oder K2HfF6 Schmelz ass ähnlech wéi déi vun der elektrolytescher Produktioun vun Zirkonium.
2. Hafnium coexistéiert mat Zirkonium, an et gëtt keng separat Rohmaterial fir Hafnium. D'Rohmaterial fir d'Fabrikatioun vun Hafnium ass rau Hafniumoxid getrennt während dem Prozess vun der Zirkoniumproduktioun. Extrait Hafniumoxid mat Ionenaustauschharz, a benotzt dann déiselwecht Method wéi Zirkonium fir Metallhafnium aus dësem Hafniumoxid ze preparéieren.
3. Et kann duerch Co-Heizung Hafniumtetrachlorid (HfCl4) mat Natrium duerch Reduktioun virbereet ginn.
Déi fréierst Methode fir d'Trennung vun Zirkonium an Hafnium waren fraktionell Kristalliséierung vu fluoréierte komplexe Salze a fraktionell Ausfäll vu Phosphate. Dës Methode sinn ëmständlech ze bedreiwen a si limitéiert op Labo Benotzung. Nei Technologien fir d'Trennung vun Zirkonium an Hafnium, wéi Fraktiounsdestillatioun, Léisungsmëttelextraktioun, Ionenaustausch a Fraktiounsadsorptioun, sinn een nom aneren entstanen, mat Léisungsmëttelextraktioun méi praktesch. Déi zwee allgemeng benotzt Trennungssystemer sinn den Thiocyanat-Cyclohexanon-System an den Tributylphosphat Salpetersäuresystem. D'Produkter, déi duerch déi uewe genannte Methoden kritt ginn, sinn all Hafniumhydroxid, a pure Hafniumoxid kann duerch Kalzinatioun kritt ginn. Héich Puritéit Hafnium kann duerch Ionenaustauschmethod kritt ginn.
An der Industrie beinhalt d'Produktioun vu Metallhafnium dacks souwuel de Kroll-Prozess wéi och den Debor Aker-Prozess. De Kroll-Prozess beinhalt d'Reduktioun vum Hafniumtetrachlorid mat metallesche Magnesium:
2Mg+HfCl4- → 2MgCl2+Hf
D'Debor Aker Method, och bekannt als d'Iodiséierungsmethod, gëtt benotzt fir Schwamm wéi Hafnium ze purifizéieren an e bësschen Metallhafnium ze kréien.
5. D'Schmelz vun Hafnium ass am Fong d'selwecht wéi déi vum Zirkonium:
Den éischte Schrëtt ass d'Zersetzung vum Äerz, wat dräi Methoden involvéiert: Chloréierung vum Zirkon fir (Zr, Hf) Cl ze kréien. Alkaleschmëlzung vun Zirkon. Zirkon schmëlzt mat NaOH bei ongeféier 600, an iwwer 90% vun (Zr, Hf) O transforméiert sech an Na (Zr, Hf) O, mat SiO transforméiert an NaSiO, wat a Waasser opgeléist gëtt fir ze entfernen. Na (Zr, Hf) O kann als originell Léisung benotzt ginn fir Zirkonium an Hafnium ze trennen nodeems se an HNO opgeléist ginn. Wéi och ëmmer, d'Präsenz vu SiO Kolloiden mécht d'Trennung vun der Léisungsmëttelextraktioun schwéier. Sinter mat KSiF a sok am Waasser fir K (Zr, Hf) F Léisung ze kréien. D'Léisung kann Zirkonium an Hafnium duerch fraktionell Kristalliséierung trennen;
Den zweete Schrëtt ass d'Trennung vun Zirkonium an Hafnium, déi mat Hëllef vu Léisungsmëttel Extraktioun Trennungsmethoden mat Salzsäure MIBK (Methylisobutylketon) System an HNO-TBP (Tribtylphosphat) System erreecht ka ginn. D'Technologie vun der Multi-Etapp Fraktionéierung mam Differenz am Dampdruck tëscht HfCl an ZrCl Schmelzen ënner Héichdrock (iwwer 20 Atmosphäre) gouf laang studéiert, wat de sekundäre Chloréierungsprozess spuere kann an d'Käschte reduzéieren. Wéi och ëmmer, wéinst dem Korrosiounsproblem vun (Zr, Hf) Cl an HCl, ass et net einfach gëeegent Fraktiounskolonnematerial ze fannen, an et wäert och d'Qualitéit vun ZrCl an HfCl reduzéieren, wat d'Reinigungskäschte erhéijen. An den 1970er Jore war et nach an der Tëschenzäit Planzteststadium;
Den drëtte Schrëtt ass déi sekundär Chloréierung vun HfO fir rau HfCl fir Reduktioun ze kréien;
De véierte Schrëtt ass d'Reinigung vun HfCl a Magnesium Reduktioun. Dëse Prozess ass d'selwecht wéi d'Rengung an d'Reduktioun vun ZrCl, an déi doraus resultéierend semi-fäerdeg Produit ass grober Schwamm Hafnium;
De fënnefte Schrëtt ass d'Vakuumdestillatioun vu roude Schwamm Hafnium fir MgCl ze entfernen an iwwerschësseg Metallmagnesium ze recuperéieren, wat zu engem fäerdege Produkt vu Schwammmetall Hafnium resultéiert. Wann d'Reduktiounsmëttel Natrium amplaz vu Magnesium benotzt, da sollt de fënnefte Schrëtt op Waassertaucht geännert ginn
Späichermethod:
Store an engem cool a gelëfter Lager. Bleift ewech vu Funken an Hëtztquellen. Et sollt getrennt vun Oxidanten, Säuren, Halogenen, asw. Explosioun-Beweis Beliichtung a Belëftung Ariichtungen benotzen. Verbueden d'Benotzung vu mechaneschen Ausrüstung an Tools déi ufälleg sinn fir Funken. D'Lagerberäich soll mat passenden Materialien ausgestatt sinn fir Leckage ze enthalen.
Post Zäit: Sep-25-2023