Hafnium, metalas HF, atominis numeris 72, atominis svoris 178,49, yra blizgus sidabro pilkos spalvos pereinamasis metalas.
Hafnium turi šešis natūraliai stabilius izotopus: Hafnium 174, 176, 177, 178, 179 ir 180. Hafnium nereaguoja su praskiesta druskos rūgštimi, praskiesta sieros rūgštimi ir stipriais šarminių tirpalais, tačiau yra tirpios hidrofluorinėje rūgštyje ir Aqua regia. Elemento pavadinimas kilęs iš Lotynų kalbos Kopenhagos miesto pavadinimo.
1925 m. Švedijos chemikas Hervey ir Olandijos fizikas Kosteris gavo gryną hafnio druską, frakcionuojant fluorintų sudėtingų druskų kristalizaciją, ir sumažino ją metaliniu natriu, kad gautų gryną metalą. Hafnium turi 0,00045% žemės plutos ir dažnai yra susijęs su cirkonio pobūdžiu.
Produkto pavadinimas: Hafnium
Elemento simbolis: HF
Atominis svoris: 178.49
Elemento tipas: metalinis elementas
Fizinės savybės:
Hafniumyra sidabrinis pilkas metalas su metaliniu blizgesiu; Yra du metalo hafnio variantai: α hafnium yra šešiakampis, atidžiai supakuotas variantas (1750 ℃), kurio transformacijos temperatūra yra aukštesnė nei cirkonio. Metalo hafnium turi allotropo variantus aukštoje temperatūroje. Metalo hafnium turi aukštą neutronų absorbcijos skerspjūvį ir gali būti naudojamas kaip reaktorių kontrolinė medžiaga.
Yra dviejų tipų kristalų struktūros: šešiakampis tankus pakavimas esant žemesnei nei 1300 ℃ （α α lygties temperatūrai); Esant aukštesnei nei 1300 ℃ temperatūrai, tai yra kūne orientuota kubinė （β-lygtis). Metalas su plastiškumu, kuris sukietėja ir tampa trapus esant priemaišoms. Stabilus ore, deginant tik tamsėja paviršiuje. Gijos gali būti uždegtos rungtynių liepsna. Savybės, panašios į cirkonį. Jis nereaguoja su vandeniu, praskiestų rūgščių ar stipriomis bazėmis, tačiau lengvai tirpsta „Aqua Regia“ ir hidrofluoro rūgštyje. Daugiausia junginiuose su+4 valentingumu. Yra žinoma, kad hafnio lydinys (TA4HFC5) turi aukščiausią lydymosi tašką (maždaug 4215 ℃).
Kristalų struktūra: kristalų ląstelė yra šešiakampė
CAS numeris: 7440-58-6
Lydymosi taškas: 2227 ℃
Virimo taškas: 4602 ℃
Cheminės savybės:
Hafnio cheminės savybės yra labai panašios į cirkonio ir jos atsparumą korozijai ir jos nėra lengvai korozijos korozijos dėl bendrojo rūgšties šarminių vandeninių tirpalų; Lengvai tirpsta hidrofluoro rūgštyje, kad sudarytų fluorintus kompleksus. Esant aukštai temperatūrai, hafnium taip pat gali tiesiogiai sujungti su tokiomis dujomis kaip deguonis ir azotas, kad susidarytų oksidai ir nitridai.
Hafnium dažnai turi+4 valentingumą junginiuose. Pagrindinis junginys yraHafnio oksidasHFO2. Yra trys skirtingi hafnio oksido variantai:Hafnio oksidasGauta nuolat kalcinant hafnio sulfato ir chlorido oksidą, yra monoklininis variantas; Hafnio oksidas, gautas kaitinant Hafnio hidroksidą, esant maždaug 400 ℃, yra tetragoninis variantas; Jei kalcinuota virš 1000 ℃, galima gauti kubinį variantą. Kitas junginys yraHafnium tetrachloridas, tai yra metalo hafnio paruošimo žaliava ir ją galima paruošti reaguojant chloro dujas ant hafnio oksido ir anglies mišinio. Hafnio tetrachloridas liečiasi su vandeniu ir iškart hidrolizuoja į labai stabilų HFO (4H2O) 2+jonus. HFO2+jonai egzistuoja daugelyje hafnio junginių ir gali kristalizuoti adatos formos hidratuotą hafnio oksiklorido HFOCL2 · 8H2O kristalų druskos rūgšties parūgštintą hafnio tetrachlorido tirpale.
4-Valentiškas hafnium taip pat yra linkęs formuoti kompleksus su fluoru, susidedant iš K2HFF6, K3HFF7, (NH4) 2HFF6 ir (NH4) 3HFF7. Šie kompleksai buvo naudojami cirkonio ir hafnio atskyrimui.
Įprasti junginiai:
Hafnium dioksidas: vardas hafnio dioksidas; Hafnio dioksidas; Molekulinė formulė: HFO2 [4]; Nuosavybė: balti milteliai su trimis kristalų struktūromis: monoklininė, tetragoninė ir kubinė. Tankis yra atitinkamai 10,3, 10,1 ir 10,43 g/cm3. Lydymo taškas 2780-2920K. Virimo taškas 5400K. Šilumos išsiplėtimo koeficientas 5.8 × 10-6/℃. Netirpsta vandenyje, druskos rūgštis ir azoto rūgštis, tačiau tirpsta koncentruotoje sieros rūgšties ir hidrofluoro rūgšties. Sukuriamas tokių junginių, kaip hafnio sulfato ir hafnio oksiklorido, šiluminis skilimas arba hidrolizė. Žaliavos metalo hafnio ir hafnium lydiniams gamybai. Naudojamos kaip ugniai atsparios medžiagos, anti radioaktyviosios dangos ir katalizatoriai. [5] Atominės energijos lygis HFO yra produktas, gautas tuo pačiu metu gaminant atominės energijos lygį ZRO. Pradedant nuo antrinės chlorinimo, valymo, redukcijos ir vakuuminio distiliavimo procesai yra beveik identiški cirkonio.
Hafnium tetrachloridas: Hafnium (iv) chloridas, hafnio tetrachlorido molekulinė formulė HFCL4 molekulinė masė 320.30 Veiksnys: baltas kristalinis blokas. Jautrus drėgmei. Tirpi acetono ir metanolio. Hidrolizuoti vandenyje, kad gautų hafnio oksikloridą (HFOCL2). Šilumą iki 250 ℃ ir išgaruokite. Dirgina akis, kvėpavimo sistemos ir oda.
Hafnio hidroksidas: hafnio hidroksidas (H4HFO4), paprastai yra hidratuoto oksido HFO2 · NH2O, netirpsta vandenyje, lengvai tirpsta neorganinėse rūgštyse, netirpsta amonijoje ir retai tirpsta natrio hidrokside. Kaitinkite iki 100 ℃, kad gautumėte hafnio hidroksido HFO (OH) 2. Baltųjų hafnio hidroksido nuosėdas galima gauti reaguojant į hafnio (IV) druską su amoniako vandeniu. Jis gali būti naudojamas kitiems hafnio junginiams gaminti.
Tyrimo istorija
Atradimų istorija:
1923 m. Švedų chemikas Hervey ir Olandijos fizikas D. Kosteris atrado Hafnium cirkonyje, pagamintame Norvegijoje ir Grenlandijoje, ir pavadino ją Hafnium, kilusi iš Lotynų kalbos pavadinimo Hafnia iš Kopenhagos. 1925 m. Hervey ir Coster atskyrė cirkonį ir titaną, naudodamiesi fluorintų kompleksinių druskų frakcinio kristalizacijos metodu, kad gautų gryną hafnio druską; Ir sumažinkite hafnio druską su metaliniu natriu, kad gautumėte gryną metalą hafnium. Hervey paruošė kelių miligramų gryno hafnio pavyzdį.
Cheminiai cirkonio ir hafnio eksperimentai:
1998 m. Teksaso universiteto profesoriaus Carlo Collinso atliktame eksperimente buvo teigiama, kad gama švitinta Hafnium 178m2 (izomero hafnio-178m2 [7]) gali išsiskirti didžiulę energiją, o tai yra penkios laipsnio didesnės nei cheminės reakcijos, bet trys laipsnių mažesnės nei branduolinės reakcijos. [8] HF178M2 (Hafnium 178M2) ilgiausiai laikosi panašių ilgalaikių izotopų: HF178M2 (Hafnium 178m2) pusinės eliminacijos laikas yra 31 metai, todėl natūralus radioaktyvumas yra maždaug 1,6 trilijono bekverelių. Collinso pranešime teigiama, kad vieno gramo gryno HF178M2 (Hafnium 178M2) yra maždaug 1330 megajulių, o tai yra lygi energijai, išleista sprogstant 300 kilogramų TNT sprogmenų. Collinso ataskaita rodo, kad visa šios reakcijos energija išsiskiria rentgeno arba gama spindulių pavidalu, kurie energiją išleidžia ypač greitai, o HF178M2 (Hafnium 178M2) vis dar gali reaguoti esant ypač mažoms koncentracijoms. [9] Pentagonas skyrė lėšų tyrimams. In the experiment, the signal-to-noise ratio was very low (with significant errors), and since then, despite multiple experiments by scientists from multiple organizations including the United States Department of Defense Advanced Projects Research Agency (DARPA) and JASON Defense Advisory Group [13], no scientist has been able to achieve this reaction under the conditions claimed by Collins, and Collins has not provided strong evidence to prove the existence of this reaction, Collins proposed a method of using induced Gamma spindulių emisija išlaisvina energiją iš HF178M2 (Hafnium 178M2) [15], tačiau kiti mokslininkai teoriškai įrodė, kad šios reakcijos negalima pasiekti. [16] HF178M2 (Hafnium 178M2) plačiai tikima, kad akademinė bendruomenė nėra energijos šaltinis
Programos laukas:
„Hafnium“ yra labai naudingas dėl savo sugebėjimo skleisti elektronus, tokius, kurie yra naudojami kaip siūlas kaitinamosiose lempose. Naudojami kaip rentgeno vamzdžių katodas, o hafnio ir volframo arba molibdeno lydiniai naudojami kaip elektrodai aukštos įtampos išleidimo vamzdeliams. Paprastai naudojamas katodo ir volframo vielos gamybos pramonėje rentgeno spinduliams. Gryna hafnium yra svarbi medžiaga atominės energijos pramonėje dėl savo plastiškumo, lengvo apdorojimo, aukštos temperatūros atsparumo ir atsparumo korozijai. „Hafnium“ turi didelį šiluminio neutronų fiksavimo skerspjūvį ir yra idealus neutronų absorberis, kuris gali būti naudojamas kaip kontrolinio strypo ir apsauginis įtaisas atominiams reaktoriams. Hafnio milteliai gali būti naudojami kaip raketoms. Rentgeno vamzdžių katodas gali būti pagamintas elektros pramonėje. „Hafnium“ lydinys gali tarnauti kaip priekinis apsauginis raketų purkštukų ir sklandytuvo pakartotinio įėjimo orlaivio sluoksnis, o HF TA lydinys gali būti naudojamas įrankių plieninei ir atsparumo medžiagoms gaminti. Hafnium naudojamas kaip papildomas elementas šilumai atspariuose lydiniuose, tokiuose kaip volframas, molibdenas ir tantalumas. Dėl didelio kietumo ir lydymosi taško HFC gali būti naudojamas kaip kietus lydinius. 4TACHFC lydymosi temperatūra yra maždaug 4215 ℃, todėl jis yra junginys, turintis aukščiausią žinomą lydymosi tašką. Hafnium gali būti naudojamas kaip daugelyje infliacijos sistemų. Hafnium getteriai gali pašalinti nereikalingas dujas, tokias kaip deguonis ir azotas, esantys sistemoje. Hafnium dažnai naudojamas kaip priedas hidrauliniame aliejuje, siekiant užkirsti kelią hidraulinės aliejų lakonavimui didelės rizikos operacijų metu, ir pasižymi stipriomis anti-kintamumo savybėmis. Todėl jis paprastai naudojamas pramoniniame hidrauliniame aliejuje. Medicininė hidraulinė aliejus.
„Hafnium“ elementas taip pat naudojamas naujausiose „Intel 45“ nanoprocesoriuose. Dėl silicio dioksido (SiO2) gaminamumo ir jo gebėjimo sumažinti storią nuolat pagerinti tranzistoriaus veikimą, procesorių gamintojai naudoja silicio dioksidą kaip vartų dielektrikos medžiagą. Kai „Intel“ pristatė 65 nanometrų gamybos procesą, nors jis dėjo visas pastangas, kad sumažintų silicio dioksido vartų dielektriko storį iki 1,2 nanometrų, tai prilygsta 5 atomų sluoksniams, sunkios energijos ir šilumos išsklaidymo sunkumai ir šilumos išsklaidymas taip pat padidėtų, kai tranzistorius buvo sumažintas iki atomo dydžio, todėl dabartinė atliekų kiekis ir šilumos energija taip pat padidėtų. Todėl, jei dabartinės medžiagos ir toliau bus naudojamos ir dar labiau sumažės storis, vartų dielektriko nutekėjimas žymiai padidės, todėl tranzistoriaus technologija sumažins jo ribas. Siekdama išspręsti šią kritinę problemą, „Intel“ planuoja naudoti storesnes aukštos k medžiagas (hafnio pagrindu pagamintas medžiagas) kaip vartų dielektriką, o ne silicio dioksidą, kuris sėkmingai sumažino nuotėkį daugiau nei 10 kartų. Palyginti su ankstesne 65 nm technologijos karta, „Intel“ 45 nm procesas padidina tranzistoriaus tankį beveik du kartus, todėl padidėja bendras tranzistorių skaičius arba sumažėja procesoriaus tūris. Be to, tranzistoriaus perjungimui reikalinga galia yra mažesnė, todėl energijos suvartojimas sumažina beveik 30%. Vidinės jungtys yra pagamintos iš varinės vielos, suporuotos su mažu k dielektriniu, sklandžiai pagerinančiu efektyvumą ir mažinant energijos suvartojimą, o perjungimo greitis yra maždaug 20% greitesnis
Mineralų paskirstymas:
Hafnium turi didesnį plutos gausą nei dažniausiai naudojami metalai, tokie kaip bismutas, kadmis ir gyvsidabris, ir yra lygiavertis berilio, germanio ir urano kiekiui. Visuose mineraluose, kuriuose yra cirkonio, yra hafnio. Pramonėje naudojamame cirkonyje yra 0,5–2% hafnio. Antrinėje cirkonio rūdoje esančiame berilio cirkonyje (Alvite) gali būti iki 15% hafnio. Taip pat yra metamorfinio cirkonio tipo cyrtolitas, kuriame yra daugiau nei 5% HFO. Pastarųjų dviejų mineralų rezervai yra maži ir dar nebuvo priimti pramonėje. Hafnium daugiausia atsigauna gaminant cirkonį.
Jis egzistuoja daugelyje cirkonio rūdų. [18] [19], nes plutoje yra labai mažai. Jis dažnai egzistuoja kartu su cirkoniu ir neturi atskiros rūdos.
Paruošimo metodas:
1. Jį galima paruošti sumažinus hafnio tetrachlorido arba hafnio jodido šiluminį skilimą. HFCL4 ir K2HFF6 taip pat gali būti naudojami kaip žaliavos. Elektrolitinės gamybos procesas NaCl KCL HFCL4 arba K2HFF6 lydyme yra panašus į cirkonio elektrolitinę gamybą.
2. Hafnium egzistavo kartu su cirkoniu, o hafnium nėra atskiros žaliavos. Hafnio gamybos žaliava yra neapdorotas hafnio oksidas, atskirtas cirkonio gamybos metu. Ekstraktas hafnio oksidas, naudodamas jonų mainų dervą, ir tada naudokite tą patį metodą kaip ir cirkonis, kad paruoštumėte metalo hafnį iš šio hafnio oksido.
3. Jį galima paruošti šildant Hafnio tetrachloridą (HFCL4) su natrio redukcija.
Ankstyviausi cirkonio ir hafnio atskyrimo metodai buvo frakcinis fluorintų sudėtingų druskų kristalizavimas ir frakciniai fosfatų krituliai. Šie metodai yra sudėtingi, kad veiktų, ir apsiriboja laboratoriniu naudojimu. Naujos cirkonio ir hafnio atskyrimo technologijos, tokios kaip frakcionavimo distiliavimas, tirpiklių ekstrahavimas, jonų mainų ir frakcionavimo adsorbcija, atsirado viena po kitos, o tirpiklio ekstrahavimas buvo praktiškesnis. Dvi dažniausiai naudojamos atskyrimo sistemos yra tiocianato cikloheksanono sistema ir tributilfosfato azoto rūgšties sistema. Aukščiau pateikti metodai gauti produktai yra visi hafnio hidroksidas, o gryną hafnio oksidą galima gauti kalcinant. Didelio grynumo hafnio galima gauti jonų mainų metodu.
Pramonėje metalo hafnio gamyba dažnai apima ir „Kroll“, ir „Debor Aker“ procesą. Kroll procesas apima hafnio tetrachlorido sumažinimą naudojant metalinį magnį:
2mg+hfcl4- → 2mgcl2+hf
„Debor Aker“ metodas, dar žinomas kaip jodizacijos metodas, yra naudojamas norint išvalyti tokią kempinę kaip hafnium ir gauti kaliojo metalo hafnium.
5. Hafnio lydymas iš esmės yra tas pats, kaip ir cirkonio:
Pirmasis žingsnis yra rūdos skilimas, apimantis tris metodus: cirkonio chlorinimas (Zr, HF) Cl. Šarminis cirkonio tirpimas. Cirkonas ištirpsta, kai NaOH yra maždaug 600, o daugiau nei 90% (Zr, HF) O (Zr, HF) O, SIO paverčiamas NASIO, kuris ištirpsta vandenyje pašalinimui. Na (Zr, Hf) O gali būti naudojamas kaip pradinis tirpalas cirkonio ir hafnio atskyrimui po ištirpimo HNO. Tačiau dėl SIO koloidų buvimo tirpiklių ekstrahavimo atskyrimas yra sunkus. Sukris su KSIF ir mirkykite vandenyje, kad gautumėte K (ZR, HF) F tirpalą. Tirpalas gali atskirti cirkonį ir hafnį per truputį kristalizaciją;
Antrasis žingsnis yra cirkonio ir hafnio atskyrimas, kurį galima pasiekti naudojant tirpiklių ekstrahavimo atskyrimo metodus, naudojant hidrochloro rūgšties MIBK (metilo izobutilo ketono) sistemą ir HNO-TBP (tributilfosfato) sistemą. Ilgai buvo ištirta daugiapakopė frakcionavimo technologija, naudojant garų slėgio skirtumą tarp HFCL ir ZRCL lydymosi esant aukštam slėgiui (virš 20 atmosferos), kuris gali sutaupyti antrinį chlorinimo procesą ir sumažinti išlaidas. Tačiau dėl (ZR, HF) CL ir HCL korozijos problemos nėra lengva rasti tinkamas frakcionavimo kolonėlės medžiagas, taip pat sumažins ZRCL ir HFCL kokybę, padidinant gryninimo išlaidas. Aštuntajame dešimtmetyje jis vis dar buvo tarpiniame augalų bandymo etape;
Trečiasis žingsnis yra antrinis HFO chlorinimas, norint gauti neapdorotą HFCL sumažėjimą;
Ketvirtasis žingsnis yra HFCL ir magnio redukcijos valymas. Šis procesas yra tas pats, kaip ir ZRCL gryninimas ir redukcija, o gautas pusiau baigtas produktas yra šiurkščiavilnių kempinės hafnium;
Penktasis žingsnis yra vakuuminio distilijos neapdorotos kempinės hafnio vakuume, kad būtų pašalintas MGCL ir atkurtas metalo magnio perteklius, todėl atsiranda gatavas kempinės metalo hafnio produktas. Jei redukuojantis agentas vietoj magnio naudoja natrį, penktąjį žingsnį reikia pakeisti į vandens panardinimą
Saugojimo metodas:
Laikykite vėsiame ir vėdinamame sandėlyje. Laikykitės atokiau nuo kibirkščių ir šilumos šaltinių. Jis turėtų būti laikomas atskirai nuo oksidantų, rūgščių, halogenų ir kt., Ir venkite maišymo. Naudojant sprogimui atsparią apšvietimo ir ventiliacijos įrenginius. Draudžiama naudoti mechaninę įrangą ir įrankius, linkusius į kibirkštis. Sandėliavimo zonoje turėtų būti tinkamų medžiagų, kuriose yra nuotėkiai.
Pašto laikas: 2012 m. Rugsėjo 25 d