Hafnijs, Metāla HF, atomu numurs 72, atomu svars 178,49, ir spīdīgs sudraba pelēks pārejas metāls.
Hafnijam ir seši dabiski stabili izotopi: Hafnium 174, 176, 177, 178, 179 un 180. Hafnium nereaģē ar atšķaidītu sālsskābi, atšķaidītu sulfurskābi un spēcīgu sārmainu šķīdumus, bet šķīst hidrofluorskābes un akva reģionā. Elementa nosaukums nāk no Kopenhāgenas pilsētas latīņu nosaukuma.
1925. gadā zviedru ķīmiķis Hervejs un holandiešu fiziķis Kosters ieguva tīru hafnija sāli, frakcionētu fluorētu kompleksu sāļu kristalizāciju un samazinot to ar metālisku nātriju, lai iegūtu tīru metāla hafniumu. Hafnium satur 0,00045% no Zemes garozas un to bieži saistītu ar cirkoniju dabā.
Produkta nosaukums: hafnium
Elementa simbols: HF
Atomu svars: 178,49
Elementa tips: metāliskais elements
Fiziskās īpašības:
Hafnijsir sudraba pelēks metāls ar metālisku spīdumu; Ir divi metāla hafnija varianti: α hafnium ir sešstūrains cieši iesaiņots variants (1750 ℃) ar augstāku transformācijas temperatūru nekā cirkonijs. Metāla hafnium ir allotrope varianti augstā temperatūrā. Metāla hafnium ir augsts neitronu absorbcijas šķērsgriezums, un to var izmantot kā reaktoru kontroles materiālu.
Ir divu veidu kristālu struktūras: sešstūra blīva iesaiņošana temperatūrā zem 1300 ℃ （α- vienādojums); Temperatūrā virs 1300 ℃ tā ir uz ķermeni vērsta kubiskā （β-vienādojums). Metāls ar plastiskumu, kas sacietē un kļūst trausls piemaisījumu klātbūtnē. Stabils gaisā, tikai tumšāks uz virsmas, kad to sadedzina. Kavedienus var aizdedzināt ar mača liesmu. Īpašības, kas līdzīgas cirkonijam. Tas nereaģē ar ūdeni, atšķaidītām skābēm vai spēcīgām bāzēm, bet ir viegli šķīstoši Aqua Regia un hidrofluorskābē. Galvenokārt savienojumos ar+4 valenci. Ir zināms, ka Hafnium sakausējumam (TA4HFC5) ir visaugstākais kausēšanas punkts (aptuveni 4215 ℃).
Kristāla struktūra: kristāla šūna ir sešstūra
CAS numurs: 7440-58-6
Kušanas punkts: 2227 ℃
Viršanas punkts: 4602 ℃
Ķīmiskās īpašības:
Hafnija ķīmiskās īpašības ir ļoti līdzīgas cirkonija īpašībām, un tai ir laba izturība pret koroziju, un to nav viegli korozijas ar vispārīgiem skābes sārmu ūdens šķīdumiem; Viegli šķīst hidrofluorskābē, veidojot fluorētus kompleksus. Augstā temperatūrā hafnijs var arī tieši apvienot ar tādām gāzēm kā skābeklis un slāpeklis, veidojot oksīdus un nitrīdus.
Hafnium bieži ir+4 valence savienojumos. Galvenais savienojums irhafnija oksīdsHFO2. Ir trīs dažādi hafnija oksīda varianti:hafnija oksīdsiegūts, nepārtraukti kalcējot hafnium sulfātu un hlorīdu oksīdu, ir monoklinisks variants; Hafnija oksīds, kas iegūts, sildot hafnija hidroksīdu aptuveni 400 ℃, ir tetragonāls variants; Ja kalcinēts virs 1000 ℃, var iegūt kubisko variantu. Vēl viens savienojums irhafnija tetrahlorīds, kas ir izejviela metāla hafnija pagatavošanai un to var sagatavot, reaģējot uz hlora gāzi uz hafnija oksīda un oglekļa maisījuma. Hafnium tetrahlorīds nonāk saskarē ar ūdeni un nekavējoties hidrolizē ļoti stabilā HFO (4H2O) 2+jonos. HFO2+joni pastāv daudzos hafnija savienojumos, un tie var izkristalizēt adatas formas hidratēto hafnija oksihlorīda hfocl2 · 8H2O kristālus sālsskābes paskābinātā hafnija tetrahlorīda šķīdumā.
4-Valent Hafnium ir arī tendence veidot kompleksus ar fluorīdu, kas sastāv no K2HFF6, K3HFF7, (NH4) 2HFF6 un (NH4) 3HFF7. Šie kompleksi ir izmantoti cirkonija un hafnija atdalīšanai.
Izplatīti savienojumi:
Hafnium dioksīds: nosaukums hafnium dioksīds; Hafnium dioksīds; Molekulārā formula: HFO2 [4]; Īpašums: balts pulveris ar trim kristāla struktūrām: monoklīnika, tetragonāla un kubikreta. Blīvums ir attiecīgi 10,3, 10,1 un 10,43 g/cm3. Kušanas punkts 2780-2920K. Viršanas punkts 5400k. Termiskās izplešanās koeficients 5,8 × 10-6/℃. Nešķīst ūdenī, sālsskābē un slāpekļskābē, bet šķīst koncentrētā sērskābē un hidrofluorskābē. Ražots ar savienojumu, piemēram, hafnija sulfāta un hafnija oksihlorīda, termisko sadalīšanos vai hidrolīzi. Izejvielas metāla hafnium un hafnium sakausējumu ražošanai. Izmanto kā ugunsizturīgus materiālus, antirioaktīvos pārklājumus un katalizatorus. [5] Atomenerģijas līmenis HFO ir produkts, kas iegūts vienlaicīgi, ražojot atomenerģijas līmeni ZRO. Sākot ar sekundāro hlorēšanu, attīrīšanas, reducēšanas un vakuuma destilācijas procesi ir gandrīz identiski cirkonija procesiem.
Hafnija tetrahlorīds: Hafnium (iv) hlorīds, hafnium tetrahlorīda molekulārā formula HFCL4 molekulmasa 320.30 Raksturs: balts kristāliskais bloks. Jutīgs pret mitrumu. Šķīst acetonā un metanolā. Hidrolēze ūdenī, lai iegūtu hafnium oksihlorīdu (HFOCL2). Siltums līdz 250 ℃ un iztvaiko. Kairina acis, elpošanas sistēmu un ādu.
Hafnium hidroksīds: hafnium hidroksīds (H4HFO4), parasti ir kā hidratēts oksīds HFO2 · NH2O, nešķīst ūdenī, viegli šķīst neorganicskābēs, nešķīst amonjikā un reti šķīst nātrija hidroksīdā. Karstums līdz 100 ℃, lai radītu hafnium hidroksīda HFO (OH) 2. Baltā hafnium hidroksīda nogulsnes var iegūt, reaģējot hafnium (IV) sāli ar amonjaka ūdeni. To var izmantot citu hafnija savienojumu ražošanai.
Pētniecības vēsture
Atklāšanas vēsture:
1923. gadā zviedru ķīmiķis Hervejs un holandiešu fiziķis D. Kosters cirkonā atklāja hafniju, kas ražots Norvēģijā un Grenlandē, un nosauca to par Hafnium, kas cēlies no Kopenhāgenas latīņu valodas nosaukuma Hafnia. 1925. gadā Hervey un Coster atdalīja cirkoniju un titānu, izmantojot fluorētu kompleksu sāļu frakcionētās kristalizācijas metodi, lai iegūtu tīrus hafnium sāļus; Un samaziniet hafnium sāli ar metālisku nātriju, lai iegūtu tīru metālu hafnium. Hervey sagatavoja vairāku miligramu tīra hafnium paraugu.
Ķīmiskie eksperimenti ar cirkoniju un hafnium:
Eksperimentā, ko 1998. gadā veica profesors Karls Kolinss Teksasas universitātē, tika apgalvots, ka gamma apstarots hafnium 178m2 (izomērs hafnium-178m2 [7]) var atbrīvot milzīgu enerģiju, kas ir piecas lieluma kārtas par ķīmiskām reakcijām, bet trīs kārtas, kas ir zemākas par kodolreakcijām. [8] HF178M2 (Hafnium 178m2) ir visilgākais dzīves ilgums starp līdzīgiem ilgstošiem izotopiem: HF178M2 (Hafnium 178m2) pusperiods ir 31 gads, kā rezultātā dabiska radioaktivitāte ir aptuveni 1,6 triljoni. Kolinsa ziņojumā teikts, ka vienā gramā tīra HF178M2 (Hafnium 178m2) ir aptuveni 1330 megajoules, kas ir līdzvērtīga enerģijai, kas izdalās 300 kilogramu TNT sprāgstvielu eksplozijā. Kolinsa ziņojums norāda, ka visa enerģija šajā reakcijā tiek atbrīvota rentgenstaru vai gamma staru veidā, kas izdalās enerģiju ar ārkārtīgi ātru ātrumu, un HF178M2 (Hafnium 178m2) joprojām var reaģēt uz ārkārtīgi zemu koncentrāciju. [9] Pentagons ir piešķīris līdzekļus pētniecībai. Eksperimentā signāla un trokšņa attiecība bija ļoti zema (ar ievērojamām kļūdām), un kopš tā laika, neskatoties uz vairāku zinātnieku eksperimentiem no vairākām organizācijām, ieskaitot Amerikas Savienoto Valstu Aizsardzības departamenta Advanced Project Project Agency (DARPA) un Jason aizsardzības padomdevēju grupu [13], neviens zinātnieks nav spējīgs panākt šo reakciju, ko prasa nosacījumi, kas saistīti ar Collins, un šajā gadījumā nav iespējams iegūt, lai iegūtu, lai iegūtu, lai iegūtu, lai tos varētu veikt reakcijā, un šajā sakarā nav. Gamma staru emisija, lai atbrīvotu enerģiju no HF178M2 (Hafnium 178m2) [15], bet citiem zinātniekiem teorētiski ir pierādīts, ka šo reakciju nevar sasniegt. [16] HF178M2 (Hafnium 178m2) akadēmiskajā sabiedrībā plaši tic, ka tā nav enerģijas avots
Pieteikuma lauks:
Hafnium ir ļoti noderīgs, pateicoties tā spējai izstarot elektronus, piemēram, kā tas, ko izmanto kā kvēldiegu kvēlspuldzēs. Izmanto kā katodu rentgena caurulēm, kā arī hafnija un volframa vai molibdēna sakausējumus izmanto kā elektrodus augsta sprieguma izlādes caurulēm. Parasti rentgena stariem izmanto katoda un volframa stiepļu ražošanas nozarē. Tīrs hafnium ir svarīgs materiāls atomenerģijas nozarē, pateicoties tā plastiskumam, ērtai pārstrādei, izturībai pret augstu temperatūru un izturību pret koroziju. Hafnium ir liels termisko neitronu uztveršanas šķērsgriezums un tas ir ideāls neitronu absorbētājs, ko var izmantot kā vadības stieni un aizsargu atomu reaktoriem. Hafnium pulveri var izmantot kā raķešu propelentu. Rentgenstaru cauruļu katodu var ražot elektriskajā rūpniecībā. Hafnium sakausējums var kalpot par raķešu sprauslu un slīdēšanas atkārtotas ieejas lidmašīnu priekšējo aizsargājošo slāni, savukārt HF TA sakausējumu var izmantot, lai ražotu tērauda un pretestības materiālus. Hafnium izmanto kā piedevu elementu karstumizturīgos sakausējumos, piemēram, volframs, molibdēns un tantalums. HFC var izmantot kā piedevu cietajiem sakausējumiem tā augstās cietības un kušanas temperatūras dēļ. 4Tachfc kausēšanas punkts ir aptuveni 4215 ℃, padarot to par savienojumu ar visaugstāko zināmo kausēšanas punktu. Hafnium var izmantot kā ieguvēju daudzās inflācijas sistēmās. Hafnium getters var noņemt sistēmā esošās nevajadzīgās gāzes, piemēram, skābekli un slāpekli. Hafnium bieži izmanto kā piedevu hidrauliskajā eļļā, lai novērstu hidrauliskās eļļas iztvaikošanu augsta riska darbību laikā, un tam ir spēcīgas pretlatilitātes īpašības. Tāpēc to parasti izmanto rūpnieciskajā hidrauliskajā eļļā. Medicīniskā hidrauliskā eļļa.
Hafnium elements tiek izmantots arī jaunākajos Intel 45 nanoprocesoros. Sakarā ar silīcija dioksīda (SiO2) ražojamību un tā spēju samazināt biezumu, lai nepārtraukti uzlabotu tranzistora veiktspēju, procesoru ražotāji izmanto silīcija dioksīdu kā vārtu dielektrikas materiālu. Kad Intel ieviesa 65 nanometru ražošanas procesu, kaut arī tas bija pielicis visu iespējamo, lai samazinātu silīcija dioksīda vārtu dielektrikas biezumu līdz 1,2 nanometriem, kas ir ekvivalents 5 atomu slāņiem, enerģijas patēriņa un siltuma izkliedes grūtības palielinās arī, kad tranzistors tika samazināts līdz atoma lielumam, kā rezultātā pašreizējie atkritumi ir pašreizējie atkritumi un neracība. Tāpēc, ja turpina izmantot strāvas materiālus un vēl vairāk samazināt biezumu, vārtu dielektriskā noplūdes noplūdes ievērojami palielināsies, samazinot tranzistora tehnoloģiju tās robežās. Lai risinātu šo kritisko problēmu, Intel plāno izmantot biezākus augstus K materiālus (uz hafnium balstītiem materiāliem) kā vārtu dielektriķi, nevis silīcija dioksīdu, kas ir veiksmīgi samazinājis noplūdi vairāk nekā 10 reizes. Salīdzinot ar iepriekšējās paaudzes 65 nm tehnoloģiju, Intel 45nm process palielina tranzistora blīvumu gandrīz divas reizes, ļaujot palielināt kopējo tranzistoru skaitu vai samazināt procesora tilpumu. Turklāt tranzistora pārslēgšanai nepieciešamā jauda ir mazāka, samazinot enerģijas patēriņu par gandrīz 30%. Iekšējie savienojumi ir izgatavoti no vara stieples, kas savienoti pārī ar zemu k dielektrisko, vienmērīgi uzlabojošo efektivitāti un samazinot enerģijas patēriņu, un pārslēgšanās ātrums ir aptuveni par 20% ātrāks
Minerālu sadalījums:
Hafnijam ir lielāks garozas pārpilnība nekā parasti izmantotajiem metāliem, piemēram, bismuta, kadmija un dzīvsudraba, un tas ir līdzvērtīgs saturam berilijam, germānijai un urānam. Visi minerāli, kas satur cirkoniju, satur hafnium. Cirkons, ko izmanto rūpniecībā, satur 0,5-2% hafnium. Berilija cirkons (alvīts) sekundārajā cirkonija rūdā var saturēt līdz 15% hafnium. Ir arī metamorfu cirkons, cyrtolite, kas satur vairāk nekā 5% HFO. Pēdējo divu minerālu rezerves ir mazas un vēl nav pieņemtas rūpniecībā. Hafnium galvenokārt atgūst cirkonija ražošanas laikā.
Tas pastāv lielākajā daļā cirkonija rūdu. [18] [19], jo garozā ir ļoti maz satura. Tas bieži vien pastāv ar cirkoniju, un tam nav atsevišķas rūdas.
Sagatavošanas metode:
1. To var pagatavot, samazinot magnija hafnija tetrahlorīda vai hafnija jodīda termisko sadalīšanos. HFCL4 un K2HFF6 var izmantot arī kā izejvielas. Elektrolītiskās ražošanas process NaCl KCL HFCL4 vai K2HFF6 kausējumā ir līdzīgs cirkonija elektrolītiskajai ražošanai.
2. Hafnium pastāv līdzās cirkonijam, un hafnium nav atsevišķas izejvielas. Hafnium ražošanas izejviela ir neapstrādāta hafnija oksīds, kas atdalīts cirkonija ražošanas procesā. Ekstrakta hafnija oksīds, izmantojot jonu apmaiņas sveķus, un pēc tam izmantojiet to pašu metodi kā cirkonijs, lai sagatavotu metāla hafnium no šī hafnium oksīda.
3. To var pagatavot, sildot hafnium tetrahlorīdu (HFCL4) ar nātriju, samazinot.
Agrākās metodes cirkonija un hafnija atdalīšanai bija fluorētu kompleksu sāļu frakcionēta kristalizācija un fosfātu frakcionēts nokrišņi. Šīs metodes ir apgrūtinošas darboties un ir ierobežotas ar laboratorijas izmantošanu. Jaunas tehnoloģijas cirkonija un hafnija atdalīšanai, piemēram, frakcionēšanas destilācija, šķīdinātāja ekstrakcija, jonu apmaiņa un frakcionēšanas adsorbcija, ir parādījušās viens pēc otra, un šķīdinātāja ekstrakcija ir praktiskāka. Divas parasti izmantotās atdalīšanas sistēmas ir tiocianāta cikloheksanona sistēma un tributilfosfāta slāpekļskābes sistēma. Produkti, kas iegūti ar iepriekšminētajām metodēm, ir visi hafnija hidroksīds, un tīru hafnija oksīdu var iegūt ar kalcinēšanu. Augstas tīrības hafnium var iegūt, izmantojot jonu apmaiņas metodi.
Rūpniecībā metāla hafnija ražošana bieži ietver gan Kroll procesu, gan Debor Aker procesu. Krolla process ietver hafnija tetrahlorīda samazināšanu, izmantojot metālisku magniju:
2 mg+hfcl4- → 2mgcl2+hf
Debor Aker metode, kas pazīstama arī kā jodošanas metode, tiek izmantota, lai attīrītu sūkli, piemēram, hafnium un iegūtu kaļamu metālu hafniumu.
5. Hafnium kausēšana būtībā ir tāda pati kā cirkonija:
Pirmais solis ir rūdas sadalīšanās, kas ietver trīs metodes: cirkona hlorēšanu, lai iegūtu (ZR, HF) CL. Cirkona sārmu kušana. Cirkons kūst ar NaOH aptuveni 600 un vairāk nekā 90% (Zr, HF) O pārveidojas par Na (Zr, HF) O, SIO pārveidots par NASIO, kas izšķīdina ūdenī. Na (Zr, HF) O var izmantot kā sākotnējo risinājumu cirkonija un hafnium atdalīšanai pēc izšķīdināšanas HNO. Tomēr SiO koloīdu klātbūtne apgrūtina šķīdinātāju ekstrakcijas atdalīšanu. Sērtēšana ar KSIF un iemērciet ūdenī, lai iegūtu K (Zr, HF) F šķīdumu. Šķīdums var atdalīt cirkoniju un hafniumu, izmantojot frakcionētu kristalizāciju;
Otrais solis ir cirkonija un hafnija atdalīšana, ko var panākt, izmantojot šķīdinātāja ekstrakcijas atdalīšanas metodes, izmantojot sālsskābes MIBK (metil izobutilketona) sistēmu un HNO-TBP (tributilfosfāta) sistēmu. Daudzpakāpju frakcionēšanas tehnoloģija, izmantojot tvaika spiediena starpību starp HFCL un ZRCL kūst zem augsta spiediena (virs 20 atmosfēras), jau sen ir pētīta, kas var ietaupīt sekundāro hlorēšanas procesu un samazināt izmaksas. Tomēr (ZR, HF) CL un HCL korozijas problēmas dēļ nav viegli atrast piemērotus frakcionēšanas kolonnu materiālus, un tas arī samazinās ZRCL un HFCL kvalitāti, palielinot attīrīšanas izmaksas. 70. gados tas joprojām atradās vidējā augu pārbaudes posmā;
Trešais solis ir HFO sekundārā hlorēšana, lai iegūtu neapstrādātu HFCL samazināšanai;
Ceturtais solis ir HFCL un magnija samazināšanas attīrīšana. Šis process ir tāds pats kā ZRCL attīrīšana un samazināšana, un iegūtais pusfabrikāts ir rupjš sūklis hafnium;
Piektais solis ir vakuuma destilēšanas jēlnaftas sūklis hafnium, lai noņemtu MGCL un atgūtu lieko metāla magniju, kā rezultātā tiek izveidots galaprodukts no sūkļa metāla hafnium. Ja reducētājs magnija vietā izmanto nātriju, piektais solis jāmaina uz ūdens iegremdēšanu
Uzglabāšanas metode:
Uzglabāt vēsā un ventilējamā noliktavā. Turiet prom no dzirkstelēm un siltuma avotiem. Tas jāuzglabā atsevišķi no oksidētājiem, skābēm, halogēniem utt., Un jāizvairās sajaukt uzglabāšanu. Izmantojot sprādzienbīstamus apgaismojuma un ventilācijas iespējas. Aizliedziet izmantot mehānisko aprīkojumu un instrumentus, kas ir pakļauti dzirkstelēm. Uzglabāšanas zonai jābūt aprīkotai ar piemērotiem materiāliem, lai saturētu noplūdes.
Pasta laiks: 25-23. SEP