Хафниум, метал Hf, атомски број 72, атомска тежина 178,49, е сјаен сребрено сив преоден метал.
Хафниумот има шест природно стабилни изотопи: хафниум 174, 176, 177, 178, 179 и 180. Хафниумот не реагира со разредена хлороводородна киселина, разредена сулфурна киселина и силни алкални раствори, но е растворлив во флуороводородна киселина и аква. Името на елементот доаѓа од латинското име на градот Копенхаген.
Во 1925 година, шведскиот хемичар Херви и холандскиот физичар Костер добиле чиста хафниумова сол со фракционална кристализација на флуорирани комплексни соли и ја редуцирале со метален натриум за да се добие чист метален хафниум. Хафниумот содржи 0,00045% од земјината кора и често е поврзан со циркониум во природата.
Име на производ: хафниум
Симбол на елементот: Hf
Атомска тежина: 178,49
Тип на елемент: метален елемент
Физички својства:
Хафниуме сребрен сив метал со метален сјај; Постојат две варијанти на метален хафниум: α хафниум е хексагонална тесно спакувана варијанта (1750 ℃) со повисока температура на трансформација од циркониумот. Металниот хафниум има алотропни варијанти на високи температури. Металниот хафниум има висок пресек на апсорпција на неутрони и може да се користи како контролен материјал за реакторите.
Постојат два типа на кристални структури: хексагонално густо пакување на температури под 1300 ℃ (α- Равенка); На температури над 1300 ℃, тоа е кубно во центарот на телото (β-равенка). Метал со пластичност кој се стврднува и станува кршлив во присуство на нечистотии. Стабилен во воздухот, потемнува само на површината кога ќе изгори. Филаментите може да се запалат од пламенот на кибрит. Својства слични на циркониум. Не реагира со вода, разредени киселини или силни бази, но е лесно растворлив во аква регија и флуороводородна киселина. Главно во соединенија со +4 валентност. Легурата на хафниум (Ta4HfC5) е познато дека има највисока точка на топење (приближно 4215 ℃).
Кристалната структура: Кристалната клетка е хексагонална
CAS број: 7440-58-6
Точка на топење: 2227 ℃
Точка на вриење: 4602 ℃
Хемиски својства:
Хемиските својства на хафниумот се многу слични на оние на циркониумот и има добра отпорност на корозија и не се кородира лесно од општите киселински алкални водени раствори; Лесно растворлив во флуороводородна киселина за да формира флуорирани комплекси. На високи температури, хафниумот може директно да се комбинира со гасови како што се кислородот и азот за да формира оксиди и нитриди.
Хафниумот често има +4 валентност во соединенијата. Главното соединение ехафниум оксидHfO2. Постојат три различни варијанти на хафниум оксид:хафниум оксиддобиен со континуирано калцинирање на хафниум сулфат и хлорид оксид е моноклиничка варијанта; Хафниум оксидот добиен со загревање на хидроксидот на хафниум на околу 400 ℃ е тетрагонална варијанта; Ако се калцинира над 1000 ℃, може да се добие кубна варијанта. Друго соединение ехафниум тетрахлорид, која е суровина за подготовка на метален хафниум и може да се подготви со реакција на гас на хлор на мешавина од хафниум оксид и јаглерод. Хафниум тетрахлорид доаѓа во контакт со вода и веднаш се хидролизира во високо стабилен HfO (4H2O) 2+ јони. HfO2+јоните постојат во многу соединенија на хафниум и можат да кристализираат игла во облик на хидриран хафниум оксихлорид HfOCl2 · 8H2O кристали во раствор на хафниум тетрахлорид закиселена со хлороводородна киселина.
4-валентен хафниум е исто така склон да формира комплекси со флуорид, кои се состојат од K2HfF6, K3HfF7, (NH4) 2HfF6 и (NH4) 3HfF7. Овие комплекси се користени за одвојување на циркониум и хафниум.
Вообичаени соединенија:
Хафниум диоксид: име Хафниум диоксид; Хафниум диоксид; Молекуларна формула: HfO2 [4]; Сопственост: Бел прав со три кристални структури: моноклинична, тетрагонална и кубна. Густините се 10,3, 10,1 и 10,43 g/cm3, соодветно. Точка на топење 2780-2920K. Точка на вриење 5400K. Коефициент на термичка експанзија 5,8 × 10-6/℃. Нерастворлив во вода, хлороводородна киселина и азотна киселина, но растворлив во концентрирана сулфурна киселина и флуороводородна киселина. Се произведува со термичко распаѓање или хидролиза на соединенија како што се хафниум сулфат и хафниум оксихлорид. Суровини за производство на метал хафниум и легури на хафниум. Се користи како огноотпорни материјали, антирадиоактивни премази и катализатори. [5] Нивото на атомска енергија HfO е производ што се добива истовремено при производство на ниво на атомска енергија ZrO. Почнувајќи од секундарното хлорирање, процесите на прочистување, редукција и вакуумска дестилација се речиси идентични со оние на циркониумот.
Хафниум тетрахлорид: Хафниум (IV) хлорид, хафниум тетрахлорид Молекуларна формула HfCl4 Молекулска тежина 320,30 Карактер: Бел кристален блок. Чувствителен на влага. Растворлив во ацетон и метанол. Се хидролизира во вода за да се добие хафниум оксихлорид (HfOCl2). Загрејте до 250 ℃ и испарете. Иритирачки за очите, респираторниот систем и кожата.
Хафниум хидроксид: Хафниум хидроксид (H4HfO4), обично присутен како хидриран оксид HfO2 · nH2O, е нерастворлив во вода, лесно растворлив во неоргански киселини, нерастворлив во амонијак и ретко растворлив во натриум хидроксид. Загрејте до 100 ℃ за да создадете хафниум хидроксид HfO (OH) 2. Белиот талог од хафниум хидроксид може да се добие со реакција на хафниум (IV) сол со амонијак вода. Може да се користи за производство на други соединенија на хафниум.
Истражувачка историја
Историја на откривање:
Во 1923 година, шведскиот хемичар Херви и холандскиот физичар Д. Во 1925 година, Херви и Костер го одвоиле циркониумот и титаниумот користејќи го методот на фракционална кристализација на флуорирани комплексни соли за да се добијат чисти соли на хафниум; И намалете ја хафниумската сол со метален натриум за да добиете чист метален хафниум. Херви подготви примерок од неколку милиграми чист хафниум.
Хемиски експерименти на циркониум и хафниум:
Во експеримент спроведен од професорот Карл Колинс на Универзитетот во Тексас во 1998 година, се тврдеше дека гама-озрачениот хафниум 178m2 (изомерот хафниум-178m2 [7]) може да ослободи огромна енергија, што е пет реда по големина поголема од хемиските реакции, три реда пониска од нуклеарните реакции. [8] Hf178m2 (хафниум 178m2) има најдолг животен век меѓу сличните долговечни изотопи: Hf178m2 (хафниум 178m2) има полуживот од 31 година, што резултира со природна радиоактивност од приближно 1,6 трилиони бекерели. Во извештајот на Колинс се наведува дека еден грам чист Hf178m2 (хафниум 178m2) содржи приближно 1330 мегаџули, што е еквивалентно на енергијата ослободена од експлозијата на 300 килограми ТНТ експлозив. Извештајот на Колинс покажува дека целата енергија во оваа реакција се ослободува во форма на Х-зраци или гама зраци, кои ослободуваат енергија со исклучително брза брзина, а Hf178m2 (хафниум 178m2) сè уште може да реагира при екстремно ниски концентрации. [9] Пентагон одвои средства за истражување. Во експериментот, односот сигнал-шум беше многу низок (со значителни грешки), и оттогаш, и покрај повеќекратните експерименти на научници од повеќе организации, вклучително и Агенцијата за истражување на напредни проекти на Министерството за одбрана на САД (DARPA) и JASON Defense Advisory Група [13], ниту еден научник не успеал да ја постигне оваа реакција под условите што ги тврди Колинс, а Колинс не обезбедил силни докази за да го докаже постоењето на оваа реакција, Колинс предложил метод за користење на индуцирана емисија на гама зраци за ослободување енергија од Hf178m2 (хафниум 178m2) [15], но други научници теоретски докажаа дека оваа реакција не може да се постигне. [16] Hf178m2 (хафниум 178m2) е нашироко верувано во академската заедница дека не е извор на енергија
Поле за апликација:
Хафниумот е многу корисен поради неговата способност да емитува електрони, како што се користи како влакно во лампи со вжарено влакно. Се користи како катода за рендгенски цевки, а легурите на хафниум и волфрам или молибден се користат како електроди за високонапонски цевки за празнење. Најчесто се користи во индустријата за производство на катодна и волфрамска жица за рендгенски зраци. Чистиот хафниум е важен материјал во индустријата за атомска енергија поради неговата пластичност, лесна обработка, отпорност на високи температури и отпорност на корозија. Хафниумот има голем термички пресек за зафаќање на неутрони и е идеален апсорбер на неутрони, кој може да се користи како контролна шипка и заштитен уред за атомски реактори. Прашокот од хафниум може да се користи како погонско гориво за ракети. Катодата на рендгенските цевки може да се произведува во електроиндустријата. Легурата на хафниум може да послужи како напред заштитен слој за ракетни млазници и авиони за повторно влегување со лизгање, додека легурата Hf Ta може да се користи за производство на челик за алат и материјали за отпорност. Хафниумот се користи како адитивен елемент во легури отпорни на топлина, како што се волфрам, молибден и тантал. HfC може да се користи како додаток за тврди легури поради неговата висока цврстина и точка на топење. Точката на топење на 4TaCHfC е приближно 4215 ℃, што го прави соединение со највисока позната точка на топење. Хафниумот може да се користи како средство за собирање во многу системи за инфлација. Добивачите на хафниум можат да ги отстранат непотребните гасови како што се кислородот и азот присутни во системот. Хафниумот често се користи како додаток во хидрауличкото масло за да се спречи испарувањето на хидрауличкото масло за време на високоризични операции и има силни својства против испарливост. Затоа, генерално се користи во индустриското хидраулично масло. Медицинско хидраулично масло.
Елементот хафниум се користи и во најновите нанопроцесори Intel 45. Поради способноста за производство на силициум диоксид (SiO2) и неговата способност да ја намали дебелината за постојано да ги подобрува перформансите на транзисторот, производителите на процесори користат силициум диоксид како материјал за диелектрика на портата. Кога Интел го воведе процесот на производство од 65 нанометри, иако вложи максимални напори да ја намали дебелината на диелектрикот на портата од силициум диоксид на 1,2 нанометри, што е еквивалентно на 5 слоеви атоми, тешкотијата на потрошувачката на енергија и дисипацијата на топлина исто така ќе се зголемат кога транзисторот беше намалена до големина на атом, што резултираше со тековен отпад и непотребна топлинска енергија. Затоа, ако продолжи да се користат тековните материјали и дебелината дополнително се намали, истекувањето на диелектрикот на портата значително ќе се зголеми, со што технологијата на транзистор ќе се сведе до нејзините граници. За да го реши ова критично прашање, Интел планира да користи подебели материјали со висока содржина на К (материјали базирани на хафниум) како диелектрик на портата наместо силициум диоксид, кој успешно го намали истекувањето за повеќе од 10 пати. Во споредба со претходната генерација на технологија од 65 nm, процесот на Интел од 45 nm ја зголемува густината на транзисторот за речиси двапати, овозможувајќи зголемување на вкупниот број на транзистори или намалување на волуменот на процесорот. Дополнително, потребната моќност за префрлување на транзистор е помала, намалувајќи ја потрошувачката на енергија за речиси 30%. Внатрешните врски се направени од бакарна жица поврзана со диелектрик со низок k, непречено ја подобрува ефикасноста и ја намалува потрошувачката на енергија, а брзината на префрлување е околу 20% поголема
Дистрибуција на минерали:
Хафниумот има поголемо изобилство на кора од вообичаено користените метали како бизмут, кадмиум и жива и е еквивалентно на содржината на берилиум, германиум и ураниум. Сите минерали кои содржат циркониум содржат хафниум. Цирконот кој се користи во индустријата содржи 0,5-2% хафниум. Берилиум цирконот (Alvite) во секундарната циркониумска руда може да содржи до 15% хафниум. Постои и еден вид метаморфен циркон, циртолит, кој содржи над 5% HfO. Резервите на последните два минерали се мали и сè уште не се усвоени во индустријата. Хафниумот главно се обновува за време на производството на циркониум.
Постои во повеќето руди на циркониум. [18] [19] Бидејќи има многу малку содржина во кората. Често коегзистира со циркониум и нема посебна руда.
Начин на подготовка:
1. Може да се подготви со редукција на магнезиум на хафниум тетрахлорид или термичко разложување на хафниум јодид. Како суровини може да се користат и HfCl4 и K2HfF6. Процесот на електролитичко производство во топењето на NaCl KCl HfCl4 или K2HfF6 е сличен на оној на електролитичкото производство на циркониум.
2. Хафниумот коегзистира со циркониумот, а за хафниумот нема посебна суровина. Суровината за производство на хафниум е суровиот хафниум оксид одвоен за време на процесот на производство на циркониум. Извадете го хафниум оксидот користејќи смола за размена на јони, а потоа користете го истиот метод како циркониум за да подготвите метален хафниум од овој хафниум оксид.
3. Може да се подготви со загревање на хафниум тетрахлорид (HfCl4) со натриум преку редукција.
Најраните методи за одвојување на циркониум и хафниум беа фракционо кристализација на флуорирани комплексни соли и фракционо таложење на фосфати. Овие методи се незгодни за работа и се ограничени на лабораториска употреба. Новите технологии за одвојување на циркониум и хафниум, како што се фракционирање дестилација, екстракција со растворувач, јонска размена и фракционо адсорпција, се појавија една по друга, при што екстракцијата со растворувач е попрактична. Двата најчесто користени системи за сепарација се системот на тиоцијанат циклохексанон и системот на трибутил фосфат азотна киселина. Производите добиени со горенаведените методи се сите хафниум хидроксид, а чистиот хафниум оксид може да се добие со калцинирање. Хафниум со висока чистота може да се добие со метод на јонска размена.
Во индустријата, производството на метален хафниум често ги вклучува и процесот Крол и процесот Дебор Акер. Процесот на Крол вклучува намалување на хафниум тетрахлорид со помош на метален магнезиум:
2Mg+HfCl4- → 2MgCl2+Hf
Методот Дебор Акер, познат и како метод на јодизација, се користи за прочистување на сунѓер како хафниум и добивање на податлив метален хафниум.
5. Топењето на хафниумот во основа е исто како и на циркониумот:
Првиот чекор е разградување на рудата, што вклучува три методи: хлорирање на циркон за да се добие (Zr, Hf) Cl. Алкално топење на циркон. Цирконот се топи со NaOH на околу 600, а над 90% од (Zr, Hf) O се трансформира во Na (Zr, Hf) O, при што SiO се трансформира во NaSiO, кој се раствора во вода за отстранување. Na (Zr, Hf) O може да се користи како оригинален раствор за одвојување на циркониум и хафниум откако ќе се раствори во HNO. Сепак, присуството на SiO колоиди го отежнува одвојувањето со екстракција на растворувач. Зглодајте со KSiF и натопете во вода за да се добие раствор на K (Zr, Hf) F. Растворот може да ги одвои циркониумот и хафниумот преку фракционата кристализација;
Вториот чекор е раздвојување на циркониум и хафниум, што може да се постигне со користење на методи на сепарација со екстракција со растворувач со користење на систем на хлороводородна киселина MIBK (метил изобутил кетон) и систем HNO-TBP (трибутил фосфат). Технологијата на повеќестепена фракционирање со помош на разликата во притисокот на пареата помеѓу HfCl и ZrCl се топи под висок притисок (над 20 атмосфери) долго време е проучувана, што може да го спаси процесот на секундарно хлорирање и да ги намали трошоците. Меѓутоа, поради проблемот со корозија на (Zr, Hf) Cl и HCl, не е лесно да се најдат соодветни материјали за колони за фракционирање, а исто така ќе го намали квалитетот на ZrCl и HfCl, зголемувајќи ги трошоците за прочистување. Во 1970-тите, сè уште беше во фаза на средно тестирање на фабриката;
Третиот чекор е секундарното хлорирање на HfO за да се добие суров HfCl за редукција;
Четвртиот чекор е прочистување на HfCl и намалување на магнезиумот. Овој процес е ист како и прочистувањето и редукцијата на ZrCl, а добиениот полупроизвод е груб сунѓер хафниум;
Петтиот чекор е да се дестилира суровиот сунѓер хафниум со правосмукалка за да се отстрани MgCl и да се врати вишокот метален магнезиум, што резултира со готов производ од сунѓерест метален хафниум. Ако средството за намалување користи натриум наместо магнезиум, петтиот чекор треба да се промени во потопување во вода
Начин на складирање:
Да се чува во ладно и проветрено складиште. Да се чува подалеку од искри и извори на топлина. Треба да се чува одвоено од оксиданти, киселини, халогени итн., и избегнувајте мешање складирање. Користење на објекти за осветлување и вентилација отпорни на експлозија. Забранете ја употребата на механичка опрема и алати кои се подложни на искри. Местото за складирање треба да биде опремено со соодветни материјали за спречување на протекување.
Време на објавување: 25-септември 2023 година