Hafnium, logam HF, nombor atom 72, berat atom 178.49, adalah logam peralihan kelabu perak berkilat.
Hafnium mempunyai enam isotop yang stabil secara semulajadi: Hafnium 174, 176, 177, 178, 179, dan 180. Hafnium tidak bertindak balas dengan asid hidroklorik cair, cair asid sulfurik, dan larutan alkali yang kuat, tetapi larut dalam asid hidrofluorik dan aqua regia. Nama elemen berasal dari nama Latin Copenhagen City.
Pada tahun 1925, ahli kimia Sweden Hervey dan ahli fizik Belanda Koster memperoleh garam hafnium tulen oleh penghabluran pecahan garam kompleks fluorinated, dan mengurangkannya dengan natrium logam untuk mendapatkan hafnium logam tulen. Hafnium mengandungi 0.00045% kerak bumi dan sering dikaitkan dengan zirkonium.
Nama Produk: Hafnium
Simbol Elemen: HF
Berat atom: 178.49
Jenis Unsur: Elemen Metalik
Sifat fizikal:
Hafniumadalah logam kelabu perak dengan kilauan logam; Terdapat dua variasi hafnium logam: α hafnium adalah varian yang berkemas heksagon (1750 ℃) dengan suhu transformasi yang lebih tinggi daripada zirkonium. Hafnium logam mempunyai varian allotrope pada suhu tinggi. Hafnium logam mempunyai keratan rentas penyerapan neutron yang tinggi dan boleh digunakan sebagai bahan kawalan untuk reaktor.
Terdapat dua jenis struktur kristal: pembungkusan padat heksagon pada suhu di bawah 1300 ℃ (persamaan α); Pada suhu di atas 1300 ℃, ia adalah padu berpusat badan (persamaan β). Logam dengan keplastikan yang mengeras dan menjadi rapuh dengan kehadiran kekotoran. Stabil di udara, hanya gelap di permukaan apabila dibakar. Filamen boleh dinyalakan oleh api perlawanan. Sifat yang serupa dengan zirkonium. Ia tidak bertindak balas dengan air, asid cair, atau asas yang kuat, tetapi mudah larut dalam aqua regia dan asid hidrofluorik. Terutamanya dalam sebatian dengan valensi+4. Aloi Hafnium (TA4HFC5) diketahui mempunyai titik lebur tertinggi (kira -kira 4215 ℃).
Struktur Kristal: Sel kristal adalah heksagon
Nombor CAS: 7440-58-6
Titik lebur: 2227 ℃
Titik mendidih: 4602 ℃
Sifat Kimia:
Ciri -ciri kimia hafnium sangat mirip dengan zirkonium, dan ia mempunyai rintangan kakisan yang baik dan tidak mudah dikurung oleh larutan asid alkali asid umum; Mudah larut dalam asid hidrofluorik untuk membentuk kompleks fluorinated. Pada suhu tinggi, hafnium juga boleh digabungkan secara langsung dengan gas seperti oksigen dan nitrogen untuk membentuk oksida dan nitrida.
Hafnium sering mempunyai valensi+4 dalam sebatian. Sebatian utama adalahHafnium oksidaHFO2. Terdapat tiga variasi hafnium oksida yang berbeza:Hafnium oksidadiperolehi oleh pengaliran berterusan hafnium sulfat dan klorida oksida adalah varian monoklinik; Hafnium oksida yang diperolehi dengan memanaskan hidroksida hafnium pada sekitar 400 ℃ adalah varian tetragonal; Jika dikalsinasi di atas 1000 ℃, varian padu boleh diperolehi. Satu lagi kompaun adalahHafnium tetrachloride, yang merupakan bahan mentah untuk menyediakan hafnium logam dan boleh disediakan dengan bertindak balas dengan gas klorin pada campuran hafnium oksida dan karbon. Hafnium tetrachloride bersentuhan dengan air dan segera menghidrolisis ke dalam HFO (4H2O) 2+ion yang sangat stabil. HFO2+ion wujud dalam banyak sebatian hafnium, dan boleh mengkristalisasi jarum yang dihidrat dengan hafnium oxychloride HFOCL2 · 8H2O kristal dalam larutan asid hidroklorik asid hafnium tetrachloride.
Hafnium 4-valent juga terdedah untuk membentuk kompleks dengan fluorida, yang terdiri daripada K2HFF6, K3HFF7, (NH4) 2HFF6, dan (NH4) 3HFF7. Kompleks ini telah digunakan untuk pemisahan zirkonium dan hafnium.
Sebatian biasa:
Hafnium dioksida: Nama Hafnium dioksida; Hafnium dioksida; Formula molekul: HFO2 [4]; Harta: Serbuk putih dengan tiga struktur kristal: monoklinik, tetragonal, dan kubik. Ketumpatan masing -masing adalah 10.3, 10.1, dan 10.43g/cm3. POINT MELAKUKAN 2780-2920K. Titik mendidih 5400K. Koefisien pengembangan haba 5.8 × 10-6/℃. Tidak larut dalam air, asid hidroklorik, dan asid nitrik, tetapi larut dalam asid sulfurik pekat dan asid hidrofluorik. Dihasilkan oleh penguraian terma atau hidrolisis sebatian seperti hafnium sulfat dan hafnium oxychloride. Bahan mentah untuk pengeluaran aloi hafnium dan hafnium logam. Digunakan sebagai bahan refraktori, salutan anti radioaktif, dan pemangkin. [5] Tahap Tenaga Atom HFO adalah produk yang diperoleh secara serentak apabila pembuatan zro tahap tenaga atom. Bermula dari klorinasi sekunder, proses penyucian, pengurangan, dan penyulingan vakum hampir sama dengan zirkonium.
Hafnium tetrachloride: Hafnium (IV) klorida, Hafnium tetrachloride formula molekul HFCL4 Berat molekul 320.30 Karakter: Blok kristal putih. Sensitif terhadap kelembapan. Larut dalam aseton dan metanol. Hydrolyze di dalam air untuk menghasilkan hafnium oxychloride (HFOCL2). Panaskan hingga 250 ℃ dan menguap. Menjengkelkan mata, sistem pernafasan, dan kulit.
Hafnium hidroksida: Hafnium hidroksida (H4HFO4), biasanya hadir sebagai oksida terhidrat HFO2 · NH2O, tidak larut dalam air, mudah larut dalam asid bukan organik, tidak larut dalam ammonia, dan jarang larut dalam sodium hydroxide. Haba hingga 100 ℃ untuk menjana hafnium hidroksida HFO (OH) 2. Hafnium hidroksida putih boleh diperolehi dengan bertindak balas hafnium (iv) garam dengan air ammonia. Ia boleh digunakan untuk menghasilkan sebatian hafnium yang lain.
Sejarah Penyelidikan
Sejarah Penemuan:
Pada tahun 1923, ahli kimia Sweden Hervey dan ahli fizik Belanda D. Koster menemui hafnium di zirkon yang dihasilkan di Norway dan Greenland, dan menamakannya Hafnium, yang berasal dari nama Latin Hafnia dari Copenhagen. Pada tahun 1925, Hervey dan Coster memisahkan zirkonium dan titanium menggunakan kaedah penghabluran pecahan garam kompleks fluorin untuk mendapatkan garam hafnium tulen; Dan mengurangkan garam hafnium dengan natrium logam untuk mendapatkan hafnium logam tulen. Hervey menyediakan sampel beberapa miligram hafnium tulen.
Eksperimen kimia pada zirkonium dan hafnium:
Dalam eksperimen yang dijalankan oleh Profesor Carl Collins di University of Texas pada tahun 1998, ia mendakwa bahawa gamma disinari Hafnium 178m2 (isomer Hafnium-178m2 [7]) dapat melepaskan tenaga yang besar, iaitu lima perintah magnitud yang lebih tinggi daripada reaksi kimia tetapi tiga perintah magnited yang lebih rendah daripada reaksi nuklear. [8] HF178M2 (Hafnium 178m2) mempunyai jangka hayat terpanjang di kalangan isotop lama yang sama: HF178m2 (Hafnium 178m2) mempunyai separuh hayat 31 tahun, mengakibatkan radioaktiviti semulajadi kira-kira 1.6 trilion becquerels. Laporan Collins menyatakan bahawa satu gram HF178m2 tulen (Hafnium 178m2) mengandungi kira -kira 1330 megajoules, yang bersamaan dengan tenaga yang dikeluarkan oleh letupan 300 kilogram bahan peledak TNT. Laporan Collins menunjukkan bahawa semua tenaga dalam tindak balas ini dikeluarkan dalam bentuk sinar-X atau sinar gamma, yang melepaskan tenaga pada kadar yang sangat cepat, dan HF178m2 (Hafnium 178m2) masih boleh bertindak balas pada kepekatan yang sangat rendah. [9] Pentagon telah memperuntukkan dana untuk penyelidikan. Dalam eksperimen, nisbah isyarat-ke-bunyi sangat rendah (dengan kesilapan yang signifikan), dan sejak itu, walaupun terdapat beberapa eksperimen oleh saintis dari pelbagai organisasi termasuk Jabatan Pertahanan Pertahanan Agensi Penyelidikan Projek Lanjutan (DARPA) dan Kumpulan Penasihat Pertahanan Jason [13] Pelepasan sinar gamma untuk melepaskan tenaga dari HF178M2 (Hafnium 178m2) [15], tetapi saintis lain telah membuktikan secara teoritis bahawa tindak balas ini tidak dapat dicapai. [16] HF178M2 (Hafnium 178m2) secara meluas dipercayai dalam komuniti akademik bukan menjadi sumber tenaga
Medan permohonan:
Hafnium sangat berguna kerana keupayaannya memancarkan elektron, seperti seperti yang digunakan sebagai filamen dalam lampu pijar. Digunakan sebagai katod untuk tiub sinar-X, dan aloi hafnium dan tungsten atau molibdenum digunakan sebagai elektrod untuk tiub pelepasan voltan tinggi. Biasa digunakan dalam industri pembuatan kawat katod dan tungsten untuk x-ray. Hafnium tulen adalah bahan penting dalam industri tenaga atom kerana keplastikan, pemprosesan mudah, rintangan suhu tinggi, dan rintangan kakisan. Hafnium mempunyai neutron haba yang besar menangkap keratan rentas dan merupakan penyerap neutron yang ideal, yang boleh digunakan sebagai rod kawalan dan peranti pelindung untuk reaktor atom. Serbuk Hafnium boleh digunakan sebagai propelan untuk roket. Katod tiub sinar-X boleh dihasilkan dalam industri elektrik. Aloi Hafnium boleh berfungsi sebagai lapisan pelindung ke hadapan untuk muncung roket dan meluncur pesawat masuk semula, manakala aloi HF TA boleh digunakan untuk mengeluarkan bahan keluli dan rintangan alat. Hafnium digunakan sebagai elemen tambahan dalam aloi tahan panas, seperti tungsten, molibdenum, dan tantalum. HFC boleh digunakan sebagai bahan tambahan untuk aloi keras kerana kekerasan dan titik lebur yang tinggi. Titik lebur 4TachFC adalah kira -kira 4215 ℃, menjadikannya kompaun dengan titik lebur yang tertinggi. Hafnium boleh digunakan sebagai getter dalam banyak sistem inflasi. Hafnium getters boleh mengeluarkan gas yang tidak perlu seperti oksigen dan nitrogen yang ada dalam sistem. Hafnium sering digunakan sebagai bahan tambahan dalam minyak hidraulik untuk mengelakkan volatilisasi minyak hidraulik semasa operasi berisiko tinggi, dan mempunyai sifat anti volatiliti yang kuat. Oleh itu, ia biasanya digunakan dalam minyak hidraulik industri. Minyak hidraulik perubatan.
Elemen Hafnium juga digunakan dalam nanoprocessors Intel 45 terkini. Oleh kerana pembuatan silikon dioksida (SiO2) dan keupayaannya untuk mengurangkan ketebalan untuk terus meningkatkan prestasi transistor, pengeluar pemproses menggunakan silikon dioksida sebagai bahan untuk dielektrik pintu. Apabila Intel memperkenalkan proses pembuatan 65 nanometer, walaupun ia telah membuat segala usaha untuk mengurangkan ketebalan dielektrik pintu silikon dioksida kepada 1.2 nanometer, bersamaan dengan 5 lapisan atom, kesukaran penggunaan kuasa dan pemanasan haba juga akan meningkat apabila transistor dikurangkan kepada saiz Atom. Oleh itu, jika bahan semasa terus digunakan dan ketebalan dikurangkan lagi, kebocoran dielektrik pintu akan meningkat dengan ketara, menurunkan teknologi transistor ke hadnya. Untuk menangani isu kritikal ini, Intel merancang untuk menggunakan bahan K yang lebih tebal (bahan berasaskan Hafnium) sebagai dielektrik pintu bukan silikon dioksida, yang telah berjaya mengurangkan kebocoran lebih daripada 10 kali. Berbanding dengan generasi sebelumnya teknologi 65nm, proses 45nm Intel meningkatkan ketumpatan transistor hampir dua kali, membolehkan peningkatan jumlah transistor atau pengurangan jumlah pemproses. Di samping itu, kuasa yang diperlukan untuk penukaran transistor lebih rendah, mengurangkan penggunaan kuasa sebanyak hampir 30%. Sambungan dalaman diperbuat daripada dawai tembaga yang dipasangkan dengan kielektrik K yang rendah, meningkatkan kecekapan dan mengurangkan penggunaan kuasa, dan kelajuan penukaran adalah kira -kira 20% lebih cepat
Pengagihan mineral:
Hafnium mempunyai kelimpahan kerak yang lebih tinggi daripada logam yang biasa digunakan seperti bismut, kadmium, dan merkuri, dan bersamaan dengan kandungan untuk berilium, germanium, dan uranium. Semua mineral yang mengandungi zirkonium mengandungi hafnium. Zirkon yang digunakan dalam industri mengandungi hafnium 0.5-2%. Zirkon berilium (Alvite) dalam bijih zirkonium sekunder boleh mengandungi sehingga 15% hafnium. Terdapat juga jenis zirkon metamorf, cyrtolite, yang mengandungi lebih daripada 5% HFO. Rizab dua mineral yang terakhir adalah kecil dan belum diterima pakai dalam industri. Hafnium kebanyakannya pulih semasa pengeluaran zirkonium.
Ia wujud di kebanyakan bijih zirkonium. [18] [19] Kerana terdapat sedikit kandungan dalam kerak. Ia sering wujud bersama zirkonium dan tidak mempunyai bijih berasingan.
Kaedah Penyediaan:
1. Ia boleh disediakan oleh pengurangan magnesium hafnium tetrachloride atau penguraian haba hafnium iodide. HFCL4 dan K2HFF6 juga boleh digunakan sebagai bahan mentah. Proses pengeluaran elektrolitik dalam NaCl KCl HFCL4 atau K2HFF6 cair adalah serupa dengan pengeluaran elektrolitik zirkonium.
2. Hafnium wujud bersama dengan zirkonium, dan tidak ada bahan mentah yang berasingan untuk hafnium. Bahan mentah untuk pembuatan hafnium adalah hafnium oksida kasar yang dipisahkan semasa proses pembuatan zirkonium. Ekstrak Hafnium Oxide menggunakan resin pertukaran ion, dan kemudian gunakan kaedah yang sama seperti zirkonium untuk menyediakan hafnium logam dari hafnium oksida ini.
3. Ia boleh disediakan oleh pemanasan CO Hafnium tetrachloride (HFCL4) dengan natrium melalui pengurangan.
Kaedah terawal untuk memisahkan zirkonium dan hafnium adalah penghabluran pecahan garam kompleks fluorinasi dan pemendakan pecahan fosfat. Kaedah ini adalah rumit untuk beroperasi dan terhad kepada penggunaan makmal. Teknologi baru untuk memisahkan zirkonium dan hafnium, seperti penyulingan fraksionasi, pengekstrakan pelarut, pertukaran ion, dan penjerapan pecahan, telah muncul satu demi satu, dengan pengekstrakan pelarut menjadi lebih praktikal. Kedua -dua sistem pemisahan yang biasa digunakan ialah sistem sikloheksanon thiocyanate dan sistem asid nitrik tributil fosfat. Produk yang diperolehi oleh kaedah di atas adalah semua hafnium hidroksida, dan hafnium oksida tulen boleh diperolehi dengan kalsinasi. Hafnium kesucian yang tinggi boleh diperolehi dengan kaedah pertukaran ion.
Dalam industri, pengeluaran hafnium logam sering melibatkan proses Kroll dan proses Debor Aker. Proses Kroll melibatkan pengurangan hafnium tetrachloride menggunakan magnesium logam:
2mg+hfcl4- → 2mgcl2+hf
Kaedah Debor Aker, yang juga dikenali sebagai kaedah iodisasi, digunakan untuk membersihkan span seperti hafnium dan mendapatkan hafnium logam yang mudah dibentuk.
5. Peleburan Hafnium pada dasarnya sama dengan zirkonium:
Langkah pertama ialah penguraian bijih, yang melibatkan tiga kaedah: pengklorinan zirkon untuk mendapatkan (ZR, HF) Cl. Pencairan Zirkon Alkali. Zirkon cair dengan NaOH pada sekitar 600, dan lebih daripada 90% (Zr, HF) O berubah menjadi Na (Zr, Hf) O, dengan SIO berubah menjadi Nasio, yang dibubarkan dalam air untuk penyingkiran. Na (Zr, HF) O boleh digunakan sebagai penyelesaian asal untuk memisahkan zirkonium dan hafnium selepas dibubarkan dalam HNO. Walau bagaimanapun, kehadiran koloid SIO membuat pemisahan pengekstrakan pelarut sukar. Sinter dengan ksif dan rendam dalam air untuk mendapatkan penyelesaian k (zr, hf). Penyelesaian ini boleh memisahkan zirkonium dan hafnium melalui penghabluran pecahan;
Langkah kedua ialah pemisahan zirkonium dan hafnium, yang boleh dicapai menggunakan kaedah pemisahan pengekstrakan pelarut menggunakan sistem asid hidroklorik MIBK (metil isobutil ketone) dan sistem HNO-TBP (tributyl phosphate). Teknologi fraksionasi pelbagai peringkat menggunakan perbezaan tekanan wap antara HFCL dan ZRCL cair di bawah tekanan tinggi (di atas 20 atmosfera) telah lama dikaji, yang dapat menyelamatkan proses pengklorinan sekunder dan mengurangkan kos. Walau bagaimanapun, disebabkan oleh masalah kakisan (Zr, HF) CL dan HCl, tidak mudah untuk mencari bahan lajur fraksionasi yang sesuai, dan ia juga akan mengurangkan kualiti ZRCL dan HFCL, meningkatkan kos pembersihan. Pada tahun 1970 -an, ia masih dalam peringkat ujian tumbuhan pertengahan;
Langkah ketiga ialah pengklorinan sekunder HFO untuk mendapatkan HFCL mentah untuk pengurangan;
Langkah keempat ialah pemurnian HFCl dan pengurangan magnesium. Proses ini adalah sama dengan pemurnian dan pengurangan ZRCL, dan produk separuh siap yang terhasil adalah hafnium span kasar;
Langkah kelima adalah untuk vakum sulingan hafnium span mentah untuk menghilangkan MGCL dan memulihkan magnesium logam yang berlebihan, mengakibatkan produk siap hafnium logam span. Sekiranya ejen pengurangan menggunakan natrium dan bukannya magnesium, langkah kelima harus ditukar kepada rendaman air
Kaedah Penyimpanan:
Simpan di gudang yang sejuk dan berventilasi. Jauhkan dari percikan api dan sumber haba. Ia harus disimpan secara berasingan daripada oksidan, asid, halogen, dan lain -lain, dan elakkan pencampuran penyimpanan. Menggunakan pencahayaan letupan dan kemudahan pengudaraan. Melarang penggunaan peralatan mekanikal dan alat yang terdedah kepada percikan api. Kawasan penyimpanan hendaklah dilengkapi dengan bahan yang sesuai untuk mengandungi kebocoran.
Masa Post: Sep-25-2023