Ħafnju, metall Hf, numru atomiku 72, piż atomiku 178.49, huwa metall ta 'transizzjoni griż fidda tleqq.
Ħafnju għandu sitt iżotopi naturali stabbli: ħafnju 174, 176, 177, 178, 179, u 180. Ħafnju ma jirreaġixxix ma 'aċidu idrokloriku dilwit, aċidu sulfuriku dilwit, u soluzzjonijiet alkalini qawwija, iżda huwa solubbli fl-aċidu idrofluworiku u aqua regia. L-isem tal-element ġej mill-isem Latin tal-Belt ta 'Kopenħagen.
Fl-1925, il-kimiku Svediż Hervey u l-fiżiku Olandiż Koster kisbu melħ pur tal-ħafnju permezz ta 'kristallizzazzjoni frazzjonali ta' melħ kumpless fluworinat, u naqqsuh b'sodju metalliku biex jiksbu afnju tal-metall pur. L-afnju fih 0.00045% tal-qoxra tad-dinja u ħafna drabi huwa assoċjat maż-żirkonju fin-natura.
Isem tal-prodott: ħafnju
Simbolu tal-element: Hf
Piż atomiku: 178.49
Tip ta 'element: element metalliku
Proprjetajiet fiżiċi:
Ħafnjuhuwa metall griż tal-fidda bi tleqqija metallika; Hemm żewġ varjanti tal-ħafnju tal-metall: α Ħafnju huwa varjant eżagonali ippakkjat mill-qrib (1750 ℃) b'temperatura ta 'trasformazzjoni ogħla miż-żirkonju. Ħafnju tal-metall għandu varjanti allotrope f'temperaturi għoljin. Ħafnju tal-metall għandu cross-section ta 'assorbiment għoli ta' newtroni u jista 'jintuża bħala materjal ta' kontroll għal reatturi.
Hemm żewġ tipi ta 'strutturi tal-kristall: ippakkjar dens eżagonali f'temperaturi taħt 1300 ℃（ α- Ekwazzjoni); F'temperaturi 'l fuq minn 1300 ℃, huwa kubi iċċentrat fuq il-ġisem (Ekwazzjoni β). Metall bil-plastiċità li jibbies u jsir fraġli fil-preżenza ta 'impuritajiet. Stabbli fl-arja, jiskura biss fuq il-wiċċ meta jinħaraq. Il-filamenti jistgħu jinxtegħlu bil-fjamma ta 'sulfarina. Proprjetajiet simili għal żirkonju. Ma jirreaġixxix ma 'l-ilma, aċidi dilwiti, jew bażijiet b'saħħithom, iżda jinħall faċilment fl-akkwa regia u fl-aċidu idrofluworiku. Prinċipalment f'komposti b'valenza a+4. Liga ta 'l-afnju (Ta4HfC5) hija magħrufa li għandha l-ogħla punt ta' tidwib (madwar 4215 ℃).
Struttura tal-kristall: Iċ-ċellula tal-kristall hija eżagonali
Numru CAS: 7440-58-6
Punt tat-tidwib: 2227 ℃
Punt tat-togħlija: 4602 ℃
Proprjetajiet kimiċi:
Il-proprjetajiet kimiċi tal-ħafnju huma simili ħafna għal dawk taż-żirkonju, u għandu reżistenza tajba għall-korrużjoni u ma jissaddadx faċilment minn soluzzjonijiet milwiema ġenerali tal-aċidu alkali; Solubbli faċilment fl-aċidu idrofluworiku biex jiffurmaw kumplessi fluworinati. F'temperaturi għoljin, l-afnju jista 'wkoll jikkombina direttament ma' gassijiet bħal ossiġnu u nitroġenu biex jiffurmaw ossidi u nitruri.
L-afnju spiss ikollu valenza + 4 fil-komposti. Il-kompost ewlieni huwaossidu tal-afnjuHfO2. Hemm tliet varjanti differenti ta 'ossidu tal-ħafnju:ossidu tal-afnjumiksub permezz ta 'kalċinazzjoni kontinwa ta' sulfat tal-ħafnju u ossidu tal-klorur huwa varjant monokliniku; L-ossidu tal-ħafnju miksub bit-tisħin tal-idrossidu tal-ħafnju f'madwar 400 ℃ huwa varjant tetragonali; Jekk kalċinat 'il fuq minn 1000 ℃, jista' jinkiseb varjant kubiku. Kompost ieħor huwatetraklorur tal-afnju, li hija l-materja prima għall-preparazzjoni tal-ħafnju tal-metall u tista 'tiġi ppreparata billi tirreaġixxi l-gass tal-kloru fuq taħlita ta' ossidu tal-ħafnju u karbonju. Tetrachloride ta 'l-afnju jiġi f'kuntatt ma' l-ilma u immedjatament idrolizza f'jonji HfO (4H2O) 2+ stabbli ħafna. HfO2 + joni jeżistu f'ħafna komposti ta 'l-afnju, u jistgħu jikkristallizzaw l-ossiklorur ta' l-afnju idratat f'forma ta 'labra HfOCl2 · 8H2O kristalli f'soluzzjoni ta' tetraklorur ta 'l-afnju aċidifikat ta' aċidu idrokloriku.
Ħafnju 4-valenti huwa wkoll suxxettibbli li jifforma kumplessi bil-fluworidu, li jikkonsistu minn K2HfF6, K3HfF7, (NH4) 2HfF6, u (NH4) 3HfF7. Dawn il-kumplessi ntużaw għas-separazzjoni taż-żirkonju u l-ħafnju.
Komposti komuni:
Dijossidu ta 'l-Afnju: isem Dijossidu ta' l-Afnju; Diossidu tal-ħafnju; Formula molekulari: HfO2 [4]; Proprjetà: Trab abjad bi tliet strutturi tal-kristall: monokliniċi, tetragonali u kubi. Id-densitajiet huma 10.3, 10.1, u 10.43g/cm3, rispettivament. Punt tat-tidwib 2780-2920K. Punt tat-togħlija 5400K. Koeffiċjent ta 'espansjoni termali 5.8 × 10-6/℃. Ma jinħallx fl-ilma, aċidu idrokloriku, u aċidu nitriku, iżda solubbli fl-aċidu sulfuriku konċentrat u aċidu idrofluworiku. Prodott minn dekompożizzjoni termali jew idroliżi ta 'komposti bħal sulfat tal-ħafnju u ossikloru tal-ħafnju. Materja prima għall-produzzjoni tal-ħafnju tal-metall u ligi tal-ħafnju. Użati bħala materjali refrattorji, kisjiet anti radjuattivi, u katalisti. [5] Il-livell tal-enerġija atomika HfO huwa prodott miksub simultanjament meta jimmanifattura l-livell tal-enerġija atomika ZrO. Nibdew mill-klorinazzjoni sekondarja, il-proċessi ta 'purifikazzjoni, tnaqqis u distillazzjoni bil-vakwu huma kważi identiċi għal dawk taż-żirkonju.
Tetraklorur tal-ħafnju: Klorur tal-Ħafnju (IV), Tetraklorur tal-Ħafnju Formula molekulari HfCl4 Piż molekulari 320.30 Karattru: Blokk kristallin abjad. Sensittivi għall-umdità. Solubbli fl-aċetun u l-metanol. Idrolizza fl-ilma biex tipproduċi l-ossiklorur tal-ħafnju (HfOCl2). Saħħan sa 250 ℃ u evapora. Irritanti għall-għajnejn, is-sistema respiratorja, u l-ġilda.
Idrossidu tal-ħafnju: Idrossidu tal-afnju (H4HfO4), ġeneralment preżenti bħala ossidu idratat HfO2 · nH2O, ma jinħallx fl-ilma, jinħall faċilment f'aċidi inorganiċi, ma jinħallx fl-ammonja, u rarament jinħall fl-idrossidu tas-sodju. Saħħan sa 100 ℃ biex tiġġenera l-idrossidu tal-ħafnju HfO (OH) 2. Il-preċipitat tal-idrossidu tal-ħafnju abjad jista 'jinkiseb billi tirreaġixxi melħ tal-ħafnju (IV) ma' ilma tal-ammonja. Jista 'jintuża biex jipproduċi komposti oħra tal-ħafnju.
Storja tar-Riċerka
Storja ta' Skoperta:
Fl-1923, il-kimiku Svediż Hervey u l-fiżiċi Olandiż D. Koster skoprew ħafnju fiż-żirkon prodott fin-Norveġja u Greenland, u semmewh ħafnju, li oriġina mill-isem Latin Hafnia ta 'Kopenħagen. Fl-1925, Hervey u Coster isseparaw iż-żirkonju u t-titanju bl-użu tal-metodu ta 'kristallizzazzjoni frazzjonali ta' imluħa kumplessi fluworinati biex jiksbu melħ pur tal-ħafnju; U tnaqqas il-melħ tal-ħafnju bis-sodju metalliku biex tikseb ħafnju tal-metall pur. Hervey ħejja kampjun ta 'diversi milligrammi ta' ħafnju pur.
Esperimenti kimiċi fuq żirkonju u ħafnju:
F'esperiment li sar mill-Professur Carl Collins fl-Università ta' Texas fl-1998, intqal li l-ħafnju irradjat gamma 178m2 (l-isomer afnju-178m2 [7]) jista' jirrilaxxa enerġija enormi, li hija ħames ordnijiet ta' kobor ogħla mir-reazzjonijiet kimiċi iżda tliet ordnijiet ta’ kobor inqas mir-reazzjonijiet nukleari. [8] Hf178m2 (afnju 178m2) għandu l-itwal ħajja fost iżotopi simili ta' ħajja twila: Hf178m2 (afnju 178m2) għandu half-life ta' 31 sena, li jirriżulta f'radjuattività naturali ta' madwar 1.6 triljun Becquerels. Ir-rapport ta 'Collins jgħid li gramma waħda ta' Hf178m2 pur (ħafnju 178m2) fiha madwar 1330 megajoules, li hija ekwivalenti għall-enerġija rilaxxata mill-isplużjoni ta '300 kilogramma ta' splussivi TNT. Ir-rapport ta 'Collins jindika li l-enerġija kollha f'din ir-reazzjoni hija rilaxxata fil-forma ta' raġġi X jew raġġi gamma, li jirrilaxxaw l-enerġija b'rata estremament mgħaġġla, u Hf178m2 (afnju 178m2) xorta jistgħu jirreaġixxu f'konċentrazzjonijiet estremament baxxi. [9] Il-Pentagon alloka fondi għar-riċerka. Fl-esperiment, il-proporzjon tas-sinjal għall-istorbju kien baxx ħafna (bi żbalji sinifikanti), u minn dakinhar, minkejja esperimenti multipli minn xjentisti minn organizzazzjonijiet multipli inkluż id-Dipartiment ta 'l-Istati Uniti tad-Difiża Aġenzija ta' Riċerka dwar Proġetti Avvanzati (DARPA) u JASON Defense Advisory Grupp [13], l-ebda xjenzat ma seta’ jikseb din ir-reazzjoni taħt il-kundizzjonijiet mitluba minn Collins, u Collins ma pprovdiex evidenza qawwija biex tipprova l-eżistenza ta’ din ir-reazzjoni, Collins ippropona metodu ta 'użu ta' emissjoni ta 'raġġi gamma indotti biex tirrilaxxa l-enerġija minn Hf178m2 (ħafnju 178m2) [15], iżda xjenzati oħra teoretikament ippruvaw li din ir-reazzjoni ma tistax tinkiseb. [16] Hf178m2 (afnju 178m2) huwa maħsub ħafna fil-komunità akkademika li mhux sors ta’ enerġija
Qasam ta' applikazzjoni:
L-afnju huwa utli ħafna minħabba l-kapaċità tiegħu li jarmu elettroni, bħal kif użat bħala filament f'lampi inkandexxenti. Użati bħala l-katodu għal tubi tar-raġġi X, u ligi ta 'l-afnju u tungstenu jew molibdenu jintużaw bħala elettrodi għal tubi ta' skarigu ta 'vultaġġ għoli. Użat komunement fl-industrija tal-manifattura tal-wajer tal-katodu u tat-tungstenu għar-raġġi-X. Ħafnju pur huwa materjal importanti fl-industrija tal-enerġija atomika minħabba l-plastikità tiegħu, l-ipproċessar faċli, ir-reżistenza għat-temperatura għolja u r-reżistenza għall-korrużjoni. L-afnju għandu cross-section kbira ta 'qbid tan-newtroni termali u huwa assorbatur ideali tan-newtroni, li jista' jintuża bħala virga ta 'kontroll u mezz protettiv għal reatturi atomiċi. Trab tal-afnju jista 'jintuża bħala propellant għar-rokits. Il-katodu tat-tubi tar-raġġi X jista 'jiġi manifatturat fl-industrija tal-elettriku. Liga ta 'l-afnju tista' sservi bħala s-saff protettiv 'il quddiem għal żennuni rokit u ajruplani ta' dħul mill-ġdid tal-glide, filwaqt li liga Hf Ta tista 'tintuża biex timmanifattura azzar tal-għodda u materjali ta' reżistenza. L-afnju jintuża bħala element addittiv f'ligi reżistenti għas-sħana, bħal tungstenu, molibdenu u tantalu. HfC jista 'jintuża bħala addittiv għal-ligi iebsa minħabba l-ebusija għolja u l-punt tat-tidwib tiegħu. Il-punt tat-tidwib ta '4TaCHfC huwa bejn wieħed u ieħor 4215 ℃, li jagħmilha l-kompost bl-ogħla punt ta' tidwib magħruf. L-afnju jista 'jintuża bħala getter f'ħafna sistemi ta' inflazzjoni. Getters ta 'l-afnju jistgħu jneħħu gassijiet mhux meħtieġa bħall-ossiġnu u n-nitroġenu preżenti fis-sistema. L-afnju spiss jintuża bħala addittiv fiż-żejt idrawliku biex jipprevjeni l-volatilizzazzjoni taż-żejt idrawliku waqt operazzjonijiet ta 'riskju għoli, u għandu proprjetajiet qawwija kontra l-volatilità. Għalhekk, huwa ġeneralment użat fiż-żejt idrawliku industrijali. Żejt idrawliku mediku.
L-element tal-ħafnju jintuża wkoll fl-aħħar nanoproċessuri Intel 45. Minħabba l-manifattura tad-dijossidu tas-silikon (SiO2) u l-kapaċità tiegħu li tnaqqas il-ħxuna biex ittejjeb kontinwament il-prestazzjoni tat-transistor, il-manifatturi tal-proċessuri jużaw id-dijossidu tas-silikon bħala l-materjal għad-dielettriċi tal-bieb. Meta Intel introduċiet il-proċess ta 'manifattura ta' 65 nanometru, għalkemm kienet għamlet kull sforz biex tnaqqas il-ħxuna tad-dielettriku tal-bieb tad-dijossidu tas-silikon għal 1.2 nanometri, ekwivalenti għal 5 saffi ta 'atomi, id-diffikultà tal-konsum tal-enerġija u d-dissipazzjoni tas-sħana tiżdied ukoll meta t-transistor kien imnaqqas għad-daqs ta 'atomu, li jirriżulta fi skart kurrenti u enerġija tas-sħana bla bżonn. Għalhekk, jekk il-materjali kurrenti jkomplu jintużaw u l-ħxuna titnaqqas aktar, it-tnixxija tad-dielettriku tal-bieb se tiżdied b'mod sinifikanti, Tnaqqas it-teknoloġija tat-transistor għal-limiti tagħha. Biex tindirizza din il-kwistjoni kritika, Intel qed tippjana li tuża materjali K għolja eħxen (materjali bbażati fuq l-afnju) bħala dielettriċi tal-bieb minflok dijossidu tas-silikon, li b'suċċess naqqas it-tnixxija b'aktar minn 10 darbiet. Meta mqabbel mal-ġenerazzjoni ta 'qabel tat-teknoloġija 65nm, il-proċess ta' 45nm ta 'Intel iżid id-densità tat-transistor bi kważi darbtejn, li jippermetti żieda fin-numru totali ta' transisters jew tnaqqis fil-volum tal-proċessur. Barra minn hekk, il-qawwa meħtieġa għall-bidla tat-transistor hija aktar baxxa, u tnaqqas il-konsum tal-enerġija bi kważi 30%. Il-konnessjonijiet interni huma magħmulin minn wajer tar-ram imqabbad ma 'dielettriku k baxx, itejjeb l-effiċjenza bla xkiel u jnaqqas il-konsum tal-enerġija, u l-veloċità tal-bidla hija madwar 20% aktar mgħaġġla
Distribuzzjoni minerali:
L-afnju għandu abbundanza tal-qoxra ogħla minn metalli użati b'mod komuni bħall-bismut, il-kadmju u l-merkurju, u huwa ekwivalenti fil-kontenut għal berillju, ġermanju u uranju. Il-minerali kollha li fihom iż-żirkonju fihom il-ħafnju. Żirkon użat fl-industrija fih 0.5-2% ħafnju. Iż-żirkon tal-berillju (Alvite) fil-mineral taż-żirkonju sekondarju jista 'jkun fih sa 15% ħafnju. Hemm ukoll tip ta 'zircon metamorfiku, cyrtolite, li fih aktar minn 5% HfO. Ir-riżervi ta 'dawn l-aħħar żewġ minerali huma żgħar u għadhom ma ġewx adottati fl-industrija. L-afnju jiġi rkuprat prinċipalment matul il-produzzjoni taż-żirkonju.
Jeżisti fil-biċċa l-kbira tal-minerali taż-żirkonju. [18] [19] Minħabba li hemm ftit li xejn kontenut fil-qoxra. Ħafna drabi jeżisti flimkien maż-żirkonju u m'għandux mineral separat.
Metodu ta' preparazzjoni:
1. Jista 'jiġi ppreparat permezz ta' tnaqqis tal-manjeżju tat-tetraklorur tal-ħafnju jew dekompożizzjoni termali tal-jodur tal-ħafnju. HfCl4 u K2HfF6 jistgħu jintużaw ukoll bħala materja prima. Il-proċess tal-produzzjoni elettrolitika fit-tidwib ta 'NaCl KCl HfCl4 jew K2HfF6 huwa simili għal dak tal-produzzjoni elettrolitika taż-żirkonju.
2. Ħafnju jikkoeżisti maż-żirkonju, u m'hemm l-ebda materja prima separata għall-ħafnju. Il-materja prima għall-manifattura tal-ħafnju hija ossidu tal-ħafnju mhux raffinat separat matul il-proċess tal-manifattura taż-żirkonju. Ossidu tal-ħafnju estratt bl-użu ta 'reżina ta' skambju joniku, u mbagħad uża l-istess metodu bħaż-żirkonju biex tipprepara l-afnju tal-metall minn dan l-ossidu tal-ħafnju.
3. Jista 'jiġi ppreparat permezz ta' ko-tisħin tat-tetraklorur tal-ħafnju (HfCl4) bis-sodju permezz ta 'tnaqqis.
L-aktar metodi bikrija għas-separazzjoni taż-żirkonju u l-ħafnju kienu kristallizzazzjoni frazzjonali ta 'melħ kumpless fluworinat u preċipitazzjoni frazzjonali ta' fosfati. Dawn il-metodi huma diffiċli biex joperaw u huma limitati għall-użu fil-laboratorju. Teknoloġiji ġodda għas-separazzjoni taż-żirkonju u l-afnju, bħad-distillazzjoni tal-frazzjonament, estrazzjoni tas-solvent, skambju joniku, u adsorbiment tal-frazzjonament, ħarġu wara xulxin, bl-estrazzjoni tas-solvent tkun aktar prattika. Iż-żewġ sistemi ta 'separazzjoni użati b'mod komuni huma s-sistema ta' thiocyanate cyclohexanone u s-sistema ta 'l-aċidu nitriku tat-tribuyl phosphate. Il-prodotti miksuba bil-metodi ta 'hawn fuq huma kollha idrossidu tal-ħafnju, u ossidu tal-ħafnju pur jista' jinkiseb bil-kalċinazzjoni. Ħafnju ta 'purità għolja jista' jinkiseb permezz ta 'metodu ta' skambju joniku.
Fl-industrija, il-produzzjoni tal-ħafnju tal-metall ħafna drabi tinvolvi kemm il-proċess Kroll kif ukoll il-proċess Debor Aker. Il-proċess Kroll jinvolvi t-tnaqqis tat-tetraklorur tal-ħafnju bl-użu tal-manjeżju metalliku:
2Mg+HfCl4- → 2MgCl2+Hf
Il-metodu Debor Aker, magħruf ukoll bħala l-metodu ta 'jodization, jintuża biex jippurifika sponża bħal ħafnju u jikseb ħafnju tal-metall malleabbli.
5. It-tidwib tal-ħafnju huwa bażikament l-istess bħal dak taż-żirkonju:
L-ewwel pass huwa d-dekompożizzjoni tal-mineral, li jinvolvi tliet metodi: klorinazzjoni ta 'zircon biex tikseb (Zr, Hf) Cl. Tidwib ta 'l-alkali taż-żirkon. Zircon idub ma 'NaOH f'madwar 600, u aktar minn 90% ta' (Zr, Hf) O jittrasforma f'Na (Zr, Hf) O, b'SiO trasformat f'NaSiO, li jinħall fl-ilma għat-tneħħija. Na (Zr, Hf) O jista 'jintuża bħala s-soluzzjoni oriġinali għas-separazzjoni taż-żirkonju u l-afnju wara li jinħall f'HNO. Madankollu, il-preżenza ta 'kollojdi SiO tagħmel is-separazzjoni ta' estrazzjoni tas-solvent diffiċli. Sinter bil-KSiF u xarrab fl-ilma biex tikseb soluzzjoni K (Zr, Hf) F. Is-soluzzjoni tista 'tissepara żirkonju u ħafnju permezz ta' kristallizzazzjoni frazzjonali;
It-tieni pass huwa s-separazzjoni taż-żirkonju u l-ħafnju, li tista 'tinkiseb bl-użu ta' metodi ta 'separazzjoni ta' estrazzjoni tas-solvent bl-użu tas-sistema ta 'aċidu idrokloriku MIBK (methyl isobutyl ketone) u HNO-TBP (tributyl phosphate). It-teknoloġija tal-frazzjonament f'diversi stadji bl-użu tad-differenza fil-pressjoni tal-fwar bejn HfCl u ZrCl idub taħt pressjoni għolja ('il fuq minn 20 atmosfera) ilha studjata, li tista 'tiffranka l-proċess ta' klorinazzjoni sekondarja u tnaqqas l-ispejjeż. Madankollu, minħabba l-problema tal-korrużjoni ta '(Zr, Hf) Cl u HCl, mhuwiex faċli li ssib materjali ta' kolonna ta 'frazzjonament xierqa, u se tnaqqas ukoll il-kwalità ta' ZrCl u HfCl, u żżid l-ispejjeż tal-purifikazzjoni. Fis-snin sebgħin, kien għadu fl-istadju intermedju tal-ittestjar tal-pjanti;
It-tielet pass huwa l-klorinazzjoni sekondarja ta 'HfO biex tikseb HfCl mhux raffinat għat-tnaqqis;
Ir-raba 'pass huwa l-purifikazzjoni ta' HfCl u t-tnaqqis tal-manjeżju. Dan il-proċess huwa l-istess bħall-purifikazzjoni u t-tnaqqis ta 'ZrCl, u l-prodott semi-lest li jirriżulta huwa ħafnju sponża oħxon;
Il-ħames pass huwa li tiddistilla l-ħafnju tal-isponża mhux raffinat fil-vakwu biex tneħħi l-MgCl u tirkupra l-manjeżju tal-metall żejjed, li jirriżulta fi prodott lest tal-ħafnju tal-metall tal-isponża. Jekk l-aġent li jnaqqas juża sodju minflok manjeżju, il-ħames pass għandu jinbidel għal immersjoni fl-ilma
Metodu ta 'ħażna:
Aħżen f'maħżen frisk u ventilat. Żomm 'il bogħod minn xrar u sorsi ta' sħana. Għandu jinħażen separatament minn ossidanti, aċidi, aloġeni, eċċ., U tevita l-ħażna tat-taħlit. Bl-użu ta 'faċilitajiet ta' dawl u ventilazzjoni kontra l-isplużjoni. Ipprojbixxi l-użu ta 'tagħmir mekkaniku u għodda li huma suxxettibbli għal xrar. Iż-żona tal-ħażna għandha tkun mgħammra b'materjali adattati biex ikun fihom tnixxijiet.
Ħin tal-post: 25-Settembru 2023