Hafnium, Metal HF, atomnummer 72, atomvekt 178.49, er et skinnende sølvgrå overgangsmetall.
Hafnium har seks naturlig stabile isotoper: Hafnium 174, 176, 177, 178, 179 og 180. Hafnium reagerer ikke med fortynnet saltsyre, fortynnet svovelsyre og sterke alkaliske oppløsninger, men er oppløselig i hydrofluorsyre og akva -regi. Elementnavnet kommer fra det latinske navnet Copenhagen City.
I 1925 oppnådde den svenske kjemikeren Hervey og den nederlandske fysikeren Koster rent hafniumsalt ved fraksjonell krystallisering av fluorerte komplekse salter, og reduserte det med metallisk natrium for å oppnå rent metall hafnium. Hafnium inneholder 0,00045% av jordskorpen og er ofte assosiert med zirkonium i naturen.
Produktnavn: Hafnium
Elementsymbol: HF
Atomvekt: 178,49
Elementtype: Metallisk element
Fysiske egenskaper:
Hafniumer et sølvgrå metall med en metallisk glans; Det er to varianter av metall hafnium: α hafnium er en sekskantet tettpakket variant (1750 ℃) med en høyere transformasjonstemperatur enn zirkonium. Metall hafnium har allotrope -varianter ved høye temperaturer. Metall hafnium har et tverrsnitt av høyt nøytronabsorpsjon og kan brukes som kontrollmateriale for reaktorer.
Det er to typer krystallstrukturer: sekskantet tett pakning ved temperaturer under 1300 ℃（ α-ligning); Ved temperaturer over 1300 ℃ er det kroppssentrert kubikk （ß-ligning). Et metall med plastisitet som herder og blir sprø i nærvær av urenheter. Stabil i luften, mørkner bare på overflaten når den brennes. Filamentene kan antennes av flammen til en kamp. Egenskaper som ligner på zirkonium. Den reagerer ikke med vann, fortynnede syrer eller sterke baser, men er lett oppløselig i Aqua regia og hydrofluorsyre. Hovedsakelig i forbindelser med en+4 valens. Hafniumlegering (TA4HFC5) er kjent for å ha det høyeste smeltepunktet (ca. 4215 ℃).
Krystallstruktur: Krystallcellen er sekskantet
CAS-nummer: 7440-58-6
Smeltepunkt: 2227 ℃
Kokepunkt: 4602 ℃
Kjemiske egenskaper:
De kjemiske egenskapene til hafnium er veldig like på zirkonium, og det har god korrosjonsresistens og er ikke lett korrodert av generelle syrealkali -oppløsninger; Lett oppløselig i hydrofluorsyre for å danne fluorerte komplekser. Ved høye temperaturer kan Hafnium også direkte kombinere med gasser som oksygen og nitrogen for å danne oksider og nitrider.
Hafnium har ofte en+4 valens i forbindelser. Hovedforbindelsen erHafniumoksidHFO2. Det er tre forskjellige varianter av hafniumoksid:Hafniumoksidoppnådd ved kontinuerlig kalsinering av hafniumsulfat og kloridoksyd er en monoklinisk variant; Hafniumoksydet oppnådd ved å varme opp hydroksydet av hafnium på rundt 400 ℃ er en tetragonal variant; Hvis kalsinert over 1000 ℃, kan en kubikkvariant oppnås. En annen forbindelse erHafnium tetraklorid, som er råstoffet for fremstilling av metall hafnium og kan fremstilles ved å reagere klorgass på en blanding av hafniumoksyd og karbon. Hafnium tetraklorid kommer i kontakt med vann og hydrolyserer umiddelbart til svært stabil HFO (4H2O) 2+-ioner. HFO2+-ioner eksisterer i mange forbindelser av hafnium, og kan krystallisere nålformet hydratisert hafniumoksyklorid HFOCL2 · 8H2O -krystaller i saltsyrehursyre hafnium tetrakloridløsning.
4-valent hafnium er også utsatt for å danne komplekser med fluor, bestående av K2HFF6, K3HFF7, (NH4) 2HFF6 og (NH4) 3HFF7. Disse kompleksene har blitt brukt for separasjon av zirkonium og hafnium.
Vanlige forbindelser:
Hafnium dioksid: Navn hafniumdioksid; Hafnium dioksid; Molekylær formel: HFO2 [4]; Eiendom: Hvitt pulver med tre krystallstrukturer: monoklinisk, tetragonal og kubikk. Tettheten er henholdsvis 10,3, 10,1 og 10,43 g/cm3. Smeltingspunkt 2780-2920K. Kokepunkt 5400K. Termisk ekspansjonskoeffisient 5,8 × 10-6/℃. Uoppløselig i vann, saltsyre og salpetersyre, men oppløselig i konsentrert svovelsyre og hydrofluorsyre. Produsert ved termisk nedbrytning eller hydrolyse av forbindelser som hafniumsulfat og hafniumoksyklorid. Råvarer for produksjon av metall hafnium og hafniumlegeringer. Brukes som ildfaste materialer, anti -radioaktive belegg og katalysatorer. [5] Atomisk energinivå HFO er et produkt oppnådd samtidig når man produserer atomenergilivå ZRO. Med utgangspunkt i sekundær klorering er prosessene for rensing, reduksjon og vakuumdestillasjon nesten identiske med zirkonium.
Hafnium tetraklorid: Hafnium (IV) klorid, hafnium tetraklorid molekylær formel hfcl4 molekylvekt 320.30 Karakter: hvit krystallinsk blokk. Følsom for fuktighet. Løselig i aceton og metanol. Hydrolyser i vann for å produsere hafniumoksyklorid (HFOCL2). Varm til 250 ℃ og fordampe. Irriterende for øyne, luftveisystem og hud.
Hafniumhydroksyd: Hafniumhydroksyd (H4HFO4), vanligvis til stede som et hydrert oksid HFO2 · NH2O, er uoppløselig i vann, lett oppløselig i uorganiske syrer, uoppløselig i ammoniakk og sjeldent oppløselig i sodiumhydroxide. Varm til 100 ℃ for å generere hafniumhydroksyd HFO (OH) 2. Hvitt hafniumhydroksyd bunnfall kan oppnås ved å reagere hafnium (IV) salt med ammoniakkvann. Det kan brukes til å produsere andre hafniumforbindelser.
Forskningshistorie
Oppdagelseshistorie:
I 1923 oppdaget den svenske kjemikeren Hervey og den nederlandske fysikeren D. Koster hafnium i zirkon produsert i Norge og Grønland, og kalt det Hafnium, som stammet fra det latinske navnet Hafnia i København. I 1925 skilte Hervey og Coster zirkonium og titan ved bruk av metoden for fraksjonell krystallisering av fluorerte komplekse salter for å oppnå rene hafniumsalter; Og reduser hafniumsalt med metallisk natrium for å oppnå rent metall hafnium. Hervey utarbeidet en prøve på flere milligram av rent hafnium.
Kjemiske eksperimenter på zirkonium og hafnium:
I et eksperiment utført av professor Carl Collins ved University of Texas i 1998, ble det hevdet at gamma bestrålet Hafnium 178m2 (isomeren Hafnium-178M2 [7]) kan frigjøre enorm energi, som er fem størrelsesordrer høyere enn kjemiske reaksjoner, men tre ordrer på størrelsesorden lavere reaksjoner. [8] HF178M2 (Hafnium 178m2) har den lengste levetiden blant lignende langvarige isotoper: HF178M2 (Hafnium 178M2) har en halveringstid på 31 år, noe som resulterer i en naturlig radioaktivitet på omtrent 1,6 billioner. Collins 'rapport uttaler at ett gram ren HF178M2 (Hafnium 178m2) inneholder omtrent 1330 megajoules, noe som tilsvarer energien som frigjøres ved eksplosjonen på 300 kilo TNT -eksplosiver. Collins 'rapport indikerer at all energi i denne reaksjonen frigjøres i form av røntgenstråler eller gammastråler, som frigjør energi med en ekstremt rask hastighet, og HF178M2 (Hafnium 178m2) kan fortsatt reagere ved ekstremt lave konsentrasjoner. [9] Pentagon har bevilget midler til forskning. I eksperimentet var signal-til-støy-forholdet veldig lavt (med betydelige feil), og siden den gang, til tross for flere eksperimenter fra forskere fra flere organisasjoner, inkludert USA Strålemisjon til å frigjøre energi fra HF178M2 (Hafnium 178M2) [15], men andre forskere har teoretisk bevist at denne reaksjonen ikke kan oppnås. [16] HF178M2 (Hafnium 178m2) er mye antatt på det akademiske samfunnet for ikke å være en energikilde
Søknadsfelt:
Hafnium er veldig nyttig på grunn av dens evne til å avgi elektroner, for eksempel som brukt som et glødetråd i glødelamper. Brukes som katode for røntgenrør, og legeringer av hafnium og wolfram eller molybden brukes som elektroder for høyspent utladningsrør. Vanligvis brukt i produksjonsindustrien for katode og wolframtråd for røntgenbilder. Rent hafnium er et viktig materiale i atomenergiindustrien på grunn av plastisitet, enkel prosessering, høy temperaturmotstand og korrosjonsmotstand. Hafnium har et stort termisk nøytronfangst tverrsnitt og er en ideell nøytronabsorber, som kan brukes som en kontrollstang og beskyttende enhet for atomreaktorer. Hafniumpulver kan brukes som drivmiddel for raketter. Katoden med røntgenrør kan produseres i elektrisk industri. Hafnium-legering kan tjene som det fremover beskyttende laget for rakettdyser og glideinnleggingsfly, mens HF TA-legering kan brukes til å produsere verktøystål og motstandsmaterialer. Hafnium brukes som et additivt element i varmebestandige legeringer, for eksempel wolfram, molybden og tantal. HFC kan brukes som tilsetningsstoff for harde legeringer på grunn av dets høye hardhet og smeltepunkt. Smeltepunktet til 4TACHFC er omtrent 4215 ℃, noe som gjør det til forbindelsen med det høyest kjente smeltepunktet. Hafnium kan brukes som getter i mange inflasjonssystemer. Hafnium gettere kan fjerne unødvendige gasser som oksygen og nitrogen som er til stede i systemet. HAFNIUM brukes ofte som tilsetningsstoff i hydraulisk olje for å forhindre flyktighet av hydraulisk olje under høyrisikooperasjoner, og har sterke anti-volatilitetsegenskaper. Derfor brukes det vanligvis i industriell hydraulisk olje. Medisinsk hydraulisk olje.
Hafniumelement brukes også i de nyeste Intel 45 nanoprocessorene. På grunn av produserbarheten av silisiumdioksid (SIO2) og dens evne til å redusere tykkelsen til kontinuerlig å forbedre transistorytelsen, bruker prosessorprodusenter silisiumdioksid som materiale for portdielektrikk. Da Intel introduserte den 65 nanometerproduksjonsprosessen, selv om den hadde gjort alt for å redusere tykkelsen på silisiumdioksidporten dielektrisk til 1,2 nanometer, tilsvarer 5 lag med atomer, ville vanskeligheten med strømforbruk og varme spredning også øke når transistoren var redusert. Derfor, hvis strømmaterialer fortsettes å brukes og tykkelsen reduseres ytterligere, vil lekkasjen av portdielektrisk øke betydelig, og redusere transistorteknologien betydelig til sine grenser. For å løse dette kritiske problemet planlegger Intel å bruke tykkere høye K -materialer (hafniumbaserte materialer) som portdielektrikk i stedet for silisiumdioksid, noe som har redusert lekkasje med mer enn 10 ganger. Sammenlignet med den forrige generasjonen av 65nm -teknologi, øker Intels 45nm -prosess transistortetthet med nesten to ganger, noe som gir en økning i det totale antall transistorer eller en reduksjon i prosessorvolum. I tillegg er kraften som kreves for transistorbryter lavere, noe som reduserer strømforbruket med nesten 30%. De interne tilkoblingene er laget av kobbertråd sammenkoblet med lav K -dielektrisk, og forbedrer effektiviteten og reduserer strømforbruket, og byttehastigheten er omtrent 20% raskere
Mineralfordeling:
Hafnium har en høyere skorpeforekomst enn ofte brukte metaller som vismut, kadmium og kvikksølv, og er ekvivalent i innhold til beryllium, germanium og uran. Alle mineraler som inneholder zirkonium inneholder hafnium. Zirkon brukt i industrien inneholder 0,5-2% hafnium. Beryllium zirkon (alvite) i sekundær zirkoniummalm kan inneholde opptil 15% hafnium. Det er også en type metamorf zirkon, cyrtolite, som inneholder over 5% HFO. Reservene til de to sistnevnte mineralene er små og har ennå ikke blitt adoptert i industrien. Hafnium utvinnes hovedsakelig under produksjonen av zirkonium.
Det eksisterer i de fleste zirkoniummalm. [18] [19] Fordi det er veldig lite innhold i skorpen. Det sameksisterer ofte med zirkonium og har ingen separat malm.
Forberedelsesmetode:
1. Det kan fremstilles ved magnesiumreduksjon av hafnium tetraklorid eller termisk nedbrytning av hafniumjodid. HFCL4 og K2HFF6 kan også brukes som råvarer. Prosessen med elektrolytisk produksjon i NaCl KCl HFCL4 eller K2HFF6 -smelte er lik den for elektrolytisk produksjon av zirkonium.
2. Hafnium sameksisterer med zirkonium, og det er ingen separat råstoff for hafnium. Råstoffet for å produsere hafnium er rå hafniumoksyd separert under prosessen med å produsere zirkonium. Ekstrakt hafniumoksyd ved bruk av ionutvekslingsharpiks, og bruk deretter den samme metoden som zirkonium for å fremstille metall hafnium fra dette hafniumoksydet.
3. Det kan utarbeides ved CO -oppvarming Hafnium tetraklorid (HFCL4) med natrium gjennom reduksjon.
De tidligste metodene for å skille zirkonium og hafnium var fraksjonell krystallisering av fluorerte komplekse salter og fraksjonell nedbør av fosfater. Disse metodene er tungvint å operere og er begrenset til laboratoriebruk. Nye teknologier for å skille zirkonium og hafnium, for eksempel fraksjonsdestillasjon, løsningsmiddelekstraksjon, ionebytte og fraksjonsadsorpsjon, har dukket opp etter hverandre, med løsningsmiddelekstraksjon som mer praktisk. De to ofte brukte separasjonssystemene er tiocyanat -cykloheksanonsystemet og tributylfosfat salpetersyresystem. Produktene oppnådd ved ovennevnte metoder er alle hafniumhydroksyd, og rent hafniumoksyd kan oppnås ved kalsinering. Hafnium med høy renhet kan oppnås ved ionutvekslingsmetode.
I industrien involverer produksjonen av metall hafnium ofte både Kroll -prosessen og Debor Aker -prosessen. Kroll -prosessen innebærer reduksjon av hafniumtetraklorid ved bruk av metallisk magnesium:
2 mg+hfcl4- → 2mgcl2+hf
Debor Aker -metoden, også kjent som jodiseringsmetoden, brukes til å rense svamp som hafnium og oppnå formbar metallhår.
5. Smelting av hafnium er i utgangspunktet den samme som zirkonium:
Det første trinnet er nedbrytning av malmen, som involverer tre metoder: klorering av zirkon for å oppnå (Zr, HF) Cl. Alkali smelting av zirkon. Zirkon smelter med NaOH på rundt 600, og over 90% av (Zr, HF) O transformeres til Na (Zr, HF) O, med SiO transformert til Nasio, som er oppløst i vann for fjerning. Na (Zr, HF) O kan brukes som den opprinnelige løsningen for å skille zirkonium og hafnium etter å ha blitt oppløst i HNO. Tilstedeværelsen av SIO -kolloider gjør imidlertid løsningsmiddelekstraksjonsseparasjon vanskelig. Sinter med ksif og suge inn vann for å oppnå k (zr, hf) f -løsning. Løsningen kan skille zirkonium og hafnium gjennom fraksjonell krystallisering;
Det andre trinnet er separasjonen av zirkonium og hafnium, som kan oppnås ved bruk av løsningsmiddelekstraksjonsseparasjonsmetoder ved bruk av saltsyre MIBK (metyl isobutylketon) system og HNO-TBP (tributylfosfat) system. Teknologien for flertrinns fraksjonering ved bruk av forskjellen i damptrykk mellom HFCL og ZRCL smelter under høyt trykk (over 20 atmosfærer) har lenge blitt studert, noe som kan spare den sekundære kloreringsprosessen og redusere kostnadene. På grunn av korrosjonsproblemet med (Zr, HF) CL og HCl, er det imidlertid ikke lett å finne passende fraksjonssøylmaterialer, og det vil også redusere kvaliteten på ZRCL og HFCL, øke rensekostnadene. På 1970 -tallet var det fortsatt i mellomliggende testerstadium;
Det tredje trinnet er sekundærklorering av HFO for å oppnå rå HFCL for reduksjon;
Det fjerde trinnet er rensing av HFCL og magnesiumreduksjon. Denne prosessen er den samme som rensing og reduksjon av ZRCL, og det resulterende semifaksproduktet er grovt svamp hafnium;
Det femte trinnet er å vakuumdestillere rå svamp hafnium for å fjerne MGCL og gjenvinne overflødig metallmagnesium, noe som resulterer i et ferdig produkt av svampmetall hafnium. Hvis det reduserende middelet bruker natrium i stedet for magnesium, bør det femte trinnet endres til vanndypning
Lagringsmetode:
Oppbevares i et kjølig og ventilert lager. Hold deg unna gnister og varmekilder. Det skal lagres separat fra oksidanter, syrer, halogener osv., Og unngå å blande lagring. Ved hjelp av eksplosjonssikre belysnings- og ventilasjonsanlegg. Forby bruk av mekanisk utstyr og verktøy som er utsatt for gnister. Lagringsområdet skal være utstyrt med passende materialer for å inneholde lekkasjer.
Post Time: SEP-25-2023