Hafnium, Metal HF, numărul atomic 72, greutatea atomică 178.49, este un metal de tranziție gri argintiu strălucitor.
Hafnium are șase izotopuri stabile în mod natural: Hafnium 174, 176, 177, 178, 179 și 180. Hafnium nu reacționează cu acid clorhidric diluat, acid sulfuric diluat și soluții alcaline puternice, dar este solubil în acid hidrofluoric și acqua regia. Numele elementului provine de la numele latin al orașului Copenhaga.
În 1925, chimistul suedez Hervey și fizicianul olandez Koster au obținut sare de hafnium pură prin cristalizarea fracțională a sărurilor complexe fluorurate și a redus -o cu sodiu metalic pentru a obține hafnium metalic pur. Hafnium conține 0,00045% din crusta Pământului și este adesea asociat cu zirconiul în natură.
Numele produsului: Hafnium
Simbol al elementului: hf
Greutate atomică: 178.49
Tipul elementului: element metalic
Proprietăți fizice:
Hafniumeste un metal gri argintiu cu un luciu metalic; Există două variante de hafnium metalic: α Hafnium este o variantă hexagonală strâns ambalată (1750 ℃) cu o temperatură de transformare mai mare decât zirconiul. Hafniul metalic are variante alotrop la temperaturi ridicate. Hafniul metalic are o secțiune transversală de absorbție a neutronilor și poate fi utilizat ca material de control pentru reactoare.
Există două tipuri de structuri cristaline: ambalaj hexagonal dens la temperaturi sub 1300 ℃（ α-ecuație); La temperaturi peste 1300 ℃, este ecuația cubică centrată pe corp). Un metal cu plasticitate care se întărește și devine fragil în prezența impurităților. Stabil în aer, se întunecă doar la suprafață atunci când este ars. Filamentele pot fi aprinse de flacăra unui meci. Proprietăți similare cu zirconiul. Nu reacționează cu apă, acizi diluați sau baze puternice, dar este ușor solubil în aqua regia și acid hidrofluoric. În principal în compuși cu o valență+4. Se știe că aliajul Hafnium (TA4HFC5) are cel mai mare punct de topire (aproximativ 4215 ℃).
Structura cristalului: celula de cristal este hexagonală
Număr CAS: 7440-58-6
Punct de topire: 2227 ℃
Punct de fierbere: 4602 ℃
Proprietăți chimice:
Proprietățile chimice ale hafniului sunt foarte asemănătoare cu cele ale zirconiului și are o rezistență bună la coroziune și nu este ușor corodată de soluții apoase alcaline cu acid general; Ușor solubil în acid hidrofluoric pentru a forma complexe fluorurate. La temperaturi ridicate, hafniul se poate combina direct cu gaze precum oxigenul și azotul pentru a forma oxizi și nitruri.
Hafnium are adesea o valență+4 în compuși. Compusul principal esteOxid de hafniumHfo2. Există trei variante diferite de oxid de hafnium:Oxid de hafniumobținut prin calcinarea continuă a sulfatului de hafnium și oxidul de clorură este o variantă monoclinică; Oxidul de hafnium obținut prin încălzirea hidroxidului de hafnium la aproximativ 400 ℃ este o variantă tetragonală; Dacă este calcinat peste 1000 ℃, se poate obține o variantă cubică. Un alt compus esteTetraclorură de hafnium, care este materia primă pentru prepararea hafniului metalic și poate fi preparată prin reacția gazelor de clor pe un amestec de oxid de hafnium și carbon. Tetraclorura de hafnium intră în contact cu apa și se hidrolizează imediat în ioni HFO (4H2O) 2+extrem de stabili. Ionii HFO2+există în mai mulți compuși de hafnium și pot cristaliza oxiclorură de hafnium hidratată în formă de ac Hfocl2 · 8H2O în soluția de tetraclorură de hafnium acid acid clorhidric.
4-valent Hafnium este, de asemenea, predispus la formarea complexelor cu fluor, constând din K2HFF6, K3HFF7, (NH4) 2HFF6 și (NH4) 3HFF7. Aceste complexe au fost utilizate pentru separarea zirconiului și a hafniului.
Compuși comuni:
Dioxid de hafnium: Nume Dioxid de Hafnium; Dioxid de hafnium; Formula moleculară: HFO2 [4]; Proprietate: pulbere albă cu trei structuri de cristal: monoclinic, tetragonal și cubic. Densitățile sunt 10,3, 10,1 și, respectiv, 10,43g/cm3. Punctul de topire 2780-2920k. Punct de fierbere 5400K. Coeficientul de expansiune termică 5.8 × 10-6/℃. Insolubil în apă, acid clorhidric și acid azotic, dar solubil în acid sulfuric concentrat și acid hidrofluoric. Produs prin descompunerea termică sau hidroliza compușilor precum sulfat de hafnium și oxiclorură de hafnium. Materii prime pentru producerea de aliaje de hafnium metalic și hafnium. Folosit ca materiale refractare, acoperiri anti radioactive și catalizatori. [5] Nivelul de energie atomică HFO este un produs obținut simultan la fabricarea nivelului de energie atomică ZRO. Pornind de la cloruirea secundară, procesele de purificare, reducere și distilare în vid sunt aproape identice cu cele ale zirconiului.
Tetraclorură de hafnium: Hafnium (IV) Clorură, Hafnium Tetraclorură Formula moleculară HFCL4 Greutate moleculară 320.30 Caracter: Bloc cristalin alb. Sensibil la umiditate. Solubil în acetonă și metanol. Hidroliz în apă pentru a produce oxiclorură de hafnium (HFOCL2). Se încălzește până la 250 ℃ și evaporați. Iritant pentru ochi, sistem respirator și piele.
Hidroxidul de hafnium: hidroxid de hafnium (H4HFO4), de obicei prezent ca un oxid hidratat HFO2 · NH2O, este insolubil în apă, ușor solubil în acizi anorganici, insolubil în amoniac și rar solubil în hidroxid de sodiu. Căldura până la 100 ℃ pentru a genera hidroxid de hafnium HFO (OH) 2. Precipitatul de hidroxid de hafnium alb poate fi obținut prin reacționarea sarei hafnium (IV) cu apă de amoniac. Poate fi utilizat pentru a produce alți compuși hafnium.
Istoricul cercetării
Istoricul descoperirii:
În 1923, chimistul suedez Hervey și fizicianul olandez D. Koster au descoperit hafnium în zircon produs în Norvegia și Groenlanda și l -a numit Hafnium, care provine din numele latin Hafnia din Copenhaga. În 1925, Hervey și Coster au separat zirconiul și titanul folosind metoda de cristalizare fracțională a sărurilor complexe fluorurate pentru a obține săruri de hafnium pure; Și reduceți sarea de hafnium cu sodiu metalic pentru a obține hafnium de metal pur. Hervey a pregătit un eșantion de mai multe miligrame de hafnium pur.
Experimente chimice pe zirconiu și hafnium:
Într-un experiment realizat de profesorul Carl Collins la Universitatea din Texas în 1998, s-a afirmat că gamma iradiată hafnium 178m2 (izomer Hafnium-178m2 [7]) poate elibera o energie enormă, care este cu cinci ordine de mărime mai mari decât reacțiile chimice, dar trei ordine de magnitudine mai mici decât reacțiile nucleare. [8] HF178M2 (Hafnium 178M2) are cea mai lungă durată de viață între izotopii similari cu o durată de lungă durată: HF178M2 (Hafnium 178M2) are un timp de înjumătățire de 31 de ani, rezultând o radioactivitate naturală de aproximativ 1,6 trilioane pentru căderi. Raportul lui Collins afirmă că un gram de HF178M2 pur (Hafnium 178M2) conține aproximativ 1330 megajoule, ceea ce este echivalent cu energia eliberată de explozia de 300 de kilograme de explozibili TNT. Raportul lui Collins indică faptul că toată energia din această reacție este eliberată sub formă de raze X sau raze gamma, care eliberează energie într-un ritm extrem de rapid, iar HF178M2 (Hafnium 178M2) poate reacționa în continuare la concentrații extrem de mici. [9] Pentagonul a alocat fonduri pentru cercetare. In the experiment, the signal-to-noise ratio was very low (with significant errors), and since then, despite multiple experiments by scientists from multiple organizations including the United States Department of Defense Advanced Projects Research Agency (DARPA) and JASON Defense Advisory Group [13], no scientist has been able to achieve this reaction under the conditions claimed by Collins, and Collins has not provided strong evidence to prove the existence of this reaction, Collins proposed a method of using induced gamma ray Emisia pentru a elibera energie de la HF178M2 (Hafnium 178M2) [15], dar alți oameni de știință au dovedit teoretic că această reacție nu poate fi obținută. [16] HF178M2 (Hafnium 178M2) se crede pe scară largă în comunitatea academică nu este o sursă de energie
Câmp de aplicație:
Hafniul este foarte util datorită capacității sale de a emite electroni, cum ar fi ca fiind utilizat ca filament în lămpile incandescente. Utilizați ca catod pentru tuburile cu raze X, iar aliajele de hafnium și tungsten sau molibden sunt utilizate ca electrozi pentru tuburi de descărcare de înaltă tensiune. Utilizat frecvent în industria de fabricație a sârmei de catod și tungsten pentru radiografii. Hafniul pur este un material important în industria energiei atomice datorită plasticității, procesării ușoare, rezistenței la temperatură ridicată și rezistenței la coroziune. Hafnium are o secțiune transversală de captare a neutronilor termici mari și este un absorbant ideal de neutroni, care poate fi utilizat ca tijă de control și dispozitiv de protecție pentru reactoarele atomice. Pulberea de hafnium poate fi folosită ca propulsor pentru rachete. Catodul tuburilor cu raze X poate fi fabricat în industria electrică. Aliajul Hafnium poate servi drept strat de protecție înainte pentru duze de rachetă și aeronave de reintrare a alunecării, în timp ce aliajul HF TA poate fi utilizat pentru fabricarea materialelor de oțel și de rezistență la instrumente. Hafniul este utilizat ca element aditiv în aliaje rezistente la căldură, cum ar fi tungstenul, molibdenul și tantal. HFC poate fi folosit ca aditiv pentru aliaje dure, datorită durității sale ridicate și a punctului de topire. Punctul de topire al 4TaCHFC este de aproximativ 4215 ℃, ceea ce îl face compusul cu cel mai mare punct de topire cunoscut. Hafnium poate fi folosit ca getter în multe sisteme de inflație. Hafnium Getters poate elimina gazele inutile, cum ar fi oxigenul și azotul prezent în sistem. Hafniul este adesea utilizat ca aditiv în ulei hidraulic pentru a preveni volatilizarea uleiului hidraulic în timpul operațiilor cu risc ridicat și are proprietăți anti-volatilitate puternice. Prin urmare, este utilizat în general în uleiul hidraulic industrial. Ulei hidraulic medical.
Elementul Hafnium este de asemenea utilizat în cel mai recent nanoprocesoare Intel 45. Datorită producției de dioxid de siliciu (SiO2) și a capacității sale de a reduce grosimea pentru a îmbunătăți continuu performanța tranzistorului, producătorii de procesoare folosesc dioxidul de siliciu ca material pentru dielectrice de poartă. Când Intel a introdus procesul de fabricație de 65 de nanometrul, deși a depus toate eforturile pentru a reduce grosimea poții de dioxid de siliciu dielectric la 1,2 nanometri, echivalent cu 5 straturi de atomi, dificultatea consumului de energie și disiparea de căldură ar crește, de asemenea, atunci când tranzistorul a fost redus la mărimea unui atom, rezultând deșeuri actuale și de energie de căldură inutilă. Prin urmare, dacă materialele curente sunt continuate să fie utilizate și grosimea este redusă în continuare, scurgerea dielectrică a porții va crește semnificativ, reducând tehnologia tranzistorului la limitele sale. Pentru a aborda această problemă critică, Intel intenționează să utilizeze materiale mai groase K (materiale pe bază de hafnium) ca dielectrice de poartă în loc de dioxid de siliciu, care a redus cu succes scurgerea de mai mult de 10 ori. În comparație cu generația anterioară de tehnologie de 65 nm, procesul de 45 nm al Intel crește densitatea tranzistorului cu aproape două ori, permițând o creștere a numărului total de tranzistoare sau o reducere a volumului procesorului. În plus, puterea necesară pentru comutarea tranzistorului este mai mică, reducând consumul de energie cu aproape 30%. Conexiunile interne sunt fabricate din sârmă de cupru, asociată cu K dielectric scăzut, îmbunătățind fără probleme eficiența și reducând consumul de energie, iar viteza de comutare este cu aproximativ 20% mai rapidă
Distribuție minerală:
Hafniul are o abundență de crustă mai mare decât metalele utilizate în mod obișnuit, cum ar fi bismutul, cadmiul și mercurul și este echivalent în conținut cu beriliu, germaniu și uraniu. Toate mineralele care conțin zirconiu conțin hafnium. Zircon utilizat în industrie conține 0,5-2% hafnium. Zirconul de beriliu (alvite) în minereu de zirconiu secundar poate conține până la 15% hafnium. Există, de asemenea, un tip de zircon metamorfic, cyrtolite, care conține peste 5% HFO. Rezervele ultimelor două minerale sunt mici și nu au fost încă adoptate în industrie. Hafniul este recuperat în principal în timpul producției de zirconiu.
Există în majoritatea minereurilor de zirconiu. [18] [19] Pentru că există foarte puțin conținut în crustă. Adesea coexistă cu zirconiu și nu are minereu separat.
Metoda de pregătire:
1. Poate fi preparat prin reducerea magneziului a tetraclorurii de hafnium sau a descompunerii termice a iodurii de hafnium. HFCL4 și K2HFF6 pot fi, de asemenea, utilizate ca materii prime. Procesul de producție electrolitică în topirea NaCl KCL HFCL4 sau K2HFF6 este similară cu cea a producției electrolitice de zirconiu.
2. Hafnium coexistă cu zirconiu și nu există materie primă separată pentru hafnium. Materia primă pentru fabricarea hafniului este oxid de hafnium brut separat în timpul procesului de fabricare a zirconiului. Extrageți oxid de hafnium folosind rășină de schimb de ioni, apoi folosiți aceeași metodă ca zirconiul pentru a pregăti hafniul metalic din acest oxid de hafnium.
3. Poate fi preparat prin încălzirea tetraclorurii de hafnium (HFCL4) cu sodiu prin reducere.
Primele metode de separare a zirconiului și a hafniului au fost cristalizarea fracțională a sărurilor complexe fluorurate și a precipitațiilor fracționate ale fosfatilor. Aceste metode sunt greoaie pentru a funcționa și sunt limitate la utilizarea de laborator. Noile tehnologii pentru separarea zirconiului și hafnium, cum ar fi distilarea fracționării, extracția de solvent, schimbul de ioni și adsorbția fracționării, au apărut una după alta, cu extracția de solvent fiind mai practică. Cele două sisteme de separare utilizate frecvent sunt sistemul de ciclohexanonă tiocianat și sistemul de acid azotic fosfat tributil. Produsele obținute prin metodele de mai sus sunt toate hidroxidul de hafnium, iar oxidul de hafnium pur poate fi obținut prin calcinare. Hafnium de înaltă puritate poate fi obținut prin metoda de schimb de ioni.
În industrie, producția de hafnium metalic implică adesea atât procesul Kroll, cât și procesul Debor Aker. Procesul Kroll implică reducerea tetraclorurii de hafnium folosind magneziu metalic:
2mg+hfcl4- → 2mgcl2+hf
Metoda Debor Aker, cunoscută și sub denumirea de metoda de iodizare, este utilizată pentru a purifica buretele precum hafniul și pentru a obține hafnium metalic maleabil.
5. Topirea hafniumului este practic aceeași cu cea a zirconiului:
Primul pas este descompunerea minereului, care implică trei metode: cloruirea zirconului pentru a obține (zr, hf) Cl. Topirea alcalinilor de zircon. Zirconul se topește cu NaOH la aproximativ 600, iar peste 90% din (Zr, HF) O se transformă în Na (Zr, HF) O, cu SiO transformat în NASIO, care este dizolvat în apă pentru îndepărtare. Na (Zr, HF) o poate fi utilizat ca soluție originală pentru separarea zirconiului și hafniumului după ce a fost dizolvat în HNO. Cu toate acestea, prezența coloidelor SiO face dificilă separarea extracției de solvent. Sinter cu ksif și înmuiere în apă pentru a obține soluție k (zr, hf) f. Soluția poate separa zirconiul și hafniul prin cristalizarea fracțională;
A doua etapă este separarea zirconiului și a hafniului, care poate fi obținută folosind metode de separare a extracției de solvent folosind sistemul MIBK cu acid clorhidric (metil izobutil cetonă) și sistemul HNO-TBP (tributil fosfat). Tehnologia fracționării cu mai multe etape folosind diferența de presiune a vaporilor dintre HFCL și ZRCL se topește sub presiune ridicată (peste 20 de atmosfere) a fost studiată de mult timp, ceea ce poate economisi procesul secundar de clorare și poate reduce costurile. Cu toate acestea, din cauza problemei de coroziune a (Zr, HF) CL și HCl, nu este ușor să găsiți materiale de coloană de fracționare adecvate și va reduce, de asemenea, calitatea ZRCL și HFCL, crescând costurile de purificare. În anii '70, a fost încă în stadiul de testare a plantelor intermediare;
Al treilea pas este clorurarea secundară a HFO pentru a obține HFCL brut pentru reducere;
Al patrulea pas este purificarea HFCL și reducerea magneziului. Acest proces este același cu purificarea și reducerea ZRCL, iar produsul semi-finisat rezultat este hafnium cu burete grosier;
A cincea etapă este de a vid distilează hafnium brut pentru a îndepărta MGCL și a recupera excesul de magneziu metalic, rezultând un produs finit al hafniului metalic cu burete. Dacă agentul de reducere folosește sodiu în loc de magneziu, al cincilea pas ar trebui schimbat în imersiunea în apă
Metoda de stocare:
Depozitați într -un depozit răcoros și ventilat. Ține -te departe de scântei și surse de căldură. Ar trebui să fie păstrat separat de oxidanți, acizi, halogeni etc. și să evite amestecarea depozitării. Utilizarea instalațiilor de iluminat și ventilație rezistente la explozie. Interzice utilizarea echipamentelor mecanice și a instrumentelor care sunt predispuse la scântei. Zona de depozitare trebuie să fie echipată cu materiale adecvate pentru a conține scurgeri.
Timpul post: 25-2023 septembrie