Гафний, Металлический HF, атомный номер 72, атомный вес 178,49, представляет собой блестящий серебряный серой переходной металл.
Hafnium имеет шесть естественных стабильных изотопов: Hafnium 174, 176, 177, 178, 179 и 180. Hafnium не реагирует с разбавленной соляной кислотой, разбавленной серной кислотой и сильными щелочными растворами, но растворимся в гидрофлюорийной кислоте и аква -режиме. Название элемента происходит от латинского имени города Копенгаген.
В 1925 году шведский химик Херви и голландский физик Костер получили чистую соль гафния путем фракционной кристаллизации фторированных сложных солей и уменьшили ее металлическим натрием для получения чисто металлического гафния. Гафний содержит 0,00045% земной коры и часто ассоциируется с цирконием в природе.
Название продукта: Хафния
Символ элемента: HF
Атомный вес: 178,49
Тип элемента: металлический элемент
Физические свойства:
Гафнийэто серебряный серый металл с металлическим блеском; Существует два варианта металлического гафния: α -хафний является гексагональным вариантом, тесно упакованным (1750 ℃) с более высокой температурой трансформации, чем цирконий. Металлический гафний имеет варианты аллотропы при высоких температурах. Металлический гафний имеет высокое поперечное сечение поглощения нейтронов и может использоваться в качестве контрольного материала для реакторов.
Существует два типа кристаллических структур: гексагональная плотная упаковка при температурах ниже 1300 ℃ (α-уравнение); При температуре выше 1300 ℃ это кубическое (β-уравнение). Металл с пластичностью, который затвердевает и становится хрупким в присутствии примесей. Стабильный в воздухе, только темнеет на поверхности при сжигании. Филаменты могут быть зажжены пламенем матча. Свойства аналогичны цирконию. Он не реагирует с водой, разбавленными кислотами или сильными основаниями, но легко растворим в аква -режиа и гидрофторической кислоте. В основном в соединениях с валентностью+4. Известно, что сплав Hafnium (TA4HFC5) имеет самую высокую температуру плавления (приблизительно 4215 ℃).
Кристаллическая структура: кристаллическая клетка является шестиугольной
Номер CAS: 7440-58-6
Точка плавления: 2227 ℃
Точка кипения: 4602 ℃
Химические свойства:
Химические свойства гафния очень похожи на свойства циркония, и он обладает хорошей коррозионной устойчивостью и не легко коррозируется общими кислотными щелочными водными растворами; Легко растворимся в гидрофлюорической кислоте с образованием фторированных комплексов. При высоких температурах гафний также может напрямую сочетаться с газами, такими как кислород и азот с образованием оксидов и нитридов.
Хафний часто имеет валентность+4 в соединениях. Основное соединениеоксид хафнияHFO2. Есть три различных варианта оксида гафния:оксид хафнияПолученная путем непрерывного прокаливания сульфата гафния и оксида хлорида является моноклинным вариантом; Оксид хафния, полученный путем нагрева гидроксида гафния при 400 ℃, является тетрагональным вариантом; Если кальцифицируется выше 1000 ℃, можно получить кубический вариант. Другое соединение естьГафний тетрахлорид, который является сырью для приготовления металлического гафния и может быть приготовлена путем реагирования газа хлора на смеси оксида гафния и углерода. Тетрахлорид гафний вступает в контакт с водой и сразу же гидролизует в высоко стабильные ионы HFO (4H2O) 2+. Ионы HFO2+существуют во многих соединениях гафния и могут кристаллизовать игольчатые гидратированные гидратированные гафниевые оксихлоридные кристаллы HFOCL2 · 8H2O в растворе гидрохлорной кислоты.
4-валентный хафний также подвержен формированию комплексов с фторидом, состоящим из K2HFF6, K3HFF7, (NH4) 2HFF6 и (NH4) 3HFF7. Эти комплексы были использованы для разделения циркония и гафния.
Общие соединения:
Диоксид гафния: название диоксид хафния; Диоксид хафния; Молекулярная формула: HFO2 [4]; Свойство: белый порошок с тремя кристаллическими структурами: моноклинные, тетрагональные и кубические. Плотность составляет 10,3, 10,1 и 10,43 г/см3 соответственно. Точка плавления 2780-2920K. Точка кипения 5400K. Коэффициент термического расширения 5,8 × 10-6/℃. Нерастворимый в воде, соляной кислоте и азотной кислоте, но растворим в концентрированной серной кислоте и гидрофлюорической кислоте. Производится тепловым разложением или гидролизом соединений, таких как сульфат гафния и оксихлорид гафния. Сырье для производства металлических гафнийских и сплавов гафния. Используется в качестве рефрактерных материалов, анти радиоактивных покрытий и катализаторов. [5] HFO уровня атомной энергии - это продукт, полученный одновременно при производстве ZRO. Начиная с вторичного хлорирования, процессы очистки, восстановления и вакуумной дистилляции практически идентичны цирконию.
Гафний тетрахлорид: Hafnium (IV) хлорид, гафний тетрахлоридная молекулярная формула HFCL4 Молекулярная масса 320.30 Характер: белый кристаллический блок. Чувствителен к влаге. Растворимый в ацетоне и метаноле. Гидролиза в воде с образованием оксихлорида гафний (HFOCL2). Нагреть до 250 ℃ и испариваться. Раздражая глаза, дыхательную систему и кожу.
Гидроксид хафния: гидроксид гафния (H4HFO4), обычно присутствующий в виде гидратированного оксида HFO2 · NH2O, нерастворим в воде, легко растворимся в неорганических кислотах, нерастворимых при аммии и редко растворимся при гидроксиде натрия. Нагреть до 100 ℃ для генерации гидроксида гафния HFO (OH) 2. Белый гидроксид -гидроксид белого гафния можно получить путем реагирования соли гафния (IV) с помощью аммиачной воды. Его можно использовать для получения других соединений хафния.
История исследований
История открытий:
В 1923 году шведский химик Херви и голландский физик Д. Костер обнаружили гафний в цирконе, произведенный в Норвегии и Гренландии, и назвал его Гафниумом, который возник из латинского названия Хафнии Копенгагена. В 1925 году Херви и Костер отделили цирконий и титан, используя метод фракционной кристаллизации фторированных сложных солей для получения чистых солей гафния; И уменьшить соль гафний с металлическим натрием для получения чисто металлического гафния. Херви приготовил образец из нескольких миллиграммов чистого гафния.
Химические эксперименты на цирконии и хафнии:
В эксперименте, проведенном профессором Карлом Коллинзом в Техасском университете в 1998 году, было утверждено, что гамма-облученное гафном 178M2 (изомер-гафний-178M2 [7]) может выделять огромную энергию, что на пять порядков выше, чем химические реакции, но три порядка более низких, чем ядерные реакции. [8] HF178M2 (Hafnium 178M2) имеет самый длинный срок службы среди аналогичных долгосрочных изотопов: HF178M2 (Hafnium 178m2) имеет период полураспада 31 года, что приводит к естественной радиоактивности приблизительно 1,6 триллиона Бекерелса. В отчете Коллинза говорится, что один грамм чистого HF178M2 (Hafnium 178m2) содержит приблизительно 1330 мегаджоулс, что эквивалентно энергии, высвобождаемой взрывом 300 килограммов взрывчатых веществ TNT. Отчет Коллинза указывает на то, что вся энергия в этой реакции выделяется в форме рентгеновских лучей или гамма-лучей, которые высвобождают энергию с чрезвычайно быстрой скоростью, а HF178M2 (Hafnium 178m2) все еще может реагировать при чрезвычайно низких концентрациях. [9] Пентагон выделил средства на исследования. В эксперименте соотношение сигнал / шум было очень низким (со значительными ошибками), и с тех пор, несмотря на многочисленные эксперименты ученых из нескольких организаций, включая Министерство обороны Соединенных Штатов. Эмиссия гамма -лучей для высвобождения энергии от HF178M2 (Hafnium 178m2) [15], но другие ученые теоретически доказали, что эта реакция не может быть достигнута. [16] HF178M2 (Hafnium 178m2) широко считается академическим сообществом не является источником энергии
Поле приложения:
Гафний очень полезен из -за его способности выделять электроны, например, как используется в качестве нити в лампах накаливания. Используется в качестве катода для рентгеновских труб, а сплавы гафния и вольфрамового или молибдена используются в качестве электродов для высоковольтных пробирков. Обычно используется в промышленности катодных и вольфрамовых проводов для рентгеновских лучей. Чистый хафний является важным материалом в атомной энергетической промышленности благодаря его пластичности, простой обработке, высокотемпературной стойкости и коррозионной стойкости. Hafnium имеет большой поперечный сечение улавливания тепловых нейтронов и является идеальным нейтроном, который можно использовать в качестве управляющего стержня и защитного устройства для атомных реакторов. Порошок хафния может использоваться в качестве топлива для ракет. Катод рентгеновских трубок может быть изготовлен в электрической промышленности. Сплав Hafnium может служить прямым защитным слоем для ракетных форсунок и самолетов для повторного входа, в то время как HF TA-сплав может использоваться для изготовления инструментальных стали и материалов сопротивления. Хафний используется в качестве аддитивного элемента в теплостойких сплавах, таких как вольфрамовый, молибден и тантал. HFC может использоваться в качестве добавки для твердых сплавов из -за высокой твердости и температуры плавления. Точка плавления 4TACHFC составляет приблизительно 4215 ℃, что делает ее соединением с самой высокой известной темой плавления. Гэфний может использоваться в качестве гербатиста во многих системах инфляции. Гетчики Гэфния могут удалять ненужные газы, такие как кислород и азот, присутствующие в системе. Гэфний часто используется в качестве добавки в гидравлическом масле для предотвращения улетучивания гидравлического масла во время операций высокого риска и обладает сильными против волатильности. Следовательно, он обычно используется в промышленном гидравлическом масле. Медицинское гидравлическое масло.
Элемент Hafnium также используется в последних нанопроцессорах Intel 45. Из -за производства диоксида кремния (SIO2) и его способности уменьшать толщину для постоянного повышения производительности транзистора, производители процессоров используют диоксид кремния в качестве материала для диэлектриков затвора. Когда Intel ввел процесс производства 65 нанометра, хотя он приложил все усилия, чтобы уменьшить толщину диоксида диоксида кремния до 1,2 нанометров, что эквивалентно 5 слоям атомов, сложность энергопотребления и диссипация на тепло также увеличится, когда транзистор уменьшался до размера атома, в результате возобновляется в текущем и не определенном энергии. Следовательно, если текущие материалы будут продолжаться, а толщина дополнительно уменьшается, утечка диэлектрика затвора значительно увеличится, что увеличит технологию транзистора в свои пределы. Чтобы решить эту критическую проблему, Intel планирует использовать более толстые материалы с высоким K (материалы на основе гафния) в качестве диэлектриков затвора вместо диоксида кремния, который успешно снизил утечку более чем в 10 раз. По сравнению с предыдущим поколением 65 -нм технологии 45 -нм процесс Intel увеличивает плотность транзистора почти в два раза, что позволяет увеличить общее количество транзисторов или уменьшение объема процессора. Кроме того, мощность, необходимая для переключения транзистора, ниже, снижая энергопотребление почти на 30%. Внутренние соединения изготовлены из медного провода в сочетании с низким диэлектрическим, плавно повышенным эффективностью и снижением энергопотребления, а скорость переключения примерно на 20% быстрее
Распределение минералов:
Гафний имеет более высокое содержание коры, чем обычно используемые металлы, такие как висмут, кадмий и ртуть, и эквивалентен содержанию бериллия, германия и урана. Все минералы, содержащие цирконий, содержат хафний. Циркон, используемый в промышленности, содержит 0,5-2% хафния. Бериллийский циркон (альвит) во вторичной цирконной руде может содержать до 15% хафния. Существует также тип метаморфического циркона, Cyrtolite, который содержит более 5% HFO. Запасы последних двух минералов небольшие и еще не были приняты в промышленности. Гафний в основном восстанавливается во время производства циркония.
Он существует в большинстве руд циркония. [18] [19] Потому что в коре очень мало контента. Он часто сосуществует с цирконием и не имеет отдельной руды.
Метод подготовки:
1. Это может быть приготовлено путем восстановления магния тетрахлорида гафния или термического разложения йодида гафния. HFCL4 и K2HFF6 также могут использоваться в качестве сырья. Процесс электролитического производства в расплаве NaCl KCL HFCL4 или K2HFF6 аналогичен процессу электролитического производства циркония.
2. Хафний сосуществует с цирконом, и нет отдельного сырья для хафния. Сырье для производства гафния представляет собой грубый оксид гафния, разделенную в процессе производства циркония. Экстракт оксида гафния с использованием ионной обменной смолы, а затем используйте тот же метод, что и цирконий для приготовления металлического гафния из этого оксида гафния.
3. Это может быть приготовлено с помощью тетрахлорида гафния (HFCL4) с нагреванием на натрие за счет восстановления.
Самыми ранними методами разделения циркония и гафния была фракционная кристаллизация фторированных сложных солей и фракционное осаждение фосфатов. Эти методы обременительны для работы и ограничены лабораторным использованием. Новые технологии для разделения циркония и гафния, такие как дистилляция фракционирования, экстракция растворителя, обмен ионов и адсорбция фракционирования, появились один за другим, при этом извлечение растворителя является более практичным. Две обычно используемые системы разделения - это тиоцианат -циклогексаноновая система и система азотной кислоты трибутилафосфата. Продукты, полученные вышеуказанными методами, представляют собой гидроксид гафния, а чистый оксид гафния может быть получен путем прокалывания. Высокая чистота Hafnium может быть получен методом ионообменного обмена.
В промышленности производство металлического гафния часто включает в себя как процесс Кролл, так и процесс Debor Aker. Процесс Кролла включает в себя снижение тетрахлорида гафния с использованием металлического магния:
2 мг+hfcl4- → 2mgcl2+hf
Метод Debor Aker, также известный как метод йодизации, используется для очистки губки, такой как гафний и получение металлического металлического гафния.
5. Крыло плавки гафния в основном такое же, как и у циркония:
Первым шагом является разложение руды, которая включает в себя три метода: хлорирование циркона для получения (ZR, HF) Cl. Щелочное плавление циркона. Циркон плавится с NaOH примерно на 600, а более 90% (Zr, Hf) O превращается в Na (Zr, Hf) O, с SIO, трансформированным в Nasio, который растворяется в воде для удаления. NA (ZR, HF) O может использоваться в качестве исходного раствора для разделения циркония и гафния после растворения в HNO. Однако наличие коллоидов SIO затрудняет разделение экстракции растворителя. Спекание с KSIF и впитывание в воде, чтобы получить раствор K (Zr, HF) F. Раствор может отделять цирконий и гафний посредством дробной кристаллизации;
Второй этап-это разделение циркония и гафния, которое может быть достигнуто с использованием методов разделения экстракции растворителя с использованием системы Mibk (метил изобутил кетона) и системы HNO-TBP (трибутилофосфат). Технология многоэтапного фракционирования с использованием разницы в давлении паров между HFCL и ZRCL растягивается под высоким давлением (выше 20 атмосфер), давно изучалась, что может сэкономить вторичный процесс хлорирования и снизить затраты. Однако из -за проблемы коррозии (ZR, HF) CL и HCL нелегко найти подходящие материалы из колонны фракционирования, а также снизит качество ZRCL и HFCL, увеличивая затраты на очистку. В 1970 -х годах он все еще находился на промежуточной стадии тестирования растений;
Третий шаг - вторичное хлорирование HFO для получения грубого HFCL для уменьшения;
Четвертый шаг - очистка HFCL и уменьшения магния. Этот процесс такой же, как у очистки и восстановления ZRCL, а полученный полуфабрикат является грубым губчатым гафнием;
Пятый шаг - вакуумная дистилльная грубая губка для удаления MGCL и восстановления лишнего металлического магния, что приводит к готовому продукту губчатого металлического гафния. Если восстановительный агент использует натрий вместо магния, пятый шаг следует изменить на погружение в воду
Метод хранения:
Храните в прохладном и вентилируемом складе. Держите подальше от искры и источников тепла. Его следует хранить отдельно от окислителей, кислот, галогенов и т. Д., А также избегать смешивания хранения. Использование взрывозащищенного освещения и вентиляционных средств. Запретите использование механического оборудования и инструментов, которые склонны к искрым. Зона хранения должна быть оборудована подходящими материалами для содержания утечек.
Время публикации: сентябрь-25-2023