Hafnium, kovina HF, atomska številka 72, atomska teža 178,49, je sijoča srebrna siva prehodna kovina.
Hafnium ima šest naravno stabilnih izotopov: hafnium 174, 176, 177, 178, 179 in 180. Hafnium ne reagira z razredčeno klorovodikovo kislino, razredčeno sulfurično kislino in močnimi alkalnimi raztopinami, vendar je topno v hidrofluorni kislini. Ime elementa izvira iz latinskega imena v Københavnem mestu.
Leta 1925 sta švedski kemik Hervey in nizozemski fizik Koster s frakcijsko kristalizacijo fluoriranih kompleksnih soli pridobila čisto hafnijsko sol in jo zmanjšala s kovinskim natrijem, da bi dosegla čisti kovinski hafnij. Hafnium vsebuje 0,00045% Zemljine skorje in je pogosto povezan s cirkonijem v naravi.
Ime izdelka: Hafnium
Simbol elementa: hf
Atomska teža: 178,49
Vrsta elementa: kovinski element
Fizične lastnosti:
Hafniumje srebrna siva kovina s kovinskim sijajem; Obstajata dve različici kovinskega hafnija: α hafnium je šesterokotna tesno pakirana varianta (1750 ℃) z višjo temperaturo transformacije kot cirkonij. Kovinski hafnij ima različice alotropa pri visokih temperaturah. Kovinski hafnium ima visok nevtronski absorpcijski presek in se lahko uporablja kot kontrolni material za reaktorje.
Obstajata dve vrsti kristalnih struktur: šesterokotno gosto pakiranje pri temperaturah pod 1300 ℃（ α-enačbo); Pri temperaturah nad 1300 ℃ je kubična （β-enačba v telesu). Kovina s plastičnostjo, ki se strdi in postane krhka v prisotnosti nečistoč. Stabilno v zraku, na površini le zatemni le, ko ga opečete. Filamente se lahko vžgejo s plamenom tekme. Lastnosti, podobne cirkoniju. Ne reagira z vodo, razredčenimi kislinami ali močnimi osnovami, ampak je zlahka topna v Aqua Regia in the the Cydrofluors kislini. Predvsem v spojinah z+4 valenco. Znano je, da ima Hafnium zlitina (TA4HFC5) najvišjo tališče (približno 4215 ℃).
Kristalna struktura: kristalna celica je šesterokotna
Številka CAS: 7440-58-6
Talilna točka: 2227 ℃
Vrelišča: 4602 ℃
Kemične lastnosti:
Kemične lastnosti hafnija so zelo podobne lastnosti cirkonija in ima dobro korozijsko odpornost in jih ni enostavno korodirati s splošnimi kislimi alkalijskimi vodnimi raztopinami; Z lahkotopno topno v fluorovo kislino, da tvori fluorirane komplekse. Pri visokih temperaturah se lahko hafnium neposredno združi s plini, kot sta kisik in dušik, da tvori okside in nitride.
Hafnium ima pogosto valenco+4 v spojinah. Glavna spojina jeHafnijev oksidHFO2. Obstajajo tri različne različice hafnijevega oksida:Hafnijev oksidPridobljeno z neprekinjenim kalcinacijo hafnijevega sulfata in kloridnega oksida je monoklinična varianta; Hafnijev oksid, dobljen s segrevanjem hidroksida hafnija pri približno 400 ℃, je tetragonalna varianta; Če je kalciniran nad 1000 ℃, lahko dobite kubično varianto. Druga spojina jeHafnium tetraklorid, ki je surovina za pripravo kovinskega hafnija in ga je mogoče pripraviti z reakcijo klora na mešanici hafnijevega oksida in ogljika. Hafnium tetraklorid pride v stik z vodo in takoj hidrolizira v zelo stabilne HFO (4H2O) 2+ione. HFO2+ioni obstajajo v številnih spojinah hafnija in lahko kristalizirajo hidrirane hafnijeve oksikloridne kristale HFOCL2 · 8H2O v kristalu v raztopini tetraklorida, ki je zakimala v klorovodikovi kislini.
4-valentni hafnij je tudi nagnjen k oblikovanju kompleksov s fluoridom, sestavljen iz K2HFF6, K3HFF7, (NH4) 2HFF6 in (NH4) 3HFF7. Ti kompleksi so bili uporabljeni za ločitev cirkonija in hafnija.
Skupne spojine:
Hafnium dioksid: ime hafnium dioksid; Hafnium dioksid; Molekularna formula: HFO2 [4]; Lastnost: beli prah s tremi kristalnimi strukturami: monoklinično, tetragonalno in kubično. Gostoti so 10,3, 10,1 in 10,43 g/cm3. Tališča 2780-2920K. Vrelišča 5400K. Koeficient toplotne ekspanzije 5,8 × 10-6/℃. Netopna v vodi, klorovodikovo kislino in dušikovo kislino, vendar topna v koncentrirani žveplovi kislini in bistveni kislini. Proizveden s toplotno razgradnjo ali hidrolizo spojin, kot sta hafnijev sulfat in hafnijev oksiklorid. Surovine za proizvodnjo kovinskih zlitin in hafnijevih zlitin. Uporablja se kot ognjevzdržni materiali, antioaktivni premazi in katalizatorji. [5] Atomska raven energije HFO je izdelek, ki ga dobimo hkrati pri proizvodnji atomske energijske ravni zro. Od sekundarne kloriranja so procesi čiščenja, redukcije in destilacije vakuuma skoraj enaki procesom cirkonija.
Hafnium tetraklorid: Hafnium (IV) Klorid, molekularna formula tetraklorida tetraklorida HFCL4 Molekularna masa 320,30 Znak: beli kristalni blok. Občutljivo na vlago. Topno v acetonu in metanolu. Hidroliza v vodi, da nastane hafnijev oksiklorid (HFOCL2). Segrejte na 250 ℃ in izhlapete. Draži oči, dihalni sistem in kožo.
Hafnijev hidroksid: hafnijev hidroksid (H4HFO4), ki je običajno prisoten kot hidrirani oksid HFO2 · NH2O, je netopen v vodi, zlahka topen v anorganskih kislinah, netopna v amoniaku in redko topna v sodijevem hidroksidu. Segrevanje do 100 ℃ za ustvarjanje hafnijevega hidroksida HFO (OH) 2. oborino belega hafnijevega hidroksida lahko dobimo z reakcijo hafnijevega (iv) soli z amoniakovo vodo. Uporablja se lahko za proizvodnjo drugih hafnijevih spojin.
Zgodovina raziskovanja
Zgodovina odkritja:
Leta 1923 sta švedski kemik Hervey in nizozemski fizik D. Koster odkrila hafnij v cirkonu, ki je proizvajal na Norveškem in na Grenlandiji, in ga poimenovala Hafnium, ki izvira iz latinskega imena Hafnia iz Kopenhagna. Leta 1925 sta Hervey in Coster ločila cirkonija in titana z uporabo metode frakcijske kristalizacije fluoriranih kompleksnih soli, da bi dobili čiste hafnijeve soli; In zmanjšajte hafnijevo sol s kovinskim natrijem, da dobite čisti kovinski hafnij. Hervey je pripravil vzorec več miligramov čistega hafnija.
Kemični poskusi na cirkoniju in hafniju:
V poskusu, ki ga je leta 1998 izvedel profesor Carl Collins na Univerzi v Teksasu, je bilo trditi, da lahko gama obsevana hafnium 178m2 (izomer hafnium-178m2 [7]) sprosti ogromno energije, kar je pet vrst večje od kemijskih reakcij, vendar tri zaporedje, vendar tri zaporedje, vendar so trije zaporedji velikosti nižje kot jedrne reakcije. [8] HF178M2 (HAFNIUM 178M2) ima najdaljšo življenjsko dobo med podobnimi dolgotrajnimi izotopi: HF178M2 (Hafnium 178M2) ima 31 let razpolovni čas, kar ima za posledico naravno radioaktivnost približno 1,6 trilijona becquerel. Collinsovo poročilo navaja, da en gram čistega HF178M2 (hafnium 178m2) vsebuje približno 1330 megajoulov, kar je enakovredno energiji, ki jo sprošča eksplozija 300 kilogramov eksploziva TNT. Collinovo poročilo kaže, da se vsa energija v tej reakciji sprosti v obliki rentgenskih žarkov ali gama žarkov, ki sproščajo energijo z izjemno hitro hitrostjo, HF178M2 (hafnium 178m2) pa lahko še vedno reagira v izjemno nizkih koncentracijah. [9] Pentagon je dodelil sredstva za raziskave. V poskusu je bilo razmerje med signalom in šumom zelo nizko (z velikimi napakami), in od takrat, kljub več poskusom znanstvenikov več organizacij, vključno z ameriško ministrstvom za obrambne projekti, raziskovalna agencija za napredne projekte (DARPA) in Jasonovo obrambno svetovalno skupino [13], noben znanstvenik ni mogel doseči te reakcije, ki jih Collins ne bi predlagal, da bi se ne bo pojavil, da bi se lahko pojavil močni dokazi, da ne bi dali, da bi se lahko pojavili močni dokazi, da bi se lahko pojavili močni dokazi o tem Emisija gama žarkov za sproščanje energije iz HF178M2 (HAFNIUM 178M2) [15], vendar so drugi znanstveniki teoretično dokazali, da te reakcije ni mogoče doseči. [16] HF178M2 (hafnium 178m2) je na splošno verjel, da akademska skupnost ni vir energije
Polje prijave:
Hafnium je zelo koristen zaradi svoje sposobnosti oddajanja elektronov, na primer kot kot filament v žarnicah z žarilnimi žarnicami. Uporablja se kot katoda za rentgenske cevi, zlitine hafnija in volframa ali molibdena pa se uporabljajo kot elektrode za cevi z visoko napetostjo. Običajno se uporablja v industriji proizvodnje katode in volframove žice za rentgenske žarke. Čisti hafnij je pomemben material v industriji atomske energije zaradi svoje plastičnosti, enostavne obdelave, visoke temperaturne odpornosti in korozijske odpornosti. Hafnium ima velik prerez toplotnega nevtrona in je idealen absorber nevtronov, ki se lahko uporablja kot kontrolna palica in zaščitna naprava za atomske reaktorje. Hafnijev prah se lahko uporablja kot pogonsko gorivo za rakete. Katoda rentgenskih cevi je mogoče izdelati v električni industriji. Hafnium zlitina lahko služi kot zaščitna plast naprej za raketne šobe in letala za ponovni vstop z drsenjem, medtem ko se lahko zlitina HF Ta uporablja za izdelavo jekla in uporovnih materialov. Hafnium se uporablja kot aditivni element v toplotno odpornih zlitinah, kot so volfram, molibden in tantal. HFC se lahko uporablja kot dodatek za trde zlitine zaradi visoke trdote in tališča. Tališče 4Tachfc je približno 4215 ℃, zaradi česar je spojina z najvišjo znano tališče. Hafnium se lahko uporablja kot pridobivanje v številnih inflacijskih sistemih. Hafnium Getters lahko odstranijo nepotrebne pline, kot sta kisik in dušik, ki so prisotni v sistemu. Hafnium se pogosto uporablja kot dodatek v hidravličnem olju, da se prepreči hlapnost hidravličnega olja med operacijami z visokim tveganjem in ima močne lastnosti proti hlapnosti. Zato se običajno uporablja v industrijskem hidravličnem olju. Medicinsko hidravlično olje.
Element Hafnium se uporablja tudi v najnovejših nanoprocesorjih Intel 45. Zaradi proizvodnje silicijevega dioksida (SIO2) in njegove sposobnosti zmanjšanja debeline na nenehno izboljševanje zmogljivosti tranzistorjev proizvajalci procesorjev uporabljajo silicijev dioksid kot material za dielektrike vrat. Ko je Intel uvedel postopek izdelave 65 nanometrov, čeprav se je trudil zmanjšati debelino dielektrika silicijevega dioksida na 1,2 nanometrov, kar je enakovrednih 5 plasti atomov, bi se težava porabe energije in disipacije toplote povečala tudi na tranzistor, ki se je zmanjšala na odpadke. Če se torej še naprej uporabljajo trenutni materiali in se debelina še zmanjša, se bo puščanje dielektrika vrat znatno povečalo, kar bo zmanjšalo tranzistorsko tehnologijo na njene meje. Za reševanje tega kritičnega vprašanja Intel načrtuje, da bo uporabil debelejše visoke K materiale (materiali na osnovi hafnija) kot dielektrike vrat namesto silicijevega dioksida, ki je uspešno zmanjšal uhajanje za več kot 10 -krat. V primerjavi s prejšnjo generacijo 65Nm tehnologije 45NM postopek poveča gostoto tranzistorjev za skoraj dvakrat, kar omogoča povečanje skupnega števila tranzistorjev ali zmanjšanje volumna procesorja. Poleg tega je moč, potrebna za preklapljanje tranzistorjev, nižja, kar zmanjšuje porabo energije za skoraj 30%. Notranje povezave so narejene iz bakrene žice, povezane z nizkim k dielektričnim, nemoteno izboljšuje učinkovitost in zmanjšanje porabe energije, hitrost preklopa pa je približno 20% hitrejša
Porazdelitev mineralov:
Hafnium ima večje obilico skorje kot običajno uporabljene kovine, kot so bizmut, kadmij in živo srebro, in je v vsebini enakovreden beriliju, germaniju in uranu. Vsi minerali, ki vsebujejo cirkonij, vsebujejo hafnij. Circon, ki se uporablja v industriji, vsebuje 0,5-2% hafnija. Berlijev cirkon (alvit) v sekundarni cirkonijevi rudi lahko vsebuje do 15% hafnija. Obstaja tudi vrsta metamorfnega cirkona, cirtolita, ki vsebuje več kot 5% HFO. Rezerve zadnjih dveh mineralov so majhne in še niso bile sprejete v industriji. Hafnium se v glavnem okreva med proizvodnjo cirkonija.
Obstaja v večini cirkonijevih rud. [18] [19] Ker je v skorji zelo malo vsebine. Pogosto sobiva s cirkonijem in nima ločene rude.
Način priprave:
1. Pripravimo ga lahko z magnezijevim redukcijo hafnijevega tetraklorida ali toplotnim razpadom hafnijevega jodida. HFCL4 in K2HFF6 se lahko uporabljata tudi kot surovine. Proces elektrolitične proizvodnje v talini NaCl KCL HFCL4 ali K2HFF6 je podoben postopku elektrolitske proizvodnje cirkonija.
2. Hafnium sobiva s cirkonijem in za hafnij ni ločenih surovin. Surovi za proizvodnjo hafnium je surovi hafnijev oksid, ločen med proizvodnjo cirkonija. Izvlecite hafnijev oksid z uporabo ionske izmenjave smole in nato uporabite isto metodo kot cirkonij za pripravo kovinskega hafnija iz tega hafnijevega oksida.
3. Pripravimo ga lahko s segrevanjem hafnijevega tetraklorida (HFCL4) z natrijem z redukcijo.
Najzgodnejše metode za ločevanje cirkonija in hafnija so bile frakcijska kristalizacija fluoriranih kompleksnih soli in delne padavine fosfatov. Te metode so okorne za delovanje in so omejene na laboratorijsko uporabo. Pojavile so se nove tehnologije za ločevanje cirkonija in hafnija, kot so destilacija frakcioniranja, ekstrakcija topila, izmenjava ionov in adsorpcija frakcioniranja, saj je bila ekstrakcija topila bolj praktična. Dva pogosto uporabljena ločitvena sistema sta sistem cikloheksanona tiocianata in sistem tributil fosfatne dušikove kisline. Izdelki, dobljeni z zgornjimi metodami, so vsi hafnijevi hidroksid, čisti hafnijev oksid pa lahko dobimo s kalcinacijo. Hafnij z visoko čistostjo lahko dobimo z metodo izmenjave ionov.
V industriji proizvodnja kovinskega hafnija pogosto vključuje tako Kroll proces kot tudi proces Debor Aker. Postopek Kroll vključuje zmanjšanje tetraklorida hafnija z uporabo kovinskega magnezija:
2MG+HFCL4- → 2MGCL2+HF
Metoda Debor Akerja, znana tudi kot metoda jodizacije, se uporablja za čiščenje gobice, kot je hafnium in pridobivanje kovinskega hafnija.
5. Talinje hafnija je v bistvu enako kot pri cirkoniju:
Prvi korak je razgradnja rude, ki vključuje tri metode: kloriranje cirkona za pridobitev (zr, hf) Cl. Alkalno taljenje cirkona. Cirkon se topi z NaOH pri približno 600, več kot 90% (Zr, HF) O pa se pretvori v Na (Zr, Hf) O, s SIO, ki se pretvori v Nasio, ki se raztopi v vodi za odstranjevanje. Na (ZR, HF) O se lahko uporabijo kot prvotna rešitev za ločevanje cirkonija in hafnija, potem ko se raztopijo v hno. Vendar pa prisotnost SIO koloidov otežuje ločitev ekstrakcije topila. Sintra s KSIF in namočite v vodi, da dobite raztopino K (ZR, HF) F. Raztopina lahko s frakcijsko kristalizacijo loči cirkonij in hafnij;
Drugi korak je ločitev cirkonija in hafnija, ki jo je mogoče doseči z uporabo metod ločevanja ekstrakcije topila z uporabo sistema mibkk klorovodikove kisline (metil izobutil ketona) in sistema HNO-TBP (tributil fosfat). Tehnologija večstopenjskega frakcioniranja z uporabo razlike v parni tlaku med HFCL in ZRCL talilnimi topi pod visokim tlakom (nad 20 atmosferi) je že dolgo preučena, kar lahko prihrani sekundarni postopek kloriranja in zmanjša stroške. Vendar zaradi problema korozije (ZR, HF) Cl in HCl ni enostavno najti ustreznih materialov za frakcioniranje stolpcev, poleg tega pa bo zmanjšalo tudi kakovost Zrcl in HFCL, kar je povečalo stroške čiščenja. V 70. letih prejšnjega stoletja je bilo še v fazi vmesnega testiranja rastlin;
Tretji korak je sekundarna kloriranja HFO za pridobitev surovega HFCL za zmanjšanje;
Četrti korak je čiščenje zmanjšanja HFCL in magnezija. Ta postopek je enak čiščenju in zmanjšanju ZRCL, nastali pol konfinirani izdelek pa je grobi goba hafnium;
Peti korak je, da se vakuumski destilirani surovi gobici Hafnium odstrani MGCL in povrne odvečni kovinski magnezij, kar ima za posledico končni produkt gobice kovinskega hafnija. Če reducirsko sredstvo namesto magnezija uporablja natrij, je treba peti korak spremeniti v potopitev vode
Način shranjevanja:
Shranjujte v hladnem in prezračevanem skladišču. Ohranite stran od iskric in virov toplote. Shranjujejo ga ločeno od oksidantov, kislin, halogenov itd. In izogibajte se mešanju skladiščenja. Uporaba razsvetljave in prezračevalnih zmogljivosti. Prepovedati uporabo mehanske opreme in orodij, ki so nagnjena k iskri. Območje za shranjevanje mora biti opremljeno z ustreznimi materiali, ki vsebujejo puščanje.
Čas objave: SEP-25-2023