Хафнијум, метал Хф, атомски број 72, атомска тежина 178,49, је сјајни сребрно сиви прелазни метал.
Хафнијум има шест природно стабилних изотопа: хафнијум 174, 176, 177, 178, 179 и 180. Хафнијум не реагује са разблаженом хлороводоничном киселином, разблаженом сумпорном киселином и јаким алкалним растворима, али је растворљив у флуороводоничкој киселини и води. Име елемента потиче од латинског имена града Копенхагена.
Године 1925. шведски хемичар Херви и холандски физичар Костер су добили чисту хафнијумову со фракционом кристализацијом флуорованих комплексних соли и редуковали је металним натријумом да би добили чисти метални хафнијум. Хафнијум садржи 0,00045% земљине коре и често се повезује са цирконијумом у природи.
Назив производа: хафнијум
Симбол елемента: Хф
Атомска тежина: 178,49
Тип елемента: метални елемент
Физичка својства:
Хафнијумје сребрно сиви метал са металним сјајем; Постоје две варијанте металног хафнијума: α Хафнијум је хексагонална тесно збијена варијанта (1750 ℃) са вишом температуром трансформације од цирконијума. Метални хафнијум има алотропне варијанте на високим температурама. Метални хафнијум има велики попречни пресек апсорпције неутрона и може се користити као контролни материјал за реакторе.
Постоје две врсте кристалних структура: хексагонално густо паковање на температурама испод 1300 ℃ (α-једначина); На температурама изнад 1300 ℃, он је кубичан са телом (β-једначина). Метал са пластиком који се стврдњава и постаје крт у присуству нечистоћа. Стабилан на ваздуху, само потамни на површини када се изгори. Филаменти се могу запалити пламеном шибице. Својства слична цирконијуму. Не реагује са водом, разблаженим киселинама или јаким базама, али је лако растворљив у царској води и флуороводоничкој киселини. Углавном у једињењима са а+4 валенце. Познато је да легура хафнијума (Та4ХфЦ5) има највишу тачку топљења (приближно 4215 ℃).
Кристална структура: Кристална ћелија је хексагонална
ЦАС број: 7440-58-6
Тачка топљења: 2227 ℃
Тачка кључања: 4602 ℃
Хемијска својства:
Хемијска својства хафнијума су веома слична онима цирконијума, и има добру отпорност на корозију и није лако кородирати општим киселим алкалним воденим растворима; Лако растворљив у флуороводоничкој киселини да би се формирали флуоровани комплекси. На високим температурама, хафнијум се такође може директно комбиновати са гасовима као што су кисеоник и азот да би се формирали оксиди и нитриди.
Хафнијум често има валенцију +4 у једињењима. Главно једињење јехафнијум оксидХфО2. Постоје три различите варијанте хафнијум оксида:хафнијум оксиддобијен континуираним калцинацијом хафнијум сулфата и хлорид оксида је моноклинска варијанта; Хафнијум оксид добијен загревањем хидроксида хафнијума на око 400 ℃ је тетрагонална варијанта; Ако се калцинише изнад 1000 ℃, може се добити кубична варијанта. Друго једињење јехафнијум тетрахлорид, који је сировина за припрему металног хафнијума и може се припремити реакцијом гасовитог хлора на мешавини хафнијум оксида и угљеника. Хафнијум тетрахлорид долази у контакт са водом и одмах хидролизује у високо стабилне ХфО (4Х2О) 2+ јоне. ХфО2+ јони постоје у многим једињењима хафнијума и могу да кристалишу игличасти хидратисани хафнијум оксихлорид ХфОЦл2 · 8Х2О кристале у раствору хафнијум тетрахлорида закисељеног хлороводоничном киселином.
4-валентни хафнијум је такође склон формирању комплекса са флуоридом, који се састоје од К2ХфФ6, К3ХфФ7, (НХ4) 2ХфФ6 и (НХ4) 3ХфФ7. Ови комплекси су коришћени за одвајање цирконијума и хафнијума.
Уобичајена једињења:
Хафнијум диоксид: назив Хафнијум диоксид; Хафнијум диоксид; Молекуларна формула: ХфО2 [4]; Својство: Бели прах са три кристалне структуре: моноклинском, тетрагоналном и кубичном. Густине су 10,3, 10,1 и 10,43 г/цм3, респективно. Тачка топљења 2780-2920К. Тачка кључања 5400К. Коефицијент топлотне експанзије 5,8 × 10-6/℃. Нерастворљив у води, хлороводоничкој киселини и азотној киселини, али растворљив у концентрованој сумпорној киселини и флуороводоничкој киселини. Произведен термичким разлагањем или хидролизом једињења као што су хафнијум сулфат и хафнијум оксихлорид. Сировине за производњу металног хафнијума и легура хафнијума. Користе се као ватростални материјали, антирадиоактивни премази и катализатори. [5] Ниво атомске енергије ХфО је производ добијен истовремено при производњи нивоа атомске енергије ЗрО. Почевши од секундарног хлорисања, процеси пречишћавања, редукције и вакуум дестилације су скоро идентични онима код цирконијума.
Хафнијум тетрахлорид: Хафнијум (ИВ) хлорид, Хафнијум тетрахлорид Молекуларна формула ХфЦл4 Молекулска тежина 320,30 Карактер: Бели кристални блок. Осетљив на влагу. Растворљив у ацетону и метанолу. Хидролизуј у води да би се добио хафнијум оксихлорид (ХфОЦл2). Загрејати на 250 ℃ и испарити. Иритира очи, респираторни систем и кожу.
Хафнијум хидроксид: Хафнијум хидроксид (Х4ХфО4), обично присутан као хидратисани оксид ХфО2 · нХ2О, нерастворљив је у води, лако растворљив у неорганским киселинама, нерастворљив у амонијаку и ретко растворљив у натријум хидроксиду. Загрејати на 100 ℃ да би се добио хафнијум хидроксид ХфО (ОХ) 2. Бели преципитат хафнијум хидроксида се може добити реакцијом соли хафнијум (ИВ) са амонијачном водом. Може се користити за производњу других једињења хафнијума.
Истраживања историје
Историја открића:
Шведски хемичар Херви и холандски физичар Д. Костер открили су 1923. године хафнијум у циркону произведеном у Норвешкој и Гренланду и назвали га хафнијум, који потиче од латинског назива Хафнија из Копенхагена. Године 1925. Хервеи и Цостер су раздвојили цирконијум и титанијум користећи методу фракционе кристализације флуорованих комплексних соли да би добили чисте соли хафнијума; И редукујте со хафнијума металним натријумом да бисте добили чисти метални хафнијум. Хервеи је припремио узорак од неколико милиграма чистог хафнијума.
Хемијски експерименти на цирконијуму и хафнијуму:
У експерименту који је спровео професор Карл Колинс на Универзитету Тексас 1998. године, тврдило се да гама озрачени хафнијум 178м2 (изомер хафнијума-178м2 [7]) може да ослободи огромну енергију, која је пет редова величине већа од хемијских реакција, али три реда величине ниже од нуклеарних реакција. [8] Хф178м2 (хафнијум 178м2) има најдужи животни век међу сличним дуговечним изотопима: Хф178м2 (хафнијум 178м2) има полуживот од 31 годину, што резултира природном радиоактивношћу од приближно 1,6 трилиона бекерела. Колинсов извештај наводи да један грам чистог Хф178м2 (хафнијума 178м2) садржи приближно 1330 мегаџула, што је еквивалентно енергији ослобођеној експлозијом 300 килограма ТНТ експлозива. Колинсов извештај указује да се сва енергија у овој реакцији ослобађа у облику рендгенских или гама зрака, који ослобађају енергију изузетно великом брзином, а Хф178м2 (хафнијум 178м2) и даље може да реагује у екстремно ниским концентрацијама. [9] Пентагон је издвојио средства за истраживање. У експерименту, однос сигнал-шум је био веома низак (са значајним грешкама), и од тада, упркос више експеримената научника из више организација, укључујући Агенцију за истраживање напредних пројеката Министарства одбране Сједињених Држава (ДАРПА) и ЈАСОН Дефенце Адвисори Група [13], ниједан научник није успео да постигне ову реакцију под условима које тврди Колинс, а Колинс није пружио јаке доказе да докаже постојање ове реакције, Колинс је предложио методом коришћења индуковане емисије гама зрака за ослобађање енергије из Хф178м2 (хафнијум 178м2) [15], али су други научници теоријски доказали да се ова реакција не може постићи. [16] У академској заједници се широко верује да Хф178м2 (хафнијум 178м2) није извор енергије
Поље апликације:
Хафнијум је веома користан због своје способности да емитује електроне, као што се користи као филамент у лампама са жарном нити. Користи се као катода за рендгенске цеви, а легуре хафнијума и волфрама или молибдена се користе као електроде за високонапонске цеви за пражњење. Обично се користи у индустрији производње катода и волфрамове жице за рендгенске зраке. Чисти хафнијум је важан материјал у индустрији атомске енергије због своје пластичности, лаке обраде, отпорности на високе температуре и отпорности на корозију. Хафнијум има велики попречни пресек хватања топлотних неутрона и идеалан је апсорбер неутрона, који се може користити као контролна шипка и заштитни уређај за атомске реакторе. Хафнијум у праху се може користити као погонско гориво за ракете. Катода рендгенских цеви може се производити у електроиндустрији. Легура хафнијума може послужити као предњи заштитни слој за ракетне млазнице и летелице за поновно улазак у клизање, док се легура Хф Та може користити за производњу алатног челика и отпорних материјала. Хафнијум се користи као адитивни елемент у легурама отпорним на топлоту, као што су волфрам, молибден и тантал. ХфЦ се може користити као адитив за тврде легуре због своје високе тврдоће и тачке топљења. Тачка топљења 4ТаЦХфЦ је приближно 4215 ℃, што га чини једињењем са највишом познатом тачком топљења. Хафнијум се може користити као гетер у многим системима за надувавање. Добијачи хафнијума могу уклонити непотребне гасове као што су кисеоник и азот присутни у систему. Хафнијум се често користи као адитив у хидрауличном уљу како би се спречило испаравање хидрауличког уља током високоризичних операција и има снажна својства против испарљивости. Због тога се углавном користи у индустријском хидрауличном уљу. Медицинско хидраулично уље.
Елемент хафнијума се такође користи у најновијим Интел 45 нанопроцесорима. Због могућности производње силицијум диоксида (СиО2) и његове способности да смањи дебљину како би се континуирано побољшале перформансе транзистора, произвођачи процесора користе силицијум диоксид као материјал за диелектрике капије. Када је Интел увео производни процес од 65 нанометара, иако је уложио све напоре да смањи дебљину диелектрика капије од силицијум диоксида на 1,2 нанометра, што је еквивалентно 5 слојева атома, потешкоће у потрошњи енергије и расипање топлоте такође би се повећале када би транзистор је смањен на величину атома, што је резултирало тренутним отпадом и непотребном топлотном енергијом. Стога, ако се постојећи материјали наставе да се користе и дебљина се даље смањи, цурење диелектрика капије ће се значајно повећати, доводећи технологију транзистора до својих граница. Да би решио овај критични проблем, Интел планира да користи дебље материјале са високим К (материјали на бази хафнијума) као диелектрике капије уместо силицијум диоксида, што је успешно смањило цурење за више од 10 пута. У поређењу са претходном генерацијом 65нм технологије, Интелов 45нм процес повећава густину транзистора за скоро два пута, омогућавајући повећање укупног броја транзистора или смањење запремине процесора. Поред тога, снага потребна за пребацивање транзистора је нижа, смањујући потрошњу енергије за скоро 30%. Унутрашње везе су направљене од бакарне жице упарене са ниским к диелектриком, што глатко побољшава ефикасност и смањује потрошњу енергије, а брзина пребацивања је око 20% бржа
Дистрибуција минерала:
Хафнијум има већу заступљеност у кори од уобичајених метала као што су бизмут, кадмијум и жива, а по садржају је еквивалентан берилијуму, германијуму и уранијуму. Сви минерали који садрже цирконијум садрже хафнијум. Циркон који се користи у индустрији садржи 0,5-2% хафнијума. Берилијум циркон (Алвит) у секундарној руди цирконијума може да садржи до 15% хафнијума. Постоји и врста метаморфног циркона, циртолит, који садржи преко 5% ХфО. Резерве последња два минерала су мале и још увек нису усвојене у индустрији. Хафнијум се углавном добија током производње цирконијума.
Постоји у већини руда цирконијума. [18] [19] Зато што у кори има врло мало садржаја. Често коегзистира са цирконијумом и нема одвојену руду.
Начин припреме:
1. Може се припремити редукцијом магнезијума хафнијум тетрахлорида или термичком разградњом хафнијум јодида. ХфЦл4 и К2ХфФ6 се такође могу користити као сировине. Процес електролитичке производње у топљењу НаЦл КЦл ХфЦл4 или К2ХфФ6 сличан је оном код електролитичке производње цирконијума.
2. Хафнијум коегзистира са цирконијумом, а не постоји посебна сировина за хафнијум. Сирови материјал за производњу хафнијума је сирови хафнијум оксид издвојен током процеса производње цирконијума. Екстрахујте хафнијум оксид коришћењем јоноизмењивачке смоле, а затим користите исти метод као цирконијум за припрему металног хафнијума из овог хафнијум оксида.
3. Може се припремити заједничким загревањем хафнијум тетрахлорида (ХфЦл4) са натријумом кроз редукцију.
Најраније методе за одвајање цирконијума и хафнијума биле су фракциона кристализација флуорованих комплексних соли и фракционо таложење фосфата. Ове методе су гломазне за рад и ограничене су на лабораторијску употребу. Нове технологије за одвајање цирконијума и хафнијума, као што су фракционациона дестилација, екстракција растварачем, јонска размена и фракционациона адсорпција, појавиле су се једна за другом, а екстракција растварачем је практичнија. Два најчешће коришћена система за одвајање су тиоцијанат циклохексанонски систем и систем трибутил фосфата азотне киселине. Сви производи добијени горе наведеним методама су хафнијум хидроксид, а чисти хафнијум оксид се може добити калцинацијом. Хафнијум високе чистоће се може добити методом јонске размене.
У индустрији, производња металног хафнијума често укључује и Кролл процес и Дебор Акер процес. Кролл процес укључује редукцију хафнијум тетрахлорида коришћењем металног магнезијума:
2Мг+ХфЦл4- → 2МгЦл2+Хф
Метода Дебор Акер-а, позната и као метода јодирања, користи се за пречишћавање сунђера попут хафнијума и добијање хафнијума ковног метала.
5. Топљење хафнијума је у основи исто као и цирконијум:
Први корак је разградња руде, која укључује три методе: хлорисање циркона да би се добио (Зр, Хф) Цл. Алкално топљење циркона. Циркон се топи са НаОХ на око 600, а преко 90% (Зр, Хф) О се трансформише у На (Зр, Хф) О, при чему се СиО трансформише у НаСиО, који се раствара у води ради уклањања. На (Зр, Хф) О се може користити као оригинално решење за одвајање цирконијума и хафнијума након растварања у ХНО. Међутим, присуство колоида СиО отежава одвајање екстракције растварачем. Синтеровати са КСиФ и потопити у воду да би се добио раствор К (Зр, Хф) Ф. Раствор може да одвоји цирконијум и хафнијум кроз фракциону кристализацију;
Други корак је одвајање цирконијума и хафнијума, што се може постићи коришћењем метода раздвајања екстракцијом растварача коришћењем МИБК система хлороводоничне киселине (метил изобутил кетон) и система ХНО-ТБП (трибутил фосфат). Технологија вишестепеног фракционисања коришћењем разлике у притиску паре између ХфЦл и ЗрЦл растапа под високим притиском (изнад 20 атмосфера) је дуго проучавана, што може уштедети процес секундарног хлорисања и смањити трошкове. Међутим, због проблема корозије (Зр, Хф) Цл и ХЦл, није лако пронаћи одговарајуће материјале за фракциону колону, а такође ће смањити квалитет ЗрЦл и ХфЦл, повећавајући трошкове пречишћавања. Седамдесетих година прошлог века, још увек је био у средњој фази испитивања постројења;
Трећи корак је секундарно хлорисање ХфО да би се добио сирови ХфЦл за редукцију;
Четврти корак је пречишћавање ХфЦл и редукција магнезијума. Овај процес је исти као пречишћавање и редукција ЗрЦл, а добијени полупроизвод је груби сунђер хафнијум;
Пети корак је вакуумска дестилација сировог сунђера хафнијума да би се уклонио МгЦл и повратио вишак металног магнезијума, што резултира готовим производом хафнијума од сунђера. Ако редукциони агенс користи натријум уместо магнезијума, пети корак треба променити на потапање у воду
Начин складиштења:
Чувати у хладном и проветреном складишту. Држите даље од варница и извора топлоте. Требало би да се складишти одвојено од оксиданата, киселина, халогена, итд., И избегавајте складиштење мешања. Коришћење осветљења и вентилационих објеката заштићених од експлозије. Забранити употребу механичке опреме и алата који су склони варницама. Простор за складиштење треба да буде опремљен одговарајућим материјалима који спречавају цурење.
Време поста: 25.09.2023