Hafnium, chuma Hf, nambari ya atomiki 72, uzani wa atomiki 178.49, ni metali inayong'aa ya kijivu cha mpito.
Hafnium ina isotopu sita zenye uimara kiasili: hafnium 174, 176, 177, 178, 179, na 180. Hafnium haijibu pamoja na asidi hidrokloriki iliyoyeyushwa, asidi ya sulfuriki kuzimua, na miyeyusho mikali ya alkali, lakini mumunyifu katika asidi hidrofloriki na aquafluoric. Jina la kipengele linatokana na jina la Kilatini la Copenhagen City.
Mnamo mwaka wa 1925, mwanakemia wa Uswidi Hervey na mwanafizikia wa Uholanzi Koster walipata chumvi safi ya hafnium kwa kusawazisha kwa sehemu ya chumvi changamano yenye florini, na kuipunguza kwa sodiamu ya metali ili kupata hafnium ya metali safi. Hafnium ina 0.00045% ya ukoko wa dunia na mara nyingi huhusishwa na zirconium katika asili.
Jina la bidhaa: hafnium
Alama ya kipengele: Hf
Uzito wa atomiki: 178.49
Aina ya kipengele: kipengele cha metali
Sifa za kimwili:
Hafniumni chuma kijivu cha fedha na luster ya metali; Kuna vibadala viwili vya hafnium ya metali: α Hafnium ni lahaja iliyo na ukaribu wa hexagonal (1750 ℃) yenye mabadiliko ya halijoto ya juu kuliko zirconium. Metal hafnium ina lahaja za allotrope kwenye joto la juu. Metal hafnium ina sehemu mtambuka ya ufyonzaji wa neutroni na inaweza kutumika kama nyenzo ya udhibiti wa vinu.
Kuna aina mbili za miundo ya kioo: ufungashaji mnene wa hexagonal kwenye joto chini ya 1300 ℃ ( α- Equation); Katika halijoto ya zaidi ya 1300 ℃, ni ujazo unaozingatia mwili (β- Equation). Chuma chenye kinamu ambacho kigumu na kuwa brittle mbele ya uchafu. Imara hewani, huwa giza tu juu ya uso wakati wa kuchomwa moto. Filaments inaweza kuwashwa na moto wa mechi. Mali sawa na zirconium. Haifanyi pamoja na maji, asidi dilute, au besi kali, lakini huyeyuka kwa urahisi katika aqua regia na asidi hidrofloriki. Hasa katika misombo yenye valence +4. Aloi ya Hafnium (Ta4HfC5) inajulikana kuwa na kiwango cha juu zaidi cha kuyeyuka (takriban 4215 ℃).
Muundo wa kioo: Seli ya fuwele ni ya hexagonal
Nambari ya CAS: 7440-58-6
Kiwango myeyuko: 2227 ℃
Kiwango cha mchemko: 4602 ℃
Tabia za kemikali:
Sifa za kemikali za hafnium ni sawa na zile za zirconium, na ina upinzani mzuri wa kutu na haiharibiki kwa urahisi na miyeyusho ya maji ya asidi ya alkali; Mumunyifu kwa urahisi katika asidi hidrofloriki ili kuunda tata za florini. Katika halijoto ya juu, hafnium inaweza pia kuunganishwa moja kwa moja na gesi kama vile oksijeni na nitrojeni kuunda oksidi na nitridi.
Hafnium mara nyingi huwa na valence +4 katika misombo. Mchanganyiko kuu nioksidi ya hafniumHfO2. Kuna aina tatu tofauti za oksidi ya hafnium:oksidi ya hafniumkupatikana kwa calcination kuendelea ya hafnium sulfate na kloridi oksidi ni lahaja monoclinic; Oksidi ya hafnium iliyopatikana kwa kupokanzwa hidroksidi ya hafnium karibu 400 ℃ ni lahaja ya tetragonal; Ikiwa imehesabiwa zaidi ya 1000 ℃, lahaja ya ujazo inaweza kupatikana. Mchanganyiko mwingine nihafnium tetrakloridi, ambayo ni malighafi ya kuandaa hafnium ya chuma na inaweza kutayarishwa kwa kujibu gesi ya klorini kwenye mchanganyiko wa oksidi ya hafnium na kaboni. Tetrakloridi ya hafnium hugusana na maji na hugandishwa mara moja kuwa HfO (4H2O) 2+ioni iliyo imara sana. HfO2+ioni zipo katika misombo mingi ya hafnium, na inaweza kuangazia myeyusho wa tetrakloridi ya hafnium yenye asidi ya hidrokloriki yenye umbo la sindano.
4-valent hafnium pia ina uwezekano wa kuunda changamano na floridi, inayojumuisha K2HfF6, K3HfF7, (NH4) 2HfF6, na (NH4) 3HfF7. Mchanganyiko huu umetumika kwa mgawanyo wa zirconium na hafnium.
Mchanganyiko wa kawaida:
Hafnium dioxide: jina Hafnium dioxide; Hafnium dioksidi; Fomula ya molekuli: HfO2 [4]; Mali: Poda nyeupe yenye miundo mitatu ya fuwele: monoclinic, tetragonal, na cubic. Msongamano ni 10.3, 10.1, na 10.43g/cm3, mtawalia. Kiwango myeyuko 2780-2920K. Kiwango cha kuchemsha 5400K. Mgawo wa upanuzi wa joto 5.8 × 10-6/℃. Hakuna katika maji, asidi hidrokloriki na asidi ya nitriki, lakini mumunyifu katika asidi iliyokolea ya sulfuriki na asidi hidrofloriki. Hutolewa na mtengano wa joto au hidrolisisi ya misombo kama vile hafnium sulfate na hafnium oxychloride. Malighafi kwa ajili ya uzalishaji wa hafnium ya chuma na aloi za hafnium. Inatumika kama nyenzo za kinzani, mipako ya kuzuia mionzi, na vichocheo. [5] Kiwango cha nishati ya atomiki HfO ni bidhaa inayopatikana wakati huo huo wakati wa kutengeneza kiwango cha nishati ya atomiki ZrO. Kuanzia klorini ya pili, michakato ya utakaso, kupunguza, na kunereka kwa utupu ni karibu kufanana na zirconium.
Tetrakloridi ya Hafnium: Hafnium (IV) kloridi, Hafnium tetrakloridi Fomula ya molekuli HfCl4 Uzito wa molekuli 320.30 Tabia: Kizuizi cheupe cha fuwele. Nyeti kwa unyevu. Mumunyifu katika asetoni na methanoli. Hydrolyze katika maji ili kutoa hafnium oxychloride (HfOCl2). Joto hadi 250 ℃ na kuyeyuka. Inakera macho, mfumo wa kupumua, na ngozi.
Hafnium hidroksidi: Hafnium hidroksidi (H4HfO4), kwa kawaida huwa kama oksidi hidrati HfO2 · nH2O, haiwezi kuyeyushwa katika maji, mumunyifu kwa urahisi katika asidi isokaboni, hakuna katika amonia, na mara chache mumunyifu katika hidroksidi ya sodiamu. Joto hadi 100 ℃ kuzalisha hafnium hidroksidi HfO (OH) 2. Mvua nyeupe ya hidroksidi ya hafnium inaweza kupatikana kwa kuitikia chumvi ya hafnium (IV) na maji ya amonia. Inaweza kutumika kutengeneza misombo mingine ya hafnium.
Historia ya Utafiti
Historia ya Ugunduzi:
Mnamo 1923, mwanakemia wa Uswidi Hervey na mwanafizikia wa Uholanzi D. Koster waligundua hafnium katika zircon iliyozalishwa nchini Norway na Greenland, na kuiita hafnium, ambayo ilitoka kwa jina la Kilatini Hafnia ya Copenhagen. Mnamo mwaka wa 1925, Hervey na Coster walitenganisha zirconium na titani kwa kutumia njia ya crystallization ya sehemu ya chumvi tata ya fluorinated ili kupata chumvi safi ya hafnium; Na punguza chumvi ya hafnium na sodiamu ya metali ili kupata hafnium ya chuma safi. Hervey alitayarisha sampuli ya miligramu kadhaa za hafnium safi.
Majaribio ya kemikali kwenye zirconium na hafnium:
Katika jaribio lililofanywa na Profesa Carl Collins katika Chuo Kikuu cha Texas mnamo 1998, ilidaiwa kuwa gamma irradiated hafnium 178m2 (isomer hafnium-178m2 [7]) inaweza kutoa nishati kubwa sana, ambayo ni oda tano za ukubwa wa juu kuliko athari za kemikali lakini amri tatu za ukubwa wa chini kuliko athari za nyuklia. [8] Hf178m2 (hafnium 178m2) ina muda mrefu zaidi wa kuishi kati ya isotopu zinazofanana za muda mrefu: Hf178m2 (hafnium 178m2) ina nusu ya maisha ya miaka 31, na kusababisha mionzi ya asili ya takriban trilioni 1.6 ya Becquerel. Ripoti ya Collins inasema kwamba gramu moja ya Hf178m2 safi (hafnium 178m2) ina takriban megajoule 1330, ambayo ni sawa na nishati iliyotolewa na mlipuko wa kilo 300 za vilipuzi vya TNT. Ripoti ya Collins inaonyesha kwamba nishati yote katika mmenyuko huu hutolewa kwa njia ya mionzi ya X-ray au mionzi ya gamma, ambayo hutoa nishati kwa kasi ya haraka sana, na Hf178m2 (hafnium 178m2) bado inaweza kuitikia katika viwango vya chini sana. [9] Pentagon imetenga fedha kwa ajili ya utafiti. Katika jaribio hilo, uwiano wa ishara-kwa-kelele ulikuwa wa chini sana (na makosa makubwa), na tangu wakati huo, licha ya majaribio mengi ya wanasayansi kutoka mashirika mbalimbali ikiwa ni pamoja na Idara ya Marekani ya Idara ya Ulinzi ya Shirika la Utafiti wa Miradi ya Juu (DARPA) na Ushauri wa Ulinzi wa JASON. Kundi [13], hakuna mwanasayansi ambaye ameweza kufikia mwitikio huu chini ya masharti yaliyodaiwa na Collins, na Collins hajatoa ushahidi thabiti wa kuthibitisha kuwepo kwa majibu haya, Collins alipendekeza mbinu ya kutumia gamma iliyosababishwa. utoaji wa miale ili kutoa nishati kutoka Hf178m2 (hafnium 178m2) [15], lakini wanasayansi wengine wamethibitisha kinadharia kuwa mwitikio huu hauwezi kufikiwa. [16] Hf178m2 (hafnium 178m2) inaaminika sana katika jumuiya ya wasomi kuwa si chanzo cha nishati.
Sehemu ya maombi:
Hafnium ni muhimu sana kwa sababu ya uwezo wake wa kutoa elektroni, kama vile inavyotumiwa kama filamenti katika taa za incandescent. Inatumika kama cathode ya mirija ya X-ray, na aloi za hafnium na tungsten au molybdenum hutumiwa kama elektroni kwa mirija ya kutokwa kwa voltage ya juu. Kawaida kutumika katika tasnia ya utengenezaji wa waya wa cathode na tungsten kwa X-rays. Hafnium safi ni nyenzo muhimu katika tasnia ya nishati ya atomiki kwa sababu ya unamu wake, usindikaji rahisi, upinzani wa joto la juu na upinzani wa kutu. Hafnium ina sehemu kubwa ya kukamata neutroni ya joto na ni kifyonza bora cha nyutroni, ambacho kinaweza kutumika kama fimbo ya kudhibiti na kifaa cha kinga kwa vinu vya atomiki. Poda ya Hafnium inaweza kutumika kama propellant kwa roketi. Cathode ya zilizopo za X-ray zinaweza kutengenezwa katika tasnia ya umeme. Aloi ya Hafnium inaweza kutumika kama safu ya ulinzi ya mbele ya nozi za roketi na ndege zinazoteleza zinazoingia tena, huku aloi ya Hf Ta inaweza kutumika kutengeneza chuma cha zana na vifaa vya kuhimili. Hafnium hutumiwa kama kiungo cha nyongeza katika aloi zinazostahimili joto, kama vile tungsten, molybdenum na tantalum. HfC inaweza kutumika kama nyongeza ya aloi ngumu kwa sababu ya ugumu wake wa juu na kiwango cha kuyeyuka. Kiwango myeyuko cha 4TaCHfC ni takriban 4215 ℃, na kuifanya kiwanja chenye kiwango cha juu zaidi myeyuko kinachojulikana. Hafnium inaweza kutumika kama kichochezi katika mifumo mingi ya mfumuko wa bei. Wapataji wa Hafnium wanaweza kuondoa gesi zisizo za lazima kama vile oksijeni na nitrojeni zilizopo kwenye mfumo. Hafnium mara nyingi hutumika kama kiongezi katika mafuta ya majimaji ili kuzuia utengamano wa mafuta ya majimaji wakati wa operesheni zenye hatari kubwa, na ina sifa dhabiti za kuzuia tete. Kwa hiyo, kwa ujumla hutumiwa katika mafuta ya majimaji ya viwanda. Mafuta ya majimaji ya matibabu.
Kipengele cha Hafnium pia kinatumika katika nanoprocessors za hivi karibuni za Intel 45. Kwa sababu ya utengenezaji wa dioksidi ya silicon (SiO2) na uwezo wake wa kupunguza unene ili kuboresha utendakazi wa transistor kila mara, watengenezaji wa vichakataji hutumia dioksidi ya silicon kama nyenzo ya dielectrics za lango. Intel ilipoanzisha mchakato wa utengenezaji wa nanometa 65, ingawa ilikuwa imefanya kila juhudi kupunguza unene wa dielectric ya lango la dioksidi ya silicon hadi nanomita 1.2, sawa na tabaka 5 za atomi, ugumu wa matumizi ya nguvu na utaftaji wa joto pia ungeongezeka wakati transistor. ilipunguzwa hadi saizi ya atomi, na kusababisha upotevu wa sasa na nishati ya joto isiyo ya lazima. Kwa hiyo, ikiwa nyenzo za sasa zinaendelea kutumika na unene hupunguzwa zaidi, uvujaji wa dielectri ya lango itaongezeka kwa kiasi kikubwa, Kuleta teknolojia ya transistor kwa mipaka yake. Ili kushughulikia suala hili muhimu, Intel inapanga kutumia vifaa vizito vya K (vifaa vya msingi wa hafnium) kama dielectri ya lango badala ya dioksidi ya silicon, ambayo imefanikiwa kupunguza uvujaji kwa zaidi ya mara 10. Ikilinganishwa na kizazi cha awali cha teknolojia ya 65nm, mchakato wa Intel wa 45nm huongeza msongamano wa transistor kwa karibu mara mbili, na hivyo kuruhusu ongezeko la jumla ya idadi ya transistors au kupunguza kiasi cha processor. Kwa kuongeza, nguvu zinazohitajika kwa kubadili transistor ni ndogo, kupunguza matumizi ya nguvu kwa karibu 30%. Viunganisho vya ndani vinatengenezwa kwa waya wa shaba uliounganishwa na dielectric ya chini ya k, kuboresha ufanisi na kupunguza matumizi ya nguvu, na kasi ya kubadili ni karibu 20% haraka.
Usambazaji wa madini:
Hafnium ina wingi wa ukoko wa juu zaidi kuliko metali zinazotumika kawaida kama vile bismuth, cadmium, na zebaki, na ni sawa katika maudhui na beriliamu, germanium na uranium. Madini yote yenye zirconium yana hafnium. Zircon kutumika katika sekta ina 0.5-2% hafnium. Zikoni ya berili (Alvite) katika ore ya pili ya zirconium inaweza kuwa na hadi 15% hafnium. Pia kuna aina ya zircon ya metamorphic, cyrtolite, ambayo ina zaidi ya 5% HfO. Akiba ya madini haya mawili ya mwisho ni ndogo na bado haijapitishwa katika tasnia. Hafnium hupatikana hasa wakati wa utengenezaji wa zirconium.
Inapatikana katika ore nyingi za zirconium. [18] [19] Kwa sababu kuna maudhui machache sana katika ukoko. Mara nyingi hushirikiana na zirconium na haina ore tofauti.
Mbinu ya maandalizi:
1. Inaweza kutayarishwa kwa kupunguza magnesiamu ya tetrakloridi ya hafnium au mtengano wa joto wa iodidi ya hafnium. HfCl4 na K2HfF6 pia inaweza kutumika kama malighafi. Mchakato wa uzalishaji wa kielektroniki katika NaCl KCl HfCl4 au K2HfF6 melt ni sawa na ule wa uzalishaji wa kielektroniki wa zirconium.
2. Hafnium inashirikiana na zirconium, na hakuna malighafi tofauti ya hafnium. Malighafi ya kutengeneza hafnium ni oksidi ghafi ya hafnium iliyotenganishwa wakati wa utengenezaji wa zirconium. Chambua oksidi ya hafnium kwa kutumia resini ya kubadilishana ioni, na kisha utumie njia sawa na zirconium kuandaa hafnium ya chuma kutoka kwa oksidi hii ya hafnium.
3. Inaweza kutayarishwa kwa kupasha joto hafnium tetrakloridi (HfCl4) na sodiamu kwa kupunguza.
Mbinu za awali zaidi za kutenganisha zirconium na hafnium zilikuwa uunganishaji wa sehemu ndogo za chumvi changamano zenye florini na unyeshaji wa sehemu wa fosfeti. Njia hizi ni ngumu kufanya kazi na ni mdogo kwa matumizi ya maabara. Teknolojia mpya za kutenganisha zirconium na hafnium, kama vile kunereka kwa sehemu, uchimbaji wa kutengenezea, ubadilishanaji wa ioni, na utangazaji wa sehemu, zimeibuka moja baada ya nyingine, huku uchimbaji wa kutengenezea ukiwa wa vitendo zaidi. Mifumo miwili ya kutenganisha inayotumika sana ni mfumo wa thiocyanate cyclohexanone na mfumo wa asidi ya nitriki ya fosfeti ya tributyl. Bidhaa zilizopatikana kwa njia zilizo hapo juu zote ni hafnium hidroksidi, na oksidi safi ya hafnium inaweza kupatikana kwa kuhesabu. Usafi wa hali ya juu wa hafnium unaweza kupatikana kwa njia ya kubadilishana ioni.
Katika tasnia, utengenezaji wa hafnium ya chuma mara nyingi huhusisha mchakato wa Kroll na mchakato wa Debor Aker. Mchakato wa Kroll unahusisha kupunguzwa kwa tetrakloridi ya hafnium kwa kutumia magnesiamu ya metali:
2Mg+HfCl4- → 2MgCl2+Hf
Mbinu ya Debor Aker, pia inajulikana kama mbinu ya kuongeza iodini, hutumika kusafisha sifongo kama hafnium na kupata hafnium ya metali inayoweza kuteseka.
5. Kuyeyushwa kwa hafnium kimsingi ni sawa na zirconium:
Hatua ya kwanza ni mtengano wa ore, ambayo inahusisha njia tatu: klorini ya zircon kupata (Zr, Hf) Cl. Kiwango cha alkali cha zircon. Zircon huyeyuka na NaOH karibu 600, na zaidi ya 90% ya (Zr, Hf) O hubadilika kuwa Na (Zr, Hf) O, na SiO ikibadilishwa kuwa NaSiO, ambayo huyeyushwa katika maji kwa kuondolewa. Na (Zr, Hf) O inaweza kutumika kama suluhisho asili la kutenganisha zirconium na hafnium baada ya kuyeyushwa katika HNO. Walakini, uwepo wa colloids ya SiO hufanya utenganisho wa uchimbaji wa kutengenezea kuwa mgumu. Sinter na KSiF na loweka kwenye maji ili kupata myeyusho wa K (Zr, Hf) F. Suluhisho linaweza kutenganisha zirconium na hafnium kwa njia ya fuwele ya sehemu;
Hatua ya pili ni mgawanyo wa zirconium na hafnium, ambayo inaweza kupatikana kwa kutumia njia za kutenganisha uchimbaji wa kutengenezea kwa kutumia mfumo wa hidrokloric acid MIBK (methyl isobutyl ketone) na mfumo wa HNO-TBP (tributyl phosphate). Teknolojia ya ugawaji wa hatua nyingi kwa kutumia tofauti ya shinikizo la mvuke kati ya HfCl na ZrCl inayeyuka chini ya shinikizo la juu (juu ya angahewa 20) imesomwa kwa muda mrefu, ambayo inaweza kuokoa mchakato wa pili wa klorini na kupunguza gharama. Hata hivyo, kutokana na tatizo la kutu ya (Zr, Hf) Cl na HCl, si rahisi kupata nyenzo zinazofaa za safu ya sehemu, na pia itapunguza ubora wa ZrCl na HfCl, na kuongeza gharama za utakaso. Katika miaka ya 1970, ilikuwa bado katika hatua ya kati ya majaribio ya mmea;
Hatua ya tatu ni klorini ya pili ya HfO kupata HfCl ghafi kwa ajili ya kupunguza;
Hatua ya nne ni utakaso wa HfCl na kupunguza magnesiamu. Utaratibu huu ni sawa na utakaso na kupunguzwa kwa ZrCl, na matokeo ya bidhaa ya kumaliza nusu ni sifongo coarse hafnium;
Hatua ya tano ni kufuta sifongo ghafi ya hafnium ili kuondoa MgCl na kurejesha magnesiamu ya ziada ya chuma, na kusababisha bidhaa iliyomalizika ya sifongo hafnium. Ikiwa wakala wa kupunguza anatumia sodiamu badala ya magnesiamu, hatua ya tano inapaswa kubadilishwa kuwa kuzamishwa kwa maji
Mbinu ya kuhifadhi:
Hifadhi kwenye ghala la baridi na la uingizaji hewa. Weka mbali na cheche na vyanzo vya joto. Inapaswa kuhifadhiwa tofauti na vioksidishaji, asidi, halojeni, nk, na kuepuka kuchanganya hifadhi. Kwa kutumia taa zisizoweza kulipuka na vifaa vya uingizaji hewa. Kataza matumizi ya vifaa vya mitambo na zana ambazo zinakabiliwa na cheche. Sehemu ya kuhifadhi inapaswa kuwa na vifaa vinavyofaa ili kuwa na uvujaji.
Muda wa kutuma: Sep-25-2023