Хафніум, металевий HF, атомний номер 72, атомна вага 178,49 - це блискучий сріблястий сірий метал.
Hafnium має шість природних стабільних ізотопів: Hafnium 174, 176, 177, 178, 179 та 180. Хафніум не реагує з розведеною соляною кислотою, розведеною сірчаною кислотою та сильними лужними розчинами, а є розчинною у гідрофторінній кислоті та аква регіоні. Назва елемента походить від латинської назви міста Копенгаген.
У 1925 р. Шведський хімік Херві та голландський фізик Костер отримали чисту сіль хафнію шляхом фракційної кристалізації фторованих складних солей і зменшили його металевим натрієм для отримання чистого металевого хафнію. Hafnium містить 0,00045% земної кори і часто асоціюється з цирконієм у природі.
Назва продукту: Хафніум
Символ елемента: HF
Атомна вага: 178,49
Тип елемента: металевий елемент
Фізичні властивості:
Хафніум- сріблястий сірий метал з металевим блиском; Існує два варіанти металевого хафнію: α Hafnium - це шестикутний тісно упакований варіант (1750 ℃) з більш високою температурою перетворення, ніж цирконій. Металевий хафніум має варіанти алотропу при високих температурах. Металевий хафніум має високий поперечний переріз поглинання нейтронів і може використовуватися як контрольний матеріал для реакторів.
Існує два типи кристалічних структур: шестикутна щільна упаковка при температурі нижче 1300 ℃ （α-рівняння); При температурі вище 1300 ℃ це кубічне （β-рівняння). Метал з пластичністю, який твердне і стає крихким у присутності домішок. Стійка в повітрі, лише темніє на поверхні при спалюванні. Нитки можуть бути запалені полум'ям матчу. Властивості, подібні до цирконію. Він не реагує з водою, розведеними кислотами або сильними базами, а легко розчинним у аква регії та вуглеворічній кислоті. В основному у сполуках із валентністю+4. Відомо, що сплав Hafnium (TA4HFC5) має найвищу температуру плавлення (приблизно 4215 ℃).
Кристалічна структура: кристалічна клітина є шестикутною
Номер CAS: 7440-58-6
Точка плавлення: 2227 ℃
Точка кипіння: 4602 ℃
Хімічні властивості:
Хімічні властивості хафнію дуже схожі на властивості цирконію, і він має хорошу резистентність до корозії і не легко кодується загальними кислотними лужними водними розчинами; Легко розчиняється у гідрофторитової кислоти для утворення фторованих комплексів. При високих температурах хафніум також може безпосередньо поєднуватися з газами, такими як кисень та азот, утворюючи оксиди та нітриди.
Hafnium часто має+4 валентність у сполуках. Основна сполука єоксид хафніюHFO2. Існує три різні варіанти оксиду хафнію:оксид хафніюОтриманий шляхом безперервного прожарювання сульфату гафнію та оксиду хлориду є моноклінічним варіантом; Оксид хафнію, отриманий при нагріванні гідроксиду хафнію близько 400 ℃, є тетрагональним варіантом; Якщо витягнути вище 1000 ℃, можна отримати кубічний варіант. Ще одна сполука - цеТетрахлорид хафнію, що є сировиною для приготування металевого хафнію і може бути підготовлено, реагувавши газом хлору на суміш оксиду хафнію та вуглецю. Тетрахлорид Hafnium вступає в контакт з водою і негайно гідролізує у високостійкі іони HFO (4H2O) 2+. Іони HFO2+існують у багатьох сполуках хафнію, і можуть кристалізувати гідратовані кристали Hafnium оксихлориду голки, у формі голки Hfocl2 · 8H2O у розчині гафнію, підкисленого соляною кислотою.
4-валентний хафніум також схильний утворювати комплекси з фтором, що складається з K2HFF6, K3HFF7, (NH4) 2HFF6 та (NH4) 3HFF7. Ці комплекси були використані для розділення цирконію та хафнію.
Поширені сполуки:
Діоксид хафнію: назва діоксид хафнію; Діоксид хафнію; Молекулярна формула: HFO2 [4]; Властивість: Білий порошок з трьома кристалічними структурами: моноклінічні, тетрагональні та кубічні. Щільність становить 10,3, 10,1 та 10,43 г/см3 відповідно. Точка плавлення 2780-2920K. Точка кипіння 5400K. Коефіцієнт теплового розширення 5,8 × 10-6/℃. Нерозчинний у воді, соляній кислоті та азотній кислоті, але розчинний у концентрованій сірчаній кислоті та вуглеворічній кислоті. Утворюється термічним розкладанням або гідролізом сполук, таких як сульфат хафнію та оксихлорид хафнію. Сировина для виробництва металевих сплавів хафнію та хафнію. Використовується як вогнетривкі матеріали, анти радіоактивні покриття та каталізатори. [5] Рівень атомної енергії HFO - це продукт, отриманий одночасно при виготовленні рівня атомної енергії Zro. Починаючи з вторинного хлорування, процеси очищення, зменшення та вакуумної дистиляції майже ідентичні процесам цирконію.
Тетрахлорид хафнію: Хафніум (IV) Хлорид, молекулярна формула Hafnium tetrachlride Molecular Formula HFCL4 320.30 Символ: білий кристалічний блок. Чутливий до вологи. Розчинний в ацетоні та метанолі. Гідроліза у воді для отримання оксихлориду хафнію (HFOCL2). Тепло до 250 ℃ і випаровується. Дратуючи очі, дихальну систему та шкіру.
Гідроксид Hafnium: гідроксид хфнію (H4HFO4), як правило, присутній як зволожений оксид HFO2 · NH2O, нерозчинний у воді, легко розчинний у неорганічних кислотах, нерозчинний в аміаку і рідко розчинний у гідроксиді натрію. Тепло до 100 ℃ для отримання гідроксиду HFO HAFNIUM HFO (OH) 2. Осад гідроксиду білого хафнію можна отримати шляхом реагування солі хафнію (IV) з аміачною водою. Він може бути використаний для отримання інших сполук хафнію.
Історія досліджень
Історія відкриття:
У 1923 році шведський хімік Херві та голландський фізик Д. Костер виявили хафнію в цирконі, виробленому в Норвегії та Гренландії, і назвав його Hafnium, який виникає з латинської назви Хафнії Копенгаген. У 1925 році Герві та Костер розділили цирконій та титан, використовуючи метод фракційної кристалізації фторованих складних солей для отримання чистих солей хафнію; І зменшити хафнієву сіль за допомогою металевого натрію для отримання чистого металевого хафнію. Герві підготував зразок з декількох міліграм чистого хафнію.
Хімічні експерименти на цирконії та хафнію:
В експерименті, проведеному професором Карлом Коллінзом в Техаському університеті в 1998 році, було стверджувалося, що гамма-опромінений Hafnium 178M2 (ізомер Hafnium-178M2 [7]) може вивільняти величезну енергію, що на п’ять порядків вище, ніж хімічні реакції, але три порядки нижчі, ніж ядерні реакції. [8] HF178M2 (Hafnium 178M2) має найдовший термін експлуатації серед аналогічних довгоживуючих ізотопів: HF178M2 (Hafnium 178m2) має період напіввиведення 31 рік, внаслідок чого природна радіоактивність становить приблизно 1,6 трильйонів. У звіті Коллінза зазначається, що один грам чистого HF178M2 (Hafnium 178M2) містить приблизно 1330 мегаджоулів, що еквівалентно енергії, що виділяється вибухом 300 кілограмів вибухівки TNT. Звіт Коллінза вказує на те, що вся енергія в цій реакції вивільняється у вигляді рентгенівських променів або гамма-променів, які вивільняють енергію з надзвичайно швидкою швидкістю, а HF178M2 (Hafnium 178m2) все ще може реагувати в надзвичайно низьких концентраціях. [9] Пентагон виділив кошти на дослідження. В експерименті співвідношення сигнал / шум було дуже низьким (зі значними помилками), і відтоді, незважаючи на багаторазові експерименти вчених з різних організацій, включаючи дослідницьке агентство з питань прогресивних проектів Міністерства оборони (DARPA) та Jason оборонної групи [13], жоден вчений не зміг досягти цієї реакції в умовах, заявлених Коллінзом, і Коллінз не надавали жодних доказів, що підтверджували, що існує, що існує, що існує реакція, що не пропонує, що застосовувало, що застосовувало, що застосовувало. Емісія променів для вивільнення енергії з HF178M2 (Hafnium 178M2) [15], але інші вчені теоретично довели, що ця реакція не може бути досягнута. [16] HF178M2 (Hafnium 178m2) широко вважається в академічній спільноті не є джерелом енергії
Поле застосування:
Hafnium дуже корисний завдяки своїй здатності випромінювати електрони, наприклад, як використовується як нитка в лампах розжарювання. Використовується як катод для рентгенівських труб, а сплави хафнію та вольфраму або молібдену використовуються як електроди для труб високої напруги. Зазвичай використовується в промисловості катода та вольфраму для виробництва дроту для рентгенівських променів. Чистий хафніум є важливим матеріалом в атомній енергетичній галузі завдяки її пластичності, простому переробці, високій температурі та стійкості до корозії. Hafnium має великий поперечний переріз теплового нейтронів і є ідеальним поглинанням нейтронів, який може бути використаний як контрольний стрижень і захисний пристрій для атомних реакторів. Порошок хафнію можна використовувати як паливну речовину для ракет. Катод рентгенівських труб може бути виготовлений в електричній промисловості. Сплав Hafnium може слугувати захисним шаром для ракетних форсунок та літаком для повторного входу, тоді як сплав HF TA може використовуватися для виготовлення матеріалів інструментів та опору. Hafnium використовується як добавок у теплостійких сплавах, таких як вольфрам, молібден і тантуум. HFC можна використовувати як добавку для жорстких сплавів завдяки високій твердності та плавленню. Температура плавлення 4TACHFC становить приблизно 4215 ℃, що робить його сполукою з найвищою відомою температурою плавлення. Hafnium можна використовувати як Getter у багатьох інфляційних системах. Hafnium Getters може видалити непотрібні гази, такі як кисень та азот, присутні в системі. Hafnium часто використовується як добавка в гідравлічній нафті для запобігання нестабільності гідравлічної олії під час операцій з високим рівнем ризику та має сильні властивості проти мінливості. Тому він зазвичай використовується в промисловому гідравлічному нафті. Медична гідравлічна олія.
Елемент Hafnium також використовується в останніх нанопроцесорах Intel 45. Завдяки виробництві кремнієвого діоксиду (SIO2) та його здатності зменшувати товщину до постійного вдосконалення транзисторних продуктивності, виробники процесорів використовують діоксид кремнію як матеріал для діелектричних воріт. Коли Intel ввів процес виробництва 65 нанометрів, хоча докладав усіх зусиль, щоб зменшити товщину діоксиду кремнію діоксиду до 1,2 нанометрів, еквівалентні 5 шарів атомів, труднощі споживання електроенергії та розсіювання тепла також збільшуватимуться, коли транзистор зменшився до розміру атомів, що призвело до нинішньої відходи та безперешкодної енергії. Тому, якщо постійні поточні матеріали будуть використані, а товщина ще більше зменшується, витік діелектрика воріт значно збільшиться, знижуючи технологію транзистора до її меж. Для вирішення цього критичного питання Intel планує використовувати більш товсті матеріали з високим рівнем K (матеріали на основі хафнію) як діелектрики воріт замість діоксиду кремнію, який успішно знизив витоки більш ніж на 10 разів. Порівняно з попереднім поколінням технології 65 нм, процес 45 нм Intel збільшує транзисторну щільність майже на двічі, що дозволяє збільшити загальну кількість транзисторів або зменшення обсягу процесора. Крім того, потужність, необхідна для перемикання транзистора, нижча, зменшуючи споживання електроенергії майже на 30%. Внутрішні з'єднання виготовлені з мідного дроту в поєднанні з низьким діелектриком K, плавно підвищуючи ефективність та зменшення споживання електроенергії, а швидкість перемикання приблизно на 20% швидше
Поширення мінералів:
Hafnium має більш високу кількість кори, ніж зазвичай використовуються метали, такі як вісмут, кадмій та ртуть, і рівнозначні за вмістом берилію, германію та урану. Усі мінерали, що містять цирконію, містять хафнію. Циркон, що використовується в промисловості, містить 0,5-2% хафнію. Циркон берилію (альвіт) у вторинній руді цирконію може містити до 15% хафнію. Існує також тип метаморфічного циркону, Cyrtolite, який містить понад 5% HFO. Заповідники останніх двох мінералів невеликі і ще не були прийняті в промисловості. Хафніум в основному відновлюється під час виробництва цирконію.
Він існує в більшості руд цирконію. [18] [19] тому, що в кірці вмісту дуже мало. Він часто співіснує з цирконієм і не має окремої руди.
Метод підготовки:
1. Його можна підготувати шляхом зменшення магнію тетрахлориду гафнію або теплового розкладання йодиду хафнію. HFCL4 та K2HFF6 також можуть використовуватися як сировина. Процес електролітичного виробництва при розплавленні NaCl KCl HFCL4 або K2HFF6 аналогічний процесу електролітичного виробництва цирконію.
2. Hafnium співіснує з цирконієм, і немає окремої сировини для хафнію. Сировина для виготовлення хафнію - це сирий оксид хафнію, розділений під час виробництва цирконію. Екстракт оксиду хафнію за допомогою іонообмінної смоли, а потім використовуйте той самий метод, що і цирконій для приготування металевого хафнію з цього оксиду хафнію.
3. Його можна підготувати шляхом нагрівання Тетрахлориду HAFNIUM (HFCL4) з натрієм через зменшення.
Найдавнішими методами відокремлення цирконію та хафнію були фракційна кристалізація фторованих складних солей та фракційна осадження фосфатів. Ці методи є громіздкими для роботи і обмежуються лабораторним використанням. Нові технології для розділення цирконію та хафнію, такі як фракціонування, вилучення розчинника, обмін іонами та адсорбція фракціонування, з'явилися один за одним, при цьому видобуток розчинника є більш практичними. Дві часто використовувані системи поділу - це система циклогексанону тиоціанату та система азотної кислоти Tributylfosphate. Продукти, отримані вищезазначеними методами, - це всі гідроксид хафнію, а чистий оксид хафнію можна отримати за допомогою прожарювання. Хафніум з високою чистотою можна отримати методом іонообміну.
У промисловості виробництво металевого хафнію часто включає як процес Kroll, так і процес Дебора Акера. Процес Kroll включає зменшення тетрахлориду хафнію за допомогою металевого магнію:
2 мг+hfcl4- → 2mgcl2+hf
Метод дебора Акера, також відомий як метод йодизації, використовується для очищення губки, як хафніум, та отримання придатного металу Hafnium.
5. Плавання хафнію в основному такий же, як і у цирконію:
Перший крок - це розкладання руди, яка включає три методи: хлорування циркону для отримання (Zr, Hf) cl. Лужний танення циркону. Циркон тане з NaOH приблизно в 600, і понад 90% (Zr, HF) O перетворюється на Na (Zr, HF) O, при цьому SIO перетворюється на Насіо, який розчиняється у воді для видалення. Na (ZR, HF) O можна використовувати як початковий розчин для розділення цирконію та хафнію після розчинення в HNO. Однак наявність колоїдів SIO ускладнює розділення вилучення розчинників. Спіктер з KSIF і замочити у воді для отримання k (Zr, Hf) F розчину. Розчин може відокремити цирконію та хафнію через фракційну кристалізацію;
Другий етап-це поділ цирконію та хафнію, який можна досягти за допомогою методів розділення вилучення розчинника за допомогою системи HNO-TBP Mibk (метил ізобутил-Кетон) та HNO-TBP (Трибутилфосфат). Технологія багатоступеневого фракціонування з використанням різниці тиску пари між HFCL та ZRCL розкладається під високим тиском (вище 20 атмосфери) давно вивчається, що може заощадити процес вторинного хлорування та зменшити витрати. Однак, через проблему корозії (ZR, HF) CL та HCL, нелегко знайти відповідні матеріали стовпців фракціонування, а також знизить якість ZRCL та HFCL, збільшуючи витрати на очищення. У 1970 -х роках він все ще був на стадії проміжних рослин;
Третій крок - вторинне хлорування HFO для отримання сирого HFCL для зменшення;
Четвертий крок - очищення HFCL та зменшення магнію. Цей процес є таким же, як очищення та зменшення ZRCL, а отриманий напівфабрикатний продукт-грубої губки Хафнію;
П'ятий етап - до вакуумної дистиляції сирого губки хафнію для видалення MGCL та відновлення надлишкового металевого магнію, що призводить до готового продукту губного металу Hafnium. Якщо редуктор використовує натрію замість магнію, п'ятий крок слід змінити на занурення води
Метод зберігання:
Зберігайте на прохолодному та провітрюваному складі. Тримайтеся подалі від іскрів та джерел тепла. Його слід зберігати окремо від окислювачів, кислот, галогенів тощо, і уникати змішування зберігання. Використання вибухонебезпечних засобів освітлення та вентиляції. Забороняє використовувати механічне обладнання та інструменти, схильні до іскрів. Зона зберігання повинна бути оснащена відповідними матеріалами для стримування витоків.
Час посади: 25-2023 рр.