Hafnium, kim loại HF, số nguyên tử 72, trọng lượng nguyên tử 178,49, là một kim loại chuyển tiếp màu xám bạc sáng bóng.
Hafnium có sáu đồng vị ổn định tự nhiên: hafnium 174, 176, 177, 178, 179 và 180. Hafnium không phản ứng với axit clohydric loãng, axit sunfuric loãng và dung dịch kiềm mạnh, nhưng hòa tan trong axit hydroflu. Tên yếu tố xuất phát từ tên Latin của Thành phố Copenhagen.
Năm 1925, nhà hóa học Thụy Điển Hervey và nhà vật lý Hà Lan Koster đã thu được muối hafnium tinh khiết bằng cách kết tinh phân đoạn của muối phức hợp flo, và giảm nó bằng natri kim loại để thu được hafnium kim loại tinh khiết. Hafnium chứa 0,00045% lớp vỏ trái đất và thường liên quan đến zirconium trong tự nhiên.
Tên sản phẩm: Hafnium
Biểu tượng phần tử: HF
Trọng lượng nguyên tử: 178,49
Loại phần tử: Phần tử kim loại
Tính chất vật lý:
Hafniumlà một kim loại màu xám bạc với ánh kim loại; Có hai biến thể của hafnium kim loại: α hafnium là một biến thể được đóng gói chặt chẽ trên lục giác (1750) với nhiệt độ biến đổi cao hơn zirconium. Hafnium kim loại có các biến thể allotrope ở nhiệt độ cao. Hafnium kim loại có mặt cắt hấp thụ neutron cao và có thể được sử dụng làm vật liệu điều khiển cho các lò phản ứng.
Có hai loại cấu trúc tinh thể: đóng gói dày đặc hình lục giác ở nhiệt độ dưới 1300 ℃ α- phương trình); Ở nhiệt độ trên 1300, nó là khối tập trung vào khối （- phương trình). Một kim loại có độ dẻo cứng và trở nên giòn với sự hiện diện của tạp chất. Ổn định trong không khí, chỉ tối tăm trên bề mặt khi bị đốt cháy. Các sợi có thể được đốt cháy bởi ngọn lửa của một trận đấu. Tính chất tương tự như zirconium. Nó không phản ứng với nước, axit pha loãng hoặc bazơ mạnh, nhưng dễ dàng hòa tan trong aqua regia và axit hydrofluoric. Chủ yếu trong các hợp chất có hóa trị A+4. Hợp kim Hafnium (TA4HFC5) được biết là có điểm nóng chảy cao nhất (khoảng 4215).
Cấu trúc tinh thể: tế bào tinh thể là hình lục giác
Số CAS: 7440-58-6
Điểm nóng chảy: 2227 ℃
Điểm sôi: 4602 ℃
Tính chất hóa học:
Các tính chất hóa học của hafnium rất giống với zirconium, và nó có khả năng chống ăn mòn tốt và không dễ bị ăn mòn bởi các dung dịch nước kiềm axit nói chung; Dễ dàng hòa tan trong axit hydrofluoric để tạo thành các phức hợp flo. Ở nhiệt độ cao, hafnium cũng có thể kết hợp trực tiếp với các loại khí như oxy và nitơ để tạo thành oxit và nitrid.
Hafnium thường có hóa trị+4 trong các hợp chất. Hợp chất chính làHafnium oxitHFO2. Có ba biến thể khác nhau của oxit hafnium:Hafnium oxitthu được bằng cách nung liên tục của hafnium sulfate và clorua oxit là một biến thể đơn sắc; Các oxit hafnium thu được bằng cách làm nóng hydroxit của hafnium ở khoảng 400 là một biến thể tetragonal; Nếu được nung trên 1000, một biến thể khối có thể thu được. Một hợp chất khác làHafnium tetrachloride, là nguyên liệu thô để chuẩn bị hafnium kim loại và có thể được điều chế bằng cách phản ứng khí clo trên hỗn hợp oxit hafnium và carbon. Hafnium tetrachloride tiếp xúc với nước và ngay lập tức thủy phân thành các ion HFO (4H2O) 2+ổn định cao. Các ion HFO2+tồn tại trong nhiều hợp chất của hafnium và có thể kết tinh hình kim ngậm nước hfnium oxychloride HFOCL2 · 8H2O tinh thể trong dung dịch Hafnium tetrachloride axit axit axit hóa axit.
Hafnium 4-giá trị cũng có xu hướng hình thành các phức hợp với fluoride, bao gồm K2HFF6, K3HFF7, (NH4) 2HFF6 và (NH4) 3HFF7. Những phức hợp này đã được sử dụng để tách zirconium và hafnium.
Các hợp chất phổ biến:
Hafnium dioxide: Tên hafnium dioxide; Hafnium dioxide; Công thức phân tử: HFO2 [4]; Thuộc tính: Bột trắng với ba cấu trúc tinh thể: monoclinic, tetragonal và khối. Mật độ lần lượt là 10,3, 10,1 và 10,43g/cm3. Điểm nóng chảy 2780-2920K. Điểm sôi 5400K. Hệ số giãn nở nhiệt 5,8 × 10-6/. Không hòa tan trong nước, axit clohydric và axit nitric, nhưng hòa tan trong axit sunfuric cô đặc và axit hydrofluoric. Được sản xuất bởi sự phân hủy nhiệt hoặc thủy phân các hợp chất như hafnium sulfate và hafnium oxychloride. Nguyên liệu thô để sản xuất hợp kim hafnium và hafnium kim loại. Được sử dụng làm vật liệu chịu lửa, lớp phủ chống phóng xạ và chất xúc tác. [5] HFO mức năng lượng nguyên tử là một sản phẩm thu được đồng thời khi sản xuất ZRO mức năng lượng nguyên tử. Bắt đầu từ clo hóa thứ cấp, các quá trình tinh chế, giảm và chưng cất chân không gần giống với các quá trình của zirconium.
Hafnium tetrachloride: Hafnium (IV) clorua, hafnium tetrachloride công thức phân tử HFCL4 Trọng lượng phân tử 320.30 Đặc tính: Khối tinh thể trắng. Nhạy cảm với độ ẩm. Hòa tan trong acetone và metanol. Thủy phân trong nước để tạo ra hafnium oxychloride (Hfocl2). Đun nóng đến 250 và bay hơi. Kích thích đến mắt, hệ hô hấp và da.
Hafnium hydroxide: Hafnium hydroxit (H4HFO4), thường có mặt dưới dạng oxit ngậm nước HFO2 · NH2O, không hòa tan trong nước, dễ dàng hòa tan trong axit vô cơ, không hòa tan trong amoniac và hiếm khi hòa tan trong nốt. Nhiệt đến 100 ℃ để tạo ra hafnium hydroxit HFO (OH) 2. Kết tủa hafnium hydroxit trắng có thể thu được bằng cách phản ứng muối hafnium (IV) với nước amoniac. Nó có thể được sử dụng để sản xuất các hợp chất hafnium khác.
Lịch sử nghiên cứu
Lịch sử khám phá:
Năm 1923, nhà hóa học Thụy Điển Hervey và nhà vật lý người Hà Lan D. Koster đã phát hiện ra hafnium ở Zircon được sản xuất ở Na Uy và Greenland, và đặt tên là Hafnium, có nguồn gốc từ tên tiếng Latin Hafnia của Copenhagen. Năm 1925, Hervey và coster tách zirconium và titan bằng phương pháp kết tinh phân đoạn của muối phức hợp flo để thu được muối hafnium nguyên chất; Và giảm muối hafnium với natri kim loại để thu được hafnium kim loại nguyên chất. Hervey đã chuẩn bị một mẫu của một vài miligam hafnium tinh khiết.
Các thí nghiệm hóa học trên zirconium và hafnium:
Trong một thí nghiệm được thực hiện bởi Giáo sư Carl Collins tại Đại học Texas năm 1998, người ta đã tuyên bố rằng gamma chiếu xạ hafnium 178M2 (đồng phân hafnium-178M2 [7]) có thể giải phóng năng lượng khổng lồ, cao hơn năm thứ tự cao hơn so với phản ứng hóa học cao hơn ba lần phản ứng cao hơn. . Báo cáo của Collins nói rằng một gram HF178M2 thuần túy (Hafnium 178M2) chứa khoảng 1330 megajoules, tương đương với năng lượng được giải phóng bởi vụ nổ 300 kg chất nổ TNT. Báo cáo của Collins chỉ ra rằng tất cả năng lượng trong phản ứng này được giải phóng dưới dạng tia X hoặc tia gamma, giải phóng năng lượng với tốc độ cực nhanh và HF178M2 (Hafnium 178M2) vẫn có thể phản ứng ở nồng độ cực thấp. [9] Lầu năm góc đã phân bổ các quỹ cho nghiên cứu. Trong thí nghiệm, tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu là rất thấp (với các lỗi đáng kể) và kể từ đó, mặc dù có nhiều thí nghiệm của các nhà khoa học từ nhiều tổ chức bao gồm Cơ quan nghiên cứu dự án nâng cao quốc phòng Hoa Kỳ Phát xạ tia gamma để giải phóng năng lượng từ HF178M2 (Hafnium 178M2) [15], nhưng các nhà khoa học khác đã chứng minh về mặt lý thuyết rằng phản ứng này không thể đạt được. [16] HF178M2 (Hafnium 178M2) được tin tưởng rộng rãi vào cộng đồng học thuật không phải là nguồn năng lượng
Trường ứng dụng:
Hafnium rất hữu ích do khả năng phát ra các electron, như được sử dụng như một sợi trong đèn sợi đốt. Được sử dụng làm cực âm cho các ống tia X, và hợp kim của hafnium và vonfram hoặc molybden được sử dụng làm điện cực cho các ống phóng điện cao áp. Thường được sử dụng trong ngành công nghiệp sản xuất dây von-từ và dây vonfram cho tia X. Hafnium tinh khiết là một vật liệu quan trọng trong ngành công nghiệp năng lượng nguyên tử do tính dẻo, xử lý dễ dàng, kháng nhiệt độ cao và khả năng chống ăn mòn. Hafnium có một mặt cắt giữ neutron nhiệt lớn và là một chất hấp thụ neutron lý tưởng, có thể được sử dụng như một thanh điều khiển và thiết bị bảo vệ cho các lò phản ứng nguyên tử. Bột hafnium có thể được sử dụng như một chất đẩy cho tên lửa. Các cực âm của ống tia X có thể được sản xuất trong ngành điện. Hợp kim Hafnium có thể đóng vai trò là lớp bảo vệ phía trước cho vòi phun tên lửa và trượt máy bay tái nhập, trong khi hợp kim HF TA có thể được sử dụng để sản xuất vật liệu thép và vật liệu kháng. Hafnium được sử dụng như một nguyên tố phụ gia trong các hợp kim chịu nhiệt, chẳng hạn như vonfram, molypdenum và tantalum. HFC có thể được sử dụng như một chất phụ gia cho các hợp kim cứng do độ cứng và điểm nóng chảy cao của nó. Điểm nóng chảy của 4TACHFC là khoảng 4215, làm cho nó trở thành hợp chất có điểm nóng chảy cao nhất được biết đến. Hafnium có thể được sử dụng như một getter trong nhiều hệ thống lạm phát. Hafnium getters có thể loại bỏ các loại khí không cần thiết như oxy và nitơ có trong hệ thống. Hafnium thường được sử dụng như một chất phụ gia trong dầu thủy lực để ngăn chặn sự bay hơi của dầu thủy lực trong các hoạt động có nguy cơ cao và có đặc tính chống biến động mạnh. Do đó, nó thường được sử dụng trong dầu thủy lực công nghiệp. Dầu thủy lực y tế.
Yếu tố Hafnium cũng được sử dụng trong bộ xử lý nano Intel 45 mới nhất. Do khả năng sản xuất của silicon dioxide (SiO2) và khả năng giảm độ dày của nó để cải thiện hiệu suất bóng bán dẫn liên tục, các nhà sản xuất bộ xử lý sử dụng silicon dioxide làm vật liệu cho điện môi cổng. Khi Intel giới thiệu quy trình sản xuất 65 nanomet, mặc dù nó đã nỗ lực để giảm độ dày của điện môi silicon dioxide Gate xuống 1,2 nanomet, tương đương với 5 lớp nguyên tử, độ khó của tiêu thụ điện năng và việc tiêu thụ nhiệt cũng sẽ tăng lên. Do đó, nếu các vật liệu hiện tại được tiếp tục được sử dụng và độ dày được giảm thêm, rò rỉ điện môi cổng sẽ tăng đáng kể, đưa công nghệ bóng bán dẫn xuống giới hạn của nó. Để giải quyết vấn đề quan trọng này, Intel đang lên kế hoạch sử dụng các vật liệu K cao hơn (vật liệu dựa trên hafnium) làm điện môi cổng thay vì silicon dioxide, đã giảm thành công rò rỉ hơn 10 lần. So với thế hệ công nghệ 65nm trước đó, quá trình 45nm của Intel tăng mật độ bóng bán dẫn gần hai lần, cho phép tăng tổng số bóng bán dẫn hoặc giảm khối lượng bộ xử lý. Ngoài ra, công suất cần thiết cho chuyển đổi bóng bán dẫn thấp hơn, giảm mức tiêu thụ điện năng gần 30%. Các kết nối bên trong được làm bằng dây đồng được kết hợp với điện môi k thấp, cải thiện hiệu quả và giảm mức tiêu thụ điện năng và tốc độ chuyển đổi nhanh hơn khoảng 20%
Phân phối khoáng sản:
Hafnium có sự phong phú của vỏ cao hơn so với các kim loại thường được sử dụng như bismuth, cadmium và thủy ngân, và tương đương với nội dung với beryllium, germanium và uranium. Tất cả các khoáng chất chứa zirconium chứa hafnium. Zircon được sử dụng trong công nghiệp chứa 0,5-2% hafnium. Beryllium zircon (alvite) trong quặng zirconium thứ cấp có thể chứa tới 15% hafnium. Ngoài ra còn có một loại zircon biến chất, cyrtolite, chứa hơn 5% HFO. Dự trữ của hai khoáng sản sau này là nhỏ và chưa được áp dụng trong ngành công nghiệp. Hafnium chủ yếu được phục hồi trong quá trình sản xuất zirconium.
Nó tồn tại trong hầu hết các quặng zirconium. [18] [19] Vì có rất ít nội dung trong lớp vỏ. Nó thường cùng tồn tại với zirconium và không có quặng riêng biệt.
Phương pháp chuẩn bị:
1. Nó có thể được điều chế bằng cách giảm magiê hafnium tetrachloride hoặc phân hủy nhiệt của hafnium iodide. HFCL4 và K2HFF6 cũng có thể được sử dụng làm nguyên liệu thô. Quá trình sản xuất điện phân trong NaCl KCl HFCL4 hoặc K2HFF6 tan chảy tương tự như sản xuất điện phân của zirconium.
2. Hafnium cùng tồn tại với zirconium, và không có nguyên liệu thô riêng biệt cho hafnium. Nguyên liệu thô để sản xuất hafnium là oxit hafnium thô được phân tách trong quá trình sản xuất zirconium. Chiết xuất oxit hafnium bằng nhựa trao đổi ion, và sau đó sử dụng phương pháp tương tự như zirconium để chuẩn bị hafnium kim loại từ oxit hafnium này.
3. Nó có thể được điều chế bằng cách CO làm nóng hafnium tetrachloride (HFCL4) với natri thông qua giảm.
Các phương pháp sớm nhất để tách zirconium và hafnium là sự kết tinh phân đoạn của các muối phức hợp fluorin và kết tủa phân đoạn của phốt phát. Các phương pháp này rất cồng kềnh để vận hành và được giới hạn trong việc sử dụng trong phòng thí nghiệm. Các công nghệ mới để phân tách zirconium và hafnium, chẳng hạn như chưng cất phân đoạn, chiết dung môi, trao đổi ion và hấp phụ phân đoạn, đã xuất hiện lần lượt, với chiết xuất dung môi là thực tế hơn. Hai hệ thống phân tách thường được sử dụng là hệ thống cyclohexanone thiocyanate và hệ thống axit nitric của Tributyl phosphate. Các sản phẩm thu được bằng các phương pháp trên là tất cả các hafnium hydroxit, và oxit hafnium tinh khiết có thể thu được bằng cách nung. Hafnium có độ tinh khiết cao có thể thu được bằng phương pháp trao đổi ion.
Trong ngành công nghiệp, việc sản xuất hafnium kim loại thường liên quan đến cả quy trình Kroll và quy trình Debor Aker. Quá trình Kroll liên quan đến việc giảm hafnium tetrachloride bằng cách sử dụng magiê kim loại:
2mg+hfcl4- → 2mgcl2+hf
Phương pháp Debor Aker, còn được gọi là phương pháp iodization, được sử dụng để tinh chế miếng bọt biển như hafnium và thu được hafnium kim loại dễ uốn.
5. Sự luyện kim hafnium về cơ bản giống như của zirconium:
Bước đầu tiên là sự phân hủy của quặng, bao gồm ba phương pháp: clo hóa zircon để thu được (ZR, HF) Cl. Khan chảy kiềm của zircon. Zircon tan chảy với NaOH ở khoảng 600, và hơn 90% (Zr, HF) O biến thành Na (Zr, HF) O, với SiO biến thành Nasio, được hòa tan trong nước để loại bỏ. NA (ZR, HF) O có thể được sử dụng làm dung dịch ban đầu để tách zirconium và hafnium sau khi được hòa tan trong HNO. Tuy nhiên, sự hiện diện của chất keo SiO làm cho việc tách dung môi trở nên khó khăn. Thiêu kết với KSIF và ngâm trong nước để thu được dung dịch K (ZR, HF) F. Dung dịch có thể tách zirconium và hafnium thông qua kết tinh phân đoạn;
Bước thứ hai là sự tách biệt của zirconium và hafnium, có thể đạt được bằng cách sử dụng các phương pháp tách chiết dung môi bằng hệ thống axit hydrochloric mibk (methyl isobutyl ketone) và hệ thống HNO-TBP (Tributyl phosphate). Công nghệ phân đoạn nhiều giai đoạn sử dụng sự khác biệt về áp suất hơi giữa HFCL và ZRCL tan chảy dưới áp suất cao (trên 20 khí quyển) đã được nghiên cứu từ lâu, có thể tiết kiệm quá trình clo hóa thứ cấp và giảm chi phí. Tuy nhiên, do vấn đề ăn mòn của (ZR, HF) CL và HCl, không dễ để tìm thấy vật liệu cột phân đoạn phù hợp, và nó cũng sẽ làm giảm chất lượng của ZRCL và HFCL, tăng chi phí tinh chế. Vào những năm 1970, nó vẫn đang trong giai đoạn thử nghiệm nhà máy trung gian;
Bước thứ ba là clo hóa thứ cấp của HFO để có được HFCL thô để giảm;
Bước thứ tư là tinh chế giảm HFCL và magiê. Quá trình này giống như việc tinh chế và giảm ZRCL, và sản phẩm bán hoàn thành kết quả là hafnium bọt biển thô;
Bước thứ năm là để chưng cất chân không hafnium hafnium để loại bỏ mgcl và thu hồi magiê kim loại dư thừa, dẫn đến một sản phẩm hoàn chỉnh của hafnium kim loại bọt biển. Nếu chất khử sử dụng natri thay vì magiê, bước thứ năm nên được thay đổi thành ngâm nước
Phương pháp lưu trữ:
Lưu trữ trong một nhà kho mát mẻ và thông gió. Tránh xa tia lửa và nguồn nhiệt. Nó nên được lưu trữ riêng biệt với các chất oxy hóa, axit, halogen, v.v., và tránh trộn lưu trữ. Sử dụng ánh sáng chống nổ và các cơ sở thông gió. Cấm sử dụng các thiết bị cơ học và các công cụ dễ bị tia lửa. Khu vực lưu trữ nên được trang bị các vật liệu phù hợp để chứa rò rỉ.
Thời gian đăng: Tháng 9-25-2023