HAFNIUM: ОТКРИВАНЕ, СТРУКТУРА, СВОЙСТВА, ПРИЛОЖЕНИЯ, РИСКОВЕ - ХИМИЯ - 2025

В хафний е преходен метал, чиято химична символ е Hf и има атомно число на 72. Това е третият елемент от група 4 на Периодичната таблица, като конгенер титан и цирконий. С последното той споделя много химични свойства, като е разположен заедно в минерали от земната кора.

Търсенето на хафний се търси къде е цирконият, тъй като е страничен продукт от неговото извличане. Името на този метал идва от латинската дума "hafnia", чието значение идва от името на Копенхаген, град, където той е открит в минерали от циркон и спорът относно истинската му химическа природа приключи.

Проба от метален хафний. Източник: Hi-Res изображения на химически елементи

Хафний е метал, който остава незабелязан в общия интелект, всъщност малко хора дори са чували за него. Дори сред някои химикали това е рядък елемент, което се дължи отчасти на високата му производствена цена, тъй като в повечето от приложенията му цирконий може да го замести без проблем.

Този метал носи отличието, че е последният от най-стабилните елементи, открити тук на Земята; С други думи, другите открития представляват поредица от свръхтежки, радиоактивни елементи и / или изкуствени изотопи.

Хафниевите съединения са аналогични на тези на титан и цирконий, като окислителният номер от 4 преобладава в тях, като HfCl ₄, HfO ₂, HfI ₄ и HfBr ₄. Някои от тях оглавяват списъка с най-огнеупорни материали, създавани някога, както и сплави с голяма термична устойчивост, които също действат като отлични абсорбатори на неутрони.

Поради тази причина хафниумът има голямо участие в ядрената химия, особено по отношение на водните реактори под налягане.

откритие

Преход или рядкоземен метал

Откриването на хафний беше заобиколено от противоречия, въпреки факта, че съществуването му вече е било предвидено от 1869 г. благодарение на периодичната таблица на Менделеев.

Проблемът беше, че той беше разположен под циркония, но съвпадна в същия период на редкоземните елементи: лантаноидите. Химиците по това време не знаеха дали е преходен метал или рядкоземен метал.

Френският химик Жорж Урбейн, откривател на лутеция, съседен метал на хафний, твърди през 1911 г., че е открил елемент 72, който той наричал целций и обявил, че е рядкоземен метал. Но три години по-късно се заключи, че резултатите му са грешни и че той е изолирал само смес от лантаноиди.

Едва когато елементите са подредени от атомните им номера, благодарение на работата на Хенри Мозели през 1914 г., кварталът между лутеций и елемент 72 е поставен в доказателство, съгласувайки се с прогнозите на Менделеев, когато последният елемент е бил разположен в същата група като металите титан и цирконий.

Откриване в Копенхаген

През 1921 г., след проучванията на Нилс Бор за атомната структура и неговото прогнозиране на рентгеновия емисионен спектър за елемент 72, търсенето на този метал в редкоземни минерали е спряно; Вместо това той съсредоточи своето търсене върху циркониевите минерали, тъй като и двата елемента трябва да имат общи химични свойства.

Датският химик Дирк Костер и унгарският химик Георг фон Хевеси през 1923 г. най-накрая успяха да разпознаят спектъра, предвиден от Нилс Бор в проби от циркон от Норвегия и Гренландия. След като направиха откритието в Копенхаген, те нарекоха елемент 72 от латинското име на този град: hafnia, от който по-късно беше получено „hafnium“.

Изолация и производство

Отделянето на хафниевите атоми от тези на циркония обаче не беше лесна задача, тъй като размерите им са подобни и те реагират по същия начин. Въпреки че през 1924 г. е разработен метод за фракционна рекристализация за получаване на хафниев тетрахлорид, HfCl ₄, холандските химици Антон Едуард ван Аркел и Ян Хендрик де Бьор го редуцират до метал хафний.

За тази цел HfCl ₄ се подлага на редукция при използване на метален магнезий (Kroll процес):

HfCl ₄ + 2 Mg (1100 ° C) → 2 MgCl ₂ + Hf

От друга страна, като се излиза от хафний тетрайодид, HFI ₄, това се изпарява, за да се подложи на термично разлагане на нажежаема жичка на волфрам, на която метален хафний е депозирана за производство на лента с вид поликристален (процес на кристален бара или Процес на Аркел - Де Бур):

HfI ₄ (1700 ° C) → Hf + 2 I ₂

Хафниева структура

Хафниевите атоми, Hf, се струпват заедно при атмосферно налягане в кристал с компактна шестоъгълна структура, hcp, както правят металите титан и цирконий. Този hcp хафниев кристал се превръща в негова α фаза, която остава постоянна до температура 2030 К, когато претърпява преход към β фаза, с кубична структура, центрирана в тялото, bcc.

Това се разбира, ако се счита, че топлината "отпуска" кристала и следователно Hf атомите се стремят да се позиционират по такъв начин, че да намалят тяхното уплътняване. Тези две фази са достатъчни, за да се вземе предвид полиморфизмът на хафния.

По същия начин той представя полиморфизъм, който зависи от високото налягане. Фазите α и β съществуват при налягане от 1 атм; докато ω фазата, шестоъгълна, но още по-уплътнена от обикновения hcp, се появява, когато наляганията надвишават 40 GPa. Интересното е, че когато налягането продължава да се увеличава, β фазата, най-малко плътна, се появява отново.

Имоти

Външен вид

Сребристо-бяло твърдо вещество, което показва тъмни тонове, ако има оксидно и нитридно покритие.

Моларна маса

178.49 g / mol

Точка на топене

2233 ºC

Точка на кипене

4603 ºC

плътност

При стайна температура: 13.31 гр / см ³, е два пъти по-плътен като цирконий

Точно в точката на топене: 12 гр / см ³

Топлина от синтез

27,2 kJ / mol

Топлина от изпаряване

648 kJ / mol

Електроотрицателност

1.3 по скалата на Полинг

Йонизационни енергии

Първо: 658,5 kJ / mol (Hf ⁺ газообразен)

Второ: 1440 kJ / mol (Hf ²⁺ газообразен)

Трето: 2250 kJ / mol (Hf ³⁺ газообразни)

Топлопроводимост

23,0 W / (mK)

Електрическо съпротивление

331 nΩ m

Mohs твърдост

5.5

реактивност

Освен ако металът не е полиран и не изгори, излъчвайки искри при температура 2000 ° C, той няма чувствителност към ръжда или корозия, тъй като тънък слой от неговия оксид го предпазва. В този смисъл той е един от най-стабилните метали. Всъщност нито силните киселини, нито силните основи могат да го разтворят; С изключение на флуороводородна киселина и халогени, способни да я окисляват.

Електронна конфигурация

Хафниевият атом има следната електронна конфигурация:

4f ¹⁴ 5d ² 6s ²

Това съвпада с факта, че принадлежи към група 4 на периодичната таблица, заедно с титан и цирконий, тъй като тя има четири валентни електрона в орбиталите 5d и 6s. Също така имайте предвид, че хафниумът не може да бъде лантаноид, тъй като неговите 4f орбитали са напълно запълнени.

Окислителни числа

Същата електронна конфигурация разкрива колко електрона хафниев атом теоретично е способен да загуби като част от съединение. Ако приемем, че губи своите четири валентни електрона, той ще остане като четиривалентна катион Hf ⁴⁺ (по аналогия с Ti ⁴⁺ и Zr ⁴⁺) и следователно ще има окислително число +4.

Това всъщност е най-стабилното и често срещано от неговите окислителни числа. Други по-малко уместни са: -2 (Hf ^2-), +1 (Hf ⁺), +2 (Hf ²⁺) и +3 (Hf ³⁺).

Изотопи

Хафний се среща на Земята като пет стабилни изотопа и един радиоактивен с много дълъг живот:

- ¹⁷⁴ Hf (0,16%, със среден живот 2– 10 ¹⁵ години, така че се счита за практически стабилен)

- ¹⁷⁶ Hf (5,26%)

- ¹⁷⁷ Hf (18,60%)

- ¹⁷⁸ Hf (27,28%)

- ¹⁷⁹ Hf (13,62%)

- ¹⁸⁰ Hf (35,08%)

Обърнете внимание, че няма такъв изотоп, който да се откроява в изобилие и това се отразява в средната атомна маса на хафний, 178,49 аму.

От всички радиоактивни изотопи на хафний, които заедно с естествените съставляват общо 34, ^{178 м2} Hf е най-противоречивият, тъй като при своето радиоактивно разпадане се отделя гама радиация, поради което тези атоми биха могли да се използват като оръжие за война,

Приложения

Ядрени реакции

Hafnium е метал, устойчив на влажност и високи температури, както и е отличен абсорбатор на неутрони. Поради тази причина се използва в водни реактори под налягане, както и при производството на контролни пръти за ядрени реактори, чиито покрития са изработени от ултра чист цирконий, тъй като той трябва да може да предава неутрони през него.,

сплави

Хафниевите атоми могат да интегрират други метални кристали, за да се получат различни сплави. Те се характеризират с това, че са устойчиви и термично устойчиви, поради което са предназначени за космически приложения, като например при изграждането на двигателни дюзи за ракети.

От друга страна, някои сплави и твърди хафниеви съединения имат специални свойства; като неговите карбиди и нитриди, HfC и HfN, съответно, които са силно огнеупорни материали. Танталов хафниев карбид, Ta ₄ HfC ₅, с точка на топене 4215 ° C, е един от най-огнеупорни материали, известни някога.

катализа

Хафниевите металоцени се използват като органични катализатори за синтеза на полимери като полиетилен и полистирен.

Рискове

Към днешна дата не е известно какво влияние могат да имат йони Hf ⁴⁺ върху тялото ни. От друга страна, тъй като те се срещат в природата в циркониевите минерали, не се смята, че те променят екосистемата, като изпускат солите си в околната среда.

Въпреки това се препоръчва внимателно да се борави с хафниевите съединения, сякаш те са токсични, дори ако няма медицински изследвания, които да доказват, че те са вредни за здравето.

Истинската опасност от хафния се крие в фино смлените частици на неговото твърдо вещество, които едва могат да изгорят, когато влязат в контакт с кислород във въздуха.

Това обяснява защо, когато е полиран, действие, което остъргва повърхността му и отделя частици от чист метал, се изгарят изгарящи искри с температура 2000 ºC; тоест хафниумът проявява пирофорност, единственото свойство, което носи риск от пожар или сериозни изгаряния.

Препратки

1. Шивър и Аткинс. (2008 г.). Неорганична химия. (Четвърто издание). Mc Graw Hill.
2. Wikipedia. (2020). Хафний. Възстановено от: en.wikipedia.org
3. Стив Гагън. (SF). Елементът Хафний. Ресурси на Джеферсън Лаборатория. Възстановено от: education.jlab.org
4. Редакторите на Encyclopaedia Britannica. (18 декември 2019 г.). Хафний. Encyclopædia Britannica. Възстановено от: britannica.com
5. Д-р Дъг Стюарт. (2020). Факти на хафниевия елемент. Възстановено от: chemicool.com
6. Национален център за информация за биотехнологиите. (2020). Хафний. PubChem база данни, AtomicNumber = 72. Възстановени от: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
7. K. Pandey et al. (SF). Повторно изследване на полиморфизъм под високо налягане в метал Hafnium. Възстановено от: arxiv.org
8. Ерик Шери. (1 септември 2009 г.). Хафний. Химия в нейните елементи. Възстановено от: chemistryworld.com