ال الهافنيوم، Hf ، هو معدن انتقالي من العدد الذري 72 ، يقع في المجموعة 4 من الجدول الدوري. يحدث بشكل طبيعي مع العنصر الموجود فوقه مباشرة ، الزركونيوم ، لكن يصعب فصلهما نظرًا للتشابه الكيميائي الكبير بينهما. يؤدي الانكماش اللانثاني إلى أن يكون للهافنيوم a نصف القطر الذري يساوي تقريبا الزركونيوممما يسهل التبادل بين الاثنين في تكوين المعادن.
نادرًا ما يوجد الهافنيوم في القشرة الأرضية ، ولكن له تطبيقات مهمة. أحدها في تصنيع قضبان التحكم النيوترونية في المفاعلات النووية ، والتي تتحكم في تفاعلات الانشطار. يمكن استخدامه أيضًا في إنتاج السبائك المعدنية الفائقة والسيراميك عالي الحرارة.
اقرأ أيضا: الإيتريوم - معدن يستخدم على نطاق واسع في الإلكترونيات
ملخص الهافنيوم
يوجد بشكل طبيعي مع الزركونيوم.
إنه ليس موجودًا جدًا في قشرة الأرض.
يجعل الانكماش اللانثاني فصل الهافنيوم والزركونيوم أمرًا صعبًا.
يوجد أساسًا في الزركونيت.
يتم استخدامه في تصنيع قضبان التحكم النيوترونية في المفاعلات النووية.
اكتشفه جورج فون هيفيسي وديرك كوستر.
خصائص الهافنيوم
رمز: Hf
العدد الذري: 72
الكتلة الذرية: 178.49 c.u.s.
التكوين الإلكترونية: [Xe] 6 s2 4f14 5 د2
نقطة الانصهار: 2233 درجة مئوية
نقطة الغليان: 4600 درجة مئوية
كثافة: 13.3 جرام سم-3
سلسلة كيميائية: معدن انتقالي ، المجموعة 4
خصائص الهافنيوم
الهافنيوم هو معدن رمادي يحدث بشكل طبيعي في قشرة الأرض ، بحوالي 5.3 ملغ لكل كيلوغرام من القشرة. عندما تنقسم بدقة ، فهي مادة قابلة للإشتعال ، أي أنها عرضة لها الإحتراق عند ملامسته للهواء ، فإنه ليس كذلك في شكله الخام.
الهافنيوم هو أحد العناصر الأولى في الجدول الدوري التي يكون لها تأثير ما يسمى بانكماش اللانثانيد ، حيث يكون تقلص نصف القطر الذري خلال سلسلة اللانثانيد. نتيجة لذلك ، فإن شعاع الهافنيوم مشابه للعنصر أعلاه له في الجدول الدوري، الزركونيوم، الذي يختلف اختلافه عن 1 مساءً (مقياس ضغط ، 10-12 م). نتيجة لذلك ، فإن بعض الخصائص متشابهة جدًا مع بعضها البعض ، مما يجعلها تحدث معًا في الطبيعة ويصعب الفصل بينها.
إنها فلز التي يمكن أن تتعرض لهجوم الحمض في درجات حرارة عالية ، ولكنها لا تعاني من أي تأثير من المحاليل القلوية ، حتى في درجات الحرارة المرتفعة. إن كيمياء الهافنيوم غير مفهومة بشكل جيد مقارنة بالزركونيوم. ومع ذلك ، فإن الكثير من يشبه السلوك الكيميائي للهافنيوم سلوك الزركونيوم، مثل غلبة حالة الأكسدة +4 في المحلول والتفاعل مع معظم اللافلزات في درجة حرارة عالية.
Hf + O2 → HfO2
Hf + 2 سل2 → حمض الهيدروكلوريك4
تحقق من ذلك على البودكاست الخاص بنا: صعب مثل الماس - ماذا يعني ذلك؟
حدوث الهافنيوم
الهافنيوم القليل من الوجود في قشرة الأرض، التي تحدث بشكل أساسي مع الزركونيوم في معادن مثل الزركونيت ، وهو مزيج من سيليكات الزركونيوم والهفنيوم ، والذي قد يحتوي أيضًا على عناصر أخرى. يمكن تمثيل الصيغة الكيميائية بـ (Zr، Hf) SiO4 ويتراوح محتوى الهافنيوم عادة من 1٪ إلى 4٪ بالكتلة. نسبة الزركونيوم إلى الهافنيوم هي 50: 1 في الزركونيت ، وكما قيل ، يصعب فصلها.
ال استخراج خليط الزركونيوم والهافنيوم من الزركون يمكن أن يحدث مع تحويل أكسيد هذه المعادن إلى رباعي كلوريد ، عند درجة حرارة عالية. في الخطوة الثانية ، سيتم تقليل رباعي كلوريد المعادن بمقدار المغنيسيوم في جو الأرجون، في درجة حرارة عالية جدا. توضح التفاعلات التالية العملية ، حيث يمكن أن تكون M إما Hf أو Zr.
MO2 → MCl4 (باستخدام CCl4 عند درجة حرارة 770 كلفن)
MCl4 → M (باستخدام Mg في جو من الهواء عند درجة حرارة 1420 كلفن)
ال قد يتضمن الفصل بين الاثنين بعض التقنيات، مثل التبلور الجزئي لأملاح البوتاسيوم2ZrF6 وك2HfF6، والتي لها قابلية ذوبان مختلفة في الماء. من الممكن أيضًا إجراء استخلاص بالمذيب ، حيث يتم إذابة مركبات Zr و Hf في الماء ثم يتم استخلاصها بشكل انتقائي باستخدام المذيبات العضوية. وتجدر الإشارة إلى أن هذه ليست التقنيات الوحيدة لفصل الهافنيوم والزركونيوم. لقد طورت الصناعة بالفعل طرق استخلاص المعادن من الفلزات (أي التي تحدث في محلول مائي) وطرق استخلاص المعادن من الفلزات الحرارية (بدون وجود الماء).
تطبيقات الهافنيوم
عند مزجه مع الزركونيوم ، يمكن أن يكون الهافنيوم a مُحسِّن مهم للخصائص الفيزيائية للصلب. عندما نقي ، يمكن دمج الهافنيوم المعدني في سبائك من حديد, التيتانيوم و النيوبيوم. تجعل أوجه التشابه مع الزركونيوم من الممكن أن يكون الهافنيوم بديلاً جيدًا لهذا المعدن ، على الرغم من أنه من غير المحتمل بعض الشيء نظرًا لارتفاع نسبة الزركونيوم الطبيعي.
ومع ذلك ، يوجد استخدام كبير للهافنيوم إنتاج العصي(معروف ايضاالمثل العصي أو قضبان التحكم في محطات الطاقة النووية. حيث أنه معدن ذو قدرة امتصاص جيدة تبلغ النيوتروناتيمكن استخدام الهافنيوم لمنع حدوث تفاعلات متسلسلة في المصنع ، مما يسمح بالتحكم في الطاقة المتولدة وتقليل احتمالية وقوع الحوادث. من الجدير بالذكر أن انشطار اليورانيوم ، على سبيل المثال ، يولد دائمًا نيوترونات ، والتي يمكن أن تتصادم مع نوى يورانيوم جديدة ، في تأثير من شأنه أن يولد طاقة في تقدم هندسي.
أخيرًا ، يمكن أيضًا أن يكون الهافنيوم تستخدم في السيراميك بدرجة حرارة عاليةحيث أنها قادرة على إنتاج مواد عالية المقاومة للصهر مثل البوريدات والكربيدات التي تتجاوز درجة انصهارها 3000 درجة مئوية.
تاريخ الهافنيوم
اتبعت الهافنيوم اتجاه العناصر المكتشفة طوال القرن العشرين. كانوا اكتشف بكميات صغيرة وكان قد أشار إلى اكتشافه خطأ. حدث هذا مع جورج أوربان ، الذي اعتقد أن العنصر 72 هو أرض نادرة وليست معدنًا انتقاليًا. لهذا السبب، بدأ Urbain في البحث عنه في خليط من معدن الإيتربيوم، حيث شارك في اكتشاف عنصر اللوتيتيوم ، العدد الذري 71. وهكذا ، في عام 1911 ، نشر مقالًا قدم فيه ما يمكن أن يكون بيانات طيفية لعنصر جديد ، والذي أسماه سيلتيوم.
لتحديد عددها الذري وتأكيد اكتشافه ، ذهب أوربان إلى إنجلترا في عام 1914 لإجراء تجارب انبعاث الأشعة السينية التي طورها هنري موسلي. ومع ذلك ، فشلت التجارب في إثبات أن العنصر المفترض سلتيوم كان ، في الواقع ، العنصر 72. مقتنعًا جدًا بجهوده ، ذهب جورج أوربين إلى حد القول رذرفورد، لاحقًا ، أن الفشل في التحقق من اكتشافه كان بسبب عيوب في أساليب موسلي.
في الاتجاه المعاكس وفي مواجهة الأفكار الجديدة حول التركيب الذري ، افترض جورج فون هيفسي أن العنصر 72 يجب أن يكون معدنًا انتقاليًا وهكذا بدأ المزيد من الدراسات مع زميله ديرك كوستر. كشف تحليل الأشعة السينية لعينات صغيرة من سيليكات الزركونيوم عن وجود مادة غير معروف ، بخصائص طيفية مشابهة لتلك التي تنبأ بها موسلي لمثل هذا العنصر.
وبالتالي ، بعد تنقية العينة ،الخامسعلى Hevesy و Coster نشر النتائج التي توصلوا إليها، مما يشير إلى اسم الهافنيوم للعنصر الجديد ، في إشارة إلى الاسم اللاتيني لمدينة كوبنهاغن ، هافنيا ، موقع الاكتشاف. ومع ذلك ، استمر أوربان في الدفاع عن اكتشاف السلتيوم لسنوات عديدة ، حتى أثبتت التقنيات التجريبية أن الهافنيوم والكلتيوم أنتجا استجابات مختلفة. رداً على ذلك ، تم تأكيد ما اشتبه به موسلي بالفعل: كان سيلتيوم ، في الواقع ، لوتيتيوم عالي النقاء.
اقرأ أيضا: اكتشاف الأكسجين - العمل الفذ الذي غير مسار دراسات الاحتراق
تمارين تحل على الهافنيوم
السؤال رقم 1
الهافنيوم عنصر مشابه جدًا للزركونيوم الموجود فوقه بقليل في الجدول الدوري. يمكننا تفسير هذا التشابه الكبير للأسباب التالية:
(أ) الهافنيوم والزركونيوم لهما نفس الكتلة.
(ب) الهافنيوم والزركونيوم لهما نفس عدد البروتونات.
(ج) الهافنيوم والزركونيوم في نفس المجموعة في الجدول الدوري.
(د) الهافنيوم والزركونيوم لهما نفس عدد الإلكترونات.
(هـ) الهافنيوم والزركونيوم كلاهما عنصران معدنيان.
رد: الحرف ج
التشابه بين Hf و Zr ينبع من الانتماء إلى نفس المجموعة في الجدول الدوري. يضع الجدول في المجموعات ملف عناصر التي لها خصائص كيميائية مماثلة. وبالتالي ، فإن القالب هو الحرف C.
السؤال 2
مثل الزركونيوم ، يظهر الهافنيوم في أكثر صوره ثباتًا مع عدد أكسدة +4. بشكل عام ، يمكن للهفنيوم أن يربط الهالوجينات.
أنسب صيغة للهافنيوم فلوريد الرابع هي:
(أ) التردد العالي
(ب) التردد العالي2
(ج) التردد العالي3
(د) التردد العالي4
(E) Hf2F3
رد: حرف د
ال الفلور له رقم أكسدة ثابت ، يساوي دائمًا -1. نظرًا لأن Hf عنصر به أكاسيد النيتروجين يساوي +4 ، هناك حاجة إلى أربع ذرات فلور لتحييد شحنة Hf. وبالتالي ، فإن مركب فلوريد الهافنيوم IV هو HfF4الموصوفة في الرسالة د.
بقلم ستيفانو أروجو نوفايس
مدرس كيمياء
