THE hafnium, Hf, je přechodný kov s atomovým číslem 72, který se nachází ve skupině 4 Periodická tabulka. Vyskytuje se přirozeně s prvkem, který je těsně nad ním, zirkonem, ale je obtížné je oddělit vzhledem k velké chemické podobnosti mezi nimi. Lanthanová kontrakce způsobuje, že hafnium má a atomový poloměr se téměř rovná poloměru zirkonia, což usnadňuje výměnu mezi těmito dvěma ve složení minerálů.
Hafnium se v zemské kůře téměř nevyskytuje, ale má důležité aplikace. Jedním z nich je výroba neutronových regulačních tyčí v jaderných reaktorech, které řídí štěpné reakce. Může být také použit při výrobě kovových superslitin a vysokoteplotní keramiky.
Přečtěte si také: Yttrium — kov široce používaný v elektronice
shrnutí hafnia
Přirozeně se vyskytuje u zirkonia.
V zemské kůře se příliš nevyskytuje.
Lanthanová kontrakce ztěžuje oddělení hafnia a zirkonia.
V zásadě se nachází v zirkonitu.
Používá se při výrobě neutronových regulačních tyčí v jaderné reaktory.
Objevili ho Georg von Hevesey a Dirk Coster.
Vlastnosti hafnia
Symbol: Hf
protonové číslo: 72
atomová hmotnost: 178,49 c.u.s.
elektronická konfigurace: [Xe] 6s2 4f14 5 d2
Fúzní bod: 2233 °C
Bod varu: 4600 °C
Hustota: 13,3 g.cm-3
chemická řada: přechodný kov, skupina 4
vlastnosti hafnia
Hafnium je a šedavý kov přirozeně se vyskytující v zemské kůře, s asi 5,3 mg na každý kilogram kůry. Když je jemně rozdělen, je to samozápalný materiál, to znamená, že je náchylný k spalování spontánní v kontaktu se vzduchem, ale v surové formě tomu tak není.
Hafnium je jedním z prvních prvků periodické tabulky, který má účinek tzv. lanthanoidové kontrakce, při níž dochází ke kontrakci atomový poloměr během série lanthanoidů. V důsledku toho, hafnium ray je podobný k prvku těsně nad ho v periodické tabulce, zirkonium, jehož rozdíl je pouze 13 hodin (pikometr, 10-12 m). V důsledku toho jsou některé vlastnosti navzájem velmi podobné, takže se v přírodě vyskytují společně a je obtížné je oddělit.
Je to a kov který může být vystaven působení kyseliny při vysokých teplotách, ale netrpí žádným působením alkalických roztoků, a to ani při vyšších teplotách. Chemie hafnia je ve srovnání se zirkoniem špatně pochopena. Nicméně, hodně z chemické chování hafnia se podobá chování zirkonia, jako je převaha oxidačního stavu +4 v roztoku a reakce s většinou nekovy při vysoké teplotě.
Hf + O2 → HfO2
Hf + 2 Cl2 → HfCl4
Podívejte se na náš podcast: Tvrdý jako diamant – co to znamená?
Výskyt hafnia
hafnium je málo přítomný v zemské kůře, vyskytující se primárně spojené se zirkoniem v minerálech, jako je zirkonit, směsný křemičitan zirkonia a hafnia, který může také obsahovat další prvky. Chemický vzorec může být reprezentován (Zr, Hf) SiO4 a obsah hafnia se obvykle pohybuje od 1 % do 4 % hmotnostních. Poměr zirkonia k hafniu je v zirkonitu 50:1 a jak již bylo řečeno, je poměrně obtížné je oddělit.
THE extrakce směsi zirkonia a hafnia ze zirkonu může nastat při přeměně oxidu těchto kovů na jejich tetrachlorid při vysoké teplotě. Ve druhém kroku se tetrachlorid kovů sníží o hořčík v atmosféře argon, při velmi vysoké teplotě. Následující reakce demonstrují proces, kde M může být buď Hf nebo Zr.
MO2 → MCl4 (pomocí CCl4 při teplotě 770 K)
MCl4 → M (použití Mg v atmosféře vzduchu o teplotě 1420 K)
THE oddělení mezi těmito dvěma může zahrnovat některé technikyjako je frakční krystalizace K solí2ZrF6 a K2HfF6které mají různou rozpustnost ve vodě. Je také možné provést extrakci rozpouštědlem, při které se sloučeniny Zr a Hf rozpustí ve vodě a poté selektivně extrahují organickými rozpouštědly. Stojí za zmínku, že to nejsou jediné techniky pro separaci hafnia a zirkonia. Průmysl již vyvinul hydrometalurgické (tj. které se vyskytují ve vodném roztoku) a pyrometalurgické (bez přítomnosti vody) cesty.
aplikace hafnia
Při smíchání se zirkonem může být hafnium a důležitý zlepšovatel fyzikálních vlastností oceli. Když je čisté, kovové hafnium může být začleněno do slitin žehlička, titan a niob. Podobnosti se zirkoniem umožňují, aby hafnium bylo dobrou náhradou tohoto kovu, i když je to trochu nepravděpodobné vzhledem k vyššímu přirozeně se vyskytujícímu zirkonu.
Nicméně hlavní použití hafnia je in výroba tyčinek(také známýThes jako hůlky nebo tyče) kontroly v jaderné elektrárny. Jelikož se jedná o kov s dobrou absorpční schopností neutronyhafnium může být použito k zabránění řetězovým reakcím v továrně, což umožňuje kontrolu generované energie a minimalizuje pravděpodobnost nehod. Stojí za to připomenout, že například štěpení uranu vždy generuje neutrony, které by se mohly srazit s novými jádry uranu, a to s efektem, který by generoval energii v geometrickém postupu.
Konečně může být i hafnium používá se ve vysokoteplotní keramice, protože je schopen vyrábět vysoce žáruvzdorné materiály, jako jsou boridy a karbidy, které přesahují bod tání 3000 °C.
historie hafnia
Hafnium následovalo trend prvků objevených v průběhu 20. století. byli objevené v malém množství a na svůj objev nechal také mylně upozornit. K tomu došlo u Georgese Urbaina, který věřil, že prvek 72 je vzácná zemina a ne přechodný kov. Proto, Urbain ho začal hledat ve směsích minerálu ytterbium, ve kterém spoluobjevil prvek lutecium, atomové číslo 71. Tak v roce 1911 publikoval článek, ve kterém představil spektroskopická data nového prvku, který nazval celtium.
Aby určil její atomové číslo a potvrdil svůj objev, odjel Urbain v roce 1914 do Anglie, aby provedl experimenty s emisemi rentgenového záření, které vyvinul Henry Moseley. Experimenty však nedokázaly, že údajný prvek Celtium byl ve skutečnosti prvkem 72. Georges Urbain, tak přesvědčený o svém úsilí, zašel tak daleko, že řekl Rutherford, později, že neúspěch ověřit jeho objev byl kvůli nedostatkům v Moseleyho metodách.
V opačném směru a tváří v tvář novým představám o atomové struktuře, Georg von Hevesy předpokládal, že prvek 72 musí být přechodný kov a zahájil tak další studia u svého kolegy Dirka Costera. Rentgenová analýza malých vzorků silikátu zirkoničitého odhalila existenci látky neznámý, se spektroskopickými charakteristikami podobnými těm, které pro takový prvek předpověděl Moseley.
Po čištění vzorkuPROTIna Hevesy a Coster zveřejnili svá zjištění, což naznačuje název hafnium pro nový prvek, odkazující na latinský název pro město Kodaň, Hafnia, místo objevu. Přesto Urbain pokračoval v prosazování objevu celtia po mnoho let, dokud experimentální techniky neprokázaly, že hafnium a celtium vyvolávají různé odezvy. V reakci na to se potvrdilo to, co již Moseley tušil: Celtium bylo ve skutečnosti vysoce čištěné lutecium.
Čtěte také: Objev kyslíku — čin, který změnil průběh studií spalování
Cvičení řešená na hafnium
Otázka 1
Hafnium je prvek velmi podobný zirkoniu, které je v periodické tabulce těsně nad ním. Tuto velkou podobnost můžeme vysvětlit, protože:
(A) Hafnium a zirkonium mají stejnou hmotnost.
(B) Hafnium a zirkonium mají stejný počet protonů.
(C) Hafnium a zirkonium jsou ve stejné skupině v periodické tabulce.
(D) Hafnium a zirkonium mají stejný počet elektronů.
(E) Hafnium a zirkonium jsou oba kovové prvky.
Odpověď: písmeno C
Podobnost mezi Hf a Zr pramení z jejich příslušnosti ke stejné skupině v periodické tabulce. Tabulka umisťuje do skupin Prvky které mají podobné chemické vlastnosti. Šablona je tedy písmeno C.
otázka 2
Stejně jako zirkonium se hafnium objevuje ve své nejstabilnější formě s oxidačním číslem +4. Běžně může hafnium vázat halogeny.
Nejvhodnější vzorec pro fluorid hafnium IV by byl:
(A) HfF
(B) HfF2
(C) HfF3
(D) HfF4
(E) Hf2F3
Odpověď: písmeno D
THE fluor Má pevné oxidační číslo, vždy rovné -1. Protože Hf je prvek s NOx rovným +4, jsou k neutralizaci náboje Hf potřeba čtyři atomy fluoru. Sloučenina fluoridu hafnia IV je tedy HfF4, popsané v písmenu D.
Autor: Stefano Araújo Novais
Učitel chemie
