DET hafnium, Hf, er et overgangsmetal med atomnummer 72, placeret i gruppe 4 i Periodiske system. Det forekommer naturligt med grundstoffet, der er lige over det, zirconium, men de er svære at adskille på grund af den store kemiske lighed mellem dem. Lantanisk sammentrækning får hafnium til at have en atomradius næsten lig med zirconiums, hvilket letter udvekslingen mellem de to i sammensætningen af mineraler.
Hafnium er næppe til stede i jordskorpen, men det har vigtige anvendelser. En af dem er i fremstillingen af neutronkontrolstave i atomreaktorer, som styrer fissionsreaktionerne. Det kan også bruges til fremstilling af metalliske superlegeringer og højtemperaturkeramik.
Læs også: Yttrium — metal, der er meget udbredt i elektronik
hafnium resumé
Det forekommer naturligt med zirconium.
Den er ikke særlig til stede i jordskorpen.
Lantanisk sammentrækning gør adskillelsen af hafnium og zirconium vanskelig.
Det findes grundlæggende i zirkonit.
Det bruges til fremstilling af neutronkontrolstænger i atomreaktorer.
Det blev opdaget af Georg von Hevesey og Dirk Coster.
Hafnium Ejendomme
Symbol: Hf
Atom nummer: 72
atommasse: 178,49 c.u.s.
elektronisk konfiguration: [Xe] 6s2 4f14 5d2
Fusionspunkt: 2233 °C
Kogepunkt: 4600 °C
Massefylde: 13,3 g.cm-3
kemisk serie: overgangsmetal, gruppe 4
hafnium egenskaber
Hafnium er en gråligt metal naturligt forekommende i jordskorpen med omkring 5,3 mg for hvert kilo skorpe. Når det er findelt, er det et pyroforisk materiale, det vil sige, det er tilbøjeligt til forbrænding spontant i kontakt med luften, men i sin rå form er det ikke.
Hafnium er et af de første grundstoffer i det periodiske system, der har virkningen af den såkaldte lanthanidkontraktion, hvor en sammentrækning af atomradius under lanthanid-serien. Som en konsekvens heraf hafnium ray er ens til elementet lige over ham i det periodiske system, zirkonium, hvis forskel kun er 13.00 (picometer, 10-12 m). Som følge heraf er nogle egenskaber meget lig hinanden, hvilket gør, at de optræder sammen i naturen og er svære at adskille.
Det er en metal som kan undergå syreangreb ved høje temperaturer, men ikke lider nogen virkning af alkaliske opløsninger, selv ved højere temperaturer. Kemien af hafnium er dårligt forstået sammenlignet med zirconium. Imidlertid er meget af hafniums kemiske opførsel minder om zirconiums, såsom overvægten af +4-oxidationstilstanden i opløsning og reaktionen med det meste af ikke-metaller ved høj temperatur.
Hf + O2 → HfO2
Hf + 2 Cl2 → HfCl4
Tjek det ud på vores podcast: Hård som en diamant - hvad betyder det?
Forekomst af hafnium
hafnium er lidt til stede i jordskorpen, der primært forekommer forbundet med zirconium i mineraler som zirconit, et blandet silikat af zirconium og hafnium, som også kan indeholde andre grundstoffer. Den kemiske formel kan repræsenteres af (Zr, Hf) SiO4 og hafniumindholdet varierer sædvanligvis fra 1 % til 4 vægtprocent. Forholdet mellem zirconium og hafnium er 50:1 i zirconit, og som sagt er de ret svære at adskille.
DET udvinding af zirconium-hafnium blanding fra zircon kan ske ved omdannelse af oxidet af disse metaller til deres tetrachlorid ved høj temperatur. I et andet trin vil tetrachloridet af metallerne blive reduceret med magnesium i atmosfære af argon, ved meget høj temperatur. De følgende reaktioner demonstrerer processen, hvor M kan være enten Hf eller Zr.
MO2 → MCl4 (ved at bruge CCl4 ved 770 K temperatur)
MCl4 → M (ved at bruge Mg i en atmosfære af luft ved 1420 K temperatur)
DET adskillelse mellem de to kan involvere nogle teknikkersåsom fraktioneret krystallisation af K-salte2ZrF6 og K2HfF6, som har forskellig opløselighed i vand. Det er også muligt at lave en opløsningsmiddelekstraktion, hvor Zr- og Hf-forbindelser opløses i vand og derefter selektivt ekstraheres med organiske opløsningsmidler. Det er værd at bemærke, at disse ikke er de eneste teknikker til at adskille hafnium og zirconium. Industrien har allerede udviklet hydrometallurgiske (dvs. som forekommer i vandig opløsning) og pyrometallurgiske (uden tilstedeværelse af vand) ruter.
hafnium applikationer
Når det blandes med zirconium, kan hafnium være en vigtig forbedring af stålets fysiske egenskaber. Når det er rent, kan metallisk hafnium indarbejdes i legeringer af jern, titanium og niobium. Lighederne med zirconium gør det muligt for hafnium at være en god erstatning for dette metal, selvom det er lidt usandsynligt givet det højere naturligt forekommende zirconium.
Der er dog en stor brug af hafnium produktion af pinde(også kendtDets som pinde eller stænger) af kontrol i atomkraftværker. Da det er et metal med god absorptionsevne på neutroner, hafnium kan bruges til at forhindre kædereaktioner i at opstå i anlægget, hvilket tillader kontrol af den genererede energi og minimerer sandsynligheden for ulykker. Det er værd at huske på, at uranfission, for eksempel, altid genererer neutroner, som kunne kollidere med nye urankerner, i en effekt, der ville generere energi i en geometrisk progression.
Endelig kan hafnium også være bruges i højtemperaturkeramik, da det er i stand til at producere meget ildfaste materialer såsom borider og karbider, der overstiger 3000 °C smeltepunkt.
hafnium historie
Hafnium fulgte tendensen med grundstoffer opdaget gennem det 20. århundrede. var opdaget i små mængder og han fik også fejlagtigt påpeget sin opdagelse. Dette skete med Georges Urbain, som mente, at element 72 var en sjælden jordart og ikke et overgangsmetal. Derfor, Urbain begyndte at lede efter det i blandinger af mineralet ytterbium, hvor han medopdagede grundstoffet lutetium, atomnummer 71. Således publicerede han i 1911 en artikel, hvori han præsenterede, hvad der ville være spektroskopiske data for et nyt grundstof, som han kaldte celtium.
For at bestemme dets atomnummer og bekræfte sin opdagelse tog Urbain til England i 1914 for at udføre røntgen-emissionsforsøg udviklet af Henry Moseley. Eksperimenter kunne dog ikke bevise, at det formodede grundstof Celtium faktisk var grundstof 72. Så overbevist om sin indsats gik Georges Urbain så langt som at sige til Rutherford, senere, at den manglende verificering af hans opdagelse skyldtes fejl i Moseleys metoder.
I den modsatte retning og i lyset af nye ideer om atomstrukturen, Georg von Hevesy antog, at element 72 måtte være et overgangsmetal og begyndte dermed videre studier hos sin kollega Dirk Coster. Røntgenanalyse af små prøver af zirconiumsilikat afslørede eksistensen af et stof ukendt, med spektroskopiske karakteristika svarende til dem, der er forudsagt af Moseley for et sådant grundstof.
Efter prøveoprensning,Vpå Hevesy og Coster offentliggjorde deres resultater, der foreslår navnet hafnium for det nye grundstof, der hentyder til det latinske navn for byen København, Hafnia, stedet for opdagelsen. Alligevel fortsatte Urbain med at kæmpe for opdagelsen af celtium i mange år, indtil eksperimentelle teknikker viste, at hafnium og celtium producerede forskellige reaktioner. Som svar på dette blev det, som Moseley allerede havde mistanke om, bekræftet: Celtium var i virkeligheden højt oprenset lutetium.
Læs også: Opdagelse af ilt - den bedrift, der ændrede forløbet af forbrændingsstudier
Øvelser løst på hafnium
Spørgsmål 1
Hafnium er et grundstof meget lig zirconium, som er lige over det i det periodiske system. Vi kan forklare denne store lighed, fordi:
(A) Hafnium og zirconium har samme masse.
(B) Hafnium og zirconium har det samme antal protoner.
(C) Hafnium og zirconium er i samme gruppe i det periodiske system.
(D) Hafnium og zirconium har det samme antal elektroner.
(E) Hafnium og zirconium er begge metalliske grundstoffer.
Svar: bogstav C
Ligheden mellem Hf og Zr stammer fra deres tilhørsforhold til samme gruppe i det periodiske system. Tabellen placerer i grupperne elementer der har lignende kemiske egenskaber. Skabelonen er således bogstavet C.
spørgsmål 2
Ligesom zirconium optræder hafnium i sin mest stabile form med et oxidationstal på +4. Sædvanligvis kan hafnium binde halogener.
Den mest egnede formel for hafniumfluorid IV ville være:
(A) HfF
(B) HfF2
(C) HfF3
(D) HfF4
(E) Hf2F3
Svar: bogstav D
DET fluor Den har et fast oxidationstal, altid lig med -1. Da Hf er et grundstof med NOx lig med +4, er der brug for fire fluoratomer for at neutralisere ladningen af Hf. Således er forbindelsen hafniumfluorid IV HfF4, beskrevet i bogstav D.
Af Stefano Araújo Novais
Kemi lærer
