Hafnium (Hf): Eigenschaften, Gewinnung, Anwendung

DAS Hafnium, Hf, ist ein Übergangsmetall der Ordnungszahl 72, das sich in der 4. Gruppe befindet Periodensystem. Es kommt natürlicherweise mit dem direkt darüber liegenden Element, Zirkonium, vor, aber sie sind aufgrund der großen chemischen Ähnlichkeit zwischen ihnen schwer zu trennen. Lanthankontraktion bewirkt, dass Hafnium a hat Atomradius fast gleich dem von Zirkonium, was den Austausch zwischen den beiden in der Zusammensetzung der Mineralien erleichtert.

Hafnium kommt in der Erdkruste kaum vor, hat aber wichtige Anwendungen. Einer davon ist die Herstellung von Neutronensteuerstäben in Kernreaktoren, die die Spaltungsreaktionen steuern. Es kann auch bei der Herstellung von metallischen Superlegierungen und Hochtemperaturkeramiken verwendet werden.

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Hafnium Zusammenfassung

• Es kommt natürlicherweise mit Zirkonium vor.

• Es ist in der Erdkruste nicht sehr präsent.

• Lanthankontraktion macht die Trennung von Hafnium und Zirkonium schwierig.

• Es kommt hauptsächlich in Zirkonit vor.

• Es wird bei der Herstellung von Neutronensteuerstäben verwendet Kernreaktoren.

• Es wurde von Georg von Hevesey und Dirk Coster entdeckt.

Hafnium-Eigenschaften

• Symbol: Hf

• Ordnungszahl: 72

• Atommasse: 178,49 Kubikmeter

• elektronische Konfiguration: [Xe] 6s² 4f¹⁴ 5d²

• Schmelzpunkt: 2233 °C

• Siedepunkt: 4600°C

• Dichte: 13,3 g.cm^-3

• chemische Reihe: Übergangsmetall, Gruppe 4

Hafnium-Eigenschaften

Hafnium ist ein graues Metall natürlich in der Erdkruste vorkommend, mit etwa 5,3 mg pro Kilogramm Kruste. Wenn es fein zerteilt ist, ist es ein pyrophores Material, das heißt, es neigt dazu Verbrennung spontan in Kontakt mit der Luft, in seiner rohen Form jedoch nicht.

Metallische Hafniumprobe mit einer geschätzten Reinheit von 99,9 %.

Hafnium ist eines der ersten Elemente des Periodensystems, das die Wirkung der sogenannten Lanthanidenkontraktion hat, bei der eine Kontraktion der Atomradius während der Lanthanidenreihe. Als Folge davon ist die Hafniumstrahl ist ähnlich zum Element direkt darüber ihn im Periodensystem, das Zirkonium, dessen Differenz nur 13 Uhr (Picometer, 10^-12 m). Infolgedessen sind einige Eigenschaften einander sehr ähnlich, sodass sie in der Natur zusammen vorkommen und schwer zu trennen sind.

Es ist ein Metall das bei hohen Temperaturen säureangriffsfähig ist, aber selbst bei höheren Temperaturen keine Einwirkung von alkalischen Lösungen erleidet. Die Chemie von Hafnium ist im Vergleich zu Zirkonium kaum verstanden. Allerdings ein Großteil der Das chemische Verhalten von Hafnium ähnelt dem von Zirkonium, wie das Vorherrschen der Oxidationsstufe +4 in Lösung und die Reaktion mit den meisten Nichtmetalle bei hoher Temperatur.

Hf + O₂ → HfO₂

Hf + 2 Cl₂ → HfCl₄

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Vorkommen von Hafnium

Hafnium ist wenig vorhanden in der Erdkruste, das hauptsächlich in Verbindung mit Zirkonium in Mineralien wie Zirkonit vorkommt, einem Mischsilikat aus Zirkonium und Hafnium, das auch andere Elemente enthalten kann. Die chemische Formel kann durch (Zr, Hf)SiO dargestellt werden₄ und der Hafniumgehalt variiert üblicherweise von 1 bis 4 Massen-%. Das Verhältnis von Zirkonium zu Hafnium beträgt 50:1 in Zirkonit, und wie gesagt, sie sind ziemlich schwer zu trennen.

Zirkonit oder Zirkon ist eine natürliche Quelle für Hafnium.

DAS Extraktion einer Zirkonium-Hafnium-Mischung aus Zirkon kann bei der Umwandlung des Oxids dieser Metalle in ihr Tetrachlorid bei hoher Temperatur auftreten. In einem zweiten Schritt wird das Tetrachlorid der Metalle durch reduziert Magnesium in Atmosphäre von Argon, bei sehr hoher Temperatur. Die folgenden Reaktionen demonstrieren das Verfahren, wobei M entweder Hf oder Zr sein kann.

MO₂ → MCl₄ (mit CCl₄ bei 770 K Temperatur)

MCl₄ → M (unter Verwendung von Mg in einer Luftatmosphäre bei 1420 K Temperatur)

DAS Die Trennung zwischen den beiden kann einige Techniken beinhalten, wie die fraktionierte Kristallisation von K-Salzen₂ZrF₆ und k₂HfF₆, die in Wasser unterschiedliche Löslichkeiten aufweisen. Es ist auch möglich, eine Lösungsmittelextraktion durchzuführen, bei der Zr- und Hf-Verbindungen in Wasser gelöst und dann selektiv mit organischen Lösungsmitteln extrahiert werden. Es ist erwähnenswert, dass dies nicht die einzigen Techniken zum Trennen von Hafnium und Zirkonium sind. Die Industrie hat bereits hydrometallurgische (dh in wässriger Lösung auftretende) und pyrometallurgische (ohne Anwesenheit von Wasser) Wege entwickelt.

Hafnium-Anwendungen

In Mischung mit Zirkonium kann Hafnium a wichtiger Verbesserer der physikalischen Eigenschaften von Stahl. Als reines, metallisches Hafnium kann es in Legierungen eingearbeitet werden Eisen, Titan und Niob. Die Ähnlichkeiten mit Zirkonium machen es möglich, dass Hafnium ein guter Ersatz für dieses Metall ist, obwohl es angesichts des höheren natürlich vorkommenden Zirkoniums etwas unwahrscheinlich ist.

Eine große Verwendung von Hafnium ist jedoch in Herstellung von Stöcken(auch bekanntDers wie Stöcke oder Stangen) der Kontrolle in Atomkraftwerke. Da es sich um ein Metall mit guter Aufnahmefähigkeit handelt Neutronen, kann Hafnium verwendet werden, um das Auftreten von Kettenreaktionen in der Anlage zu verhindern, wodurch die erzeugte Energie kontrolliert und die Wahrscheinlichkeit von Unfällen minimiert werden kann. Es sei daran erinnert, dass zum Beispiel die Uranspaltung immer Neutronen erzeugt, die mit neuen Urankernen kollidieren könnten, in einem Effekt, der Energie in einer geometrischen Progression erzeugen würde.

Steuerstäbe für die Neutronenausbreitung bestehen aus Hafnium.

Schließlich kann auch Hafnium sein in der Hochtemperaturkeramik verwendet, da es in der Lage ist, hochfeuerfeste Materialien wie Boride und Carbide mit einem Schmelzpunkt von über 3000 ° C herzustellen.

Hafnium Geschichte

Hafnium folgte dem Trend der im 20. Jahrhundert entdeckten Elemente. War in kleinen Mengen entdeckt und er hatte auch fälschlicherweise auf seine Entdeckung hingewiesen. Dies geschah bei Georges Urbain, der glaubte, dass Element 72 eine seltene Erde und kein Übergangsmetall sei. Deshalb, Urbain begann in Mischungen des Minerals Ytterbium danach zu suchen, in der er das Element Lutetium mit der Ordnungszahl 71 mitentdeckte. So veröffentlichte er 1911 einen Artikel, in dem er spektroskopische Daten eines neuen Elements präsentierte, das er Celtium nannte.

Um seine Ordnungszahl zu bestimmen und seine Entdeckung zu bestätigen, ging Urbain 1914 nach England, um von Henry Moseley entwickelte Röntgenemissionsexperimente durchzuführen. Experimente konnten jedoch nicht beweisen, dass das vermeintliche Element Celtium tatsächlich Element 72 war. So überzeugt von seinen Bemühungen, ging Georges Urbain sogar so weit zu sagen Rutherford, später, dass das Versäumnis, seine Entdeckung zu bestätigen, auf Fehler in Moseleys Methoden zurückzuführen sei.

In umgekehrter Richtung und angesichts neuer Vorstellungen über den atomaren Aufbau Georg von Hevesy nahm an, dass Element 72 ein Übergangsmetall sein muss und begann so ein weiteres Studium bei seinem Kollegen Dirk Coster. Die Röntgenanalyse kleiner Proben von Zirkoniumsilikat ergab die Existenz einer Substanz unbekannt, mit spektroskopischen Eigenschaften, die denen ähneln, die Moseley für ein solches Element vorhergesagt hat.

Somit ist nach der Probenreinigungvon Hevesy und Coster veröffentlichten ihre Ergebnisse, was den Namen Hafnium für das neue Element nahelegt, in Anspielung auf den lateinischen Namen der Stadt Kopenhagen, Hafnia, dem Ort der Entdeckung. Trotzdem setzte sich Urbain viele Jahre lang für die Entdeckung von Celtium ein, bis experimentelle Techniken bewiesen, dass Hafnium und Celtium unterschiedliche Reaktionen hervorriefen. Als Reaktion darauf bestätigte sich, was Moseley bereits vermutete: Celtium war tatsächlich hochreines Lutetium.

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Auf Hafnium gelöste Aufgaben

Frage 1

Hafnium ist ein dem Zirkonium sehr ähnliches Element, das im Periodensystem direkt darüber steht. Wir können diese große Ähnlichkeit erklären, weil:

(A) Hafnium und Zirkonium haben die gleiche Masse.

(B) Hafnium und Zirkonium haben die gleiche Anzahl an Protonen.

(C) Hafnium und Zirkonium befinden sich im Periodensystem in derselben Gruppe.

(D) Hafnium und Zirkonium haben die gleiche Anzahl an Elektronen.

(E) Hafnium und Zirkonium sind beides metallische Elemente.

Antwort: Buchstabe C

Die Ähnlichkeit zwischen Hf und Zr ergibt sich aus ihrer Zugehörigkeit zur gleichen Gruppe im Periodensystem. Die Tabelle stellt in den Gruppen die Elemente die ähnliche chemische Eigenschaften haben. Die Vorlage ist also der Buchstabe C.

Frage 2

Hafnium tritt wie Zirkonium in seiner stabilsten Form mit einer Oxidationszahl von +4 auf. Üblicherweise kann Hafnium Halogene binden.

Die am besten geeignete Formel für Hafniumfluorid IV wäre:

(A) HfF

(B) HfF₂

(C) HfF₃

(D) HfF₄

(E) HF₂F₃

Antwort: Buchstabe D

DAS Fluor Es hat eine feste Oxidationszahl, immer gleich -1. Da Hf ein Element mit NOx gleich +4 ist, werden vier Fluoratome benötigt, um die Ladung von Hf zu neutralisieren. Somit ist die Verbindung Hafniumfluorid IV HfF₄, beschrieben in Buchstabe D.

Von Stefano Araújo Novais
Chemielehrer