Ο άφνιο, Hf, είναι ένα μέταλλο μετάπτωσης ατομικού αριθμού 72, που βρίσκεται στην ομάδα 4 του Περιοδικός Πίνακας. Εμφανίζεται φυσικά με το στοιχείο που βρίσκεται ακριβώς από πάνω του, το ζιρκόνιο, αλλά είναι δύσκολο να διαχωριστούν δεδομένης της μεγάλης χημικής ομοιότητας μεταξύ των δύο. Η λανθανική συστολή προκαλεί το άφνιο να έχει α ατομική ακτίνα σχεδόν ίση με αυτή του ζιρκονίου, διευκολύνοντας την ανταλλαγή μεταξύ των δύο στη σύνθεση των ορυκτών.
Το άφνιο σπάνια υπάρχει στον φλοιό της γης, αλλά έχει σημαντικές εφαρμογές. Ένα από αυτά είναι η κατασκευή ράβδων ελέγχου νετρονίων σε πυρηνικούς αντιδραστήρες, οι οποίοι ελέγχουν τις αντιδράσεις σχάσης. Μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί στην παραγωγή μεταλλικών υπερκραμάτων και κεραμικών υψηλής θερμοκρασίας.
Διαβάστε επίσης: Ύττριο — μέταλλο που χρησιμοποιείται ευρέως στην ηλεκτρονική
περίληψη χαφνίου
Εμφανίζεται φυσικά με το ζιρκόνιο.
Δεν υπάρχει πολύ στον φλοιό της Γης.
Η λανθανική συστολή δυσχεραίνει το διαχωρισμό του αφνίου και του ζιρκονίου.
Βασικά βρίσκεται στον ζιρκονίτη.
Χρησιμοποιείται στην κατασκευή ράβδων ελέγχου νετρονίων σε πυρηνικούς αντιδραστήρες.
Ανακαλύφθηκε από τους Georg von Hevesey και Dirk Coster.
Ιδιότητες Hafnium
Σύμβολο: Χφ
ατομικός αριθμός: 72
ατομική μάζα: 178,49 κ.ο.κ.
ηλεκτρονική διαμόρφωση: [Xe] 6s2 4στ14 5δ2
Σημείο σύντηξης: 2233 °C
Σημείο βρασμού: 4600 °C
Πυκνότητα: 13,3 γρ.εκ-3
χημική σειρά: μεταβατικό μέταλλο, ομάδα 4
Μη σταματάς τώρα… Υπάρχουν και άλλα μετά τη διαφήμιση ;)
χαρακτηριστικά αφνίου
Το άφνιο είναι α γκριζωπό μέταλλο που απαντάται φυσικά στον φλοιό της γης, με περίπου 5,3 mg για κάθε κιλό φλοιού. Όταν μοιράζεται λεπτά, είναι ένα πυροφορικό υλικό, είναι δηλαδή επιρρεπές σε καύση αυθόρμητη σε επαφή με τον αέρα, ωστόσο, στην ακατέργαστη μορφή του, δεν είναι.
Το άφνιο είναι ένα από τα πρώτα στοιχεία του Περιοδικού Πίνακα που έχει την επίδραση της λεγόμενης συστολής των λανθανιδών, στην οποία μια συστολή του ατομική ακτίνα κατά τη διάρκεια της σειράς λανθανιδών. Κατά συνέπεια, το Η ακτίνα άφνιο είναι παρόμοια στο στοιχείο ακριβώς από πάνω τον στον περιοδικό πίνακα, το ζιρκόνιο, του οποίου η διαφορά είναι μόνο 1 μ.μ. (πικόμετρο, 10-12 Μ). Κατά συνέπεια, ορισμένες ιδιότητες μοιάζουν πολύ μεταξύ τους, με αποτέλεσμα να εμφανίζονται μαζί στη φύση και να είναι δύσκολο να διαχωριστούν.
Είναι ένα μέταλλο που μπορεί να υποστεί όξινη επίθεση σε υψηλές θερμοκρασίες, αλλά δεν υφίσταται καμία δράση από αλκαλικά διαλύματα, ακόμη και σε υψηλότερες θερμοκρασίες. Η χημεία του αφνίου είναι ελάχιστα κατανοητή σε σύγκριση με το ζιρκόνιο. Ωστόσο, πολλά από τα Η χημική συμπεριφορά του αφνίου μοιάζει με αυτή του ζιρκονίου, όπως η επικράτηση της κατάστασης οξείδωσης +4 στο διάλυμα και η αντίδραση με το μεγαλύτερο μέρος του αμέταλλα σε υψηλή θερμοκρασία.
Hf + O2 → HfO2
Hf + 2 Cl2 → HfCl4
Δείτε το στο podcast μας: Σκληρό σαν διαμάντι - τι σημαίνει;
Εμφάνιση αφνίου
άφνιο είναι λίγο παρόν στο φλοιό της γης, που σχετίζεται κυρίως με το ζιρκόνιο σε ορυκτά όπως ο ζιρκόνιος, ένα μικτό πυριτικό ζιρκόνιο και άφνιο, το οποίο μπορεί επίσης να περιέχει άλλα στοιχεία. Ο χημικός τύπος μπορεί να αντιπροσωπεύεται από (Zr, Hf) SiO4 και η περιεκτικότητα σε άφνιο συνήθως κυμαίνεται από 1% έως 4% κατά μάζα. Η αναλογία ζιρκονίου προς άφνιο είναι 50:1 στο ζιρκόνιο και, όπως είπαμε, είναι αρκετά δύσκολο να διαχωριστούν.
Ο εξαγωγή μίγματος ζιρκονίου-αφνίου από ζιρκόνιο μπορεί να συμβεί με τη μετατροπή του οξειδίου αυτών των μετάλλων στο τετραχλωριούχο τους, σε υψηλή θερμοκρασία. Σε ένα δεύτερο βήμα, το τετραχλωρίδιο των μετάλλων θα μειωθεί κατά μαγνήσιο σε ατμόσφαιρα του αργόν, σε πολύ υψηλή θερμοκρασία. Οι ακόλουθες αντιδράσεις δείχνουν τη διαδικασία, όπου το M μπορεί να είναι είτε Hf είτε Zr.
MO2 → MCl4 (χρησιμοποιώντας CCl4 σε θερμοκρασία 770 K)
MCl4 → M (χρησιμοποιώντας Mg σε ατμόσφαιρα αέρα σε θερμοκρασία 1420 K)
Ο Ο διαχωρισμός μεταξύ των δύο μπορεί να περιλαμβάνει ορισμένες τεχνικές, όπως η κλασματική κρυστάλλωση αλάτων Κ2ZrF6 και Κ2HfF6, που έχουν διαφορετικές διαλυτότητες στο νερό. Είναι επίσης δυνατό να γίνει εκχύλιση με διαλύτη, στην οποία οι ενώσεις Zr και Hf διαλύονται σε νερό και στη συνέχεια εκχυλίζονται επιλεκτικά με οργανικούς διαλύτες. Αξίζει να σημειωθεί ότι αυτές δεν είναι οι μόνες τεχνικές διαχωρισμού αφνίου και ζιρκονίου. Η βιομηχανία έχει ήδη αναπτύξει υδρομεταλλουργικές (δηλαδή, που εμφανίζονται σε υδατικό διάλυμα) και πυρομεταλλουργικές (χωρίς την παρουσία νερού) διαδρομές.
εφαρμογές άφνιο
Όταν αναμιγνύεται με ζιρκόνιο, το άφνιο μπορεί να είναι α σημαντικός βελτιωτής των φυσικών ιδιοτήτων του χάλυβα. Όταν είναι καθαρό, το μεταλλικό άφνιο μπορεί να ενσωματωθεί σε κράματα του σίδερο, τιτάνιο και νιόβιο. Οι ομοιότητες με το ζιρκόνιο καθιστούν δυνατό το άφνιο να είναι ένα καλό υποκατάστατο αυτού του μετάλλου, αν και είναι λίγο απίθανο δεδομένου του υψηλότερου φυσικού ζιρκόνιου.
Ωστόσο, υπάρχει μια σημαντική χρήση του άφνιο παραγωγή ραβδιών(γνωστό και ωςοs σαν μπαστούνια ή ράβδοι) ελέγχου μέσα εργοστάσια πυρηνικής ενέργειας. Καθώς είναι μέταλλο με καλή απορροφητική ικανότητα νετρόνια, το άφνιο μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να αποτρέψει την εμφάνιση αλυσιδωτών αντιδράσεων στο εργοστάσιο, επιτρέποντας τον έλεγχο της παραγόμενης ενέργειας και ελαχιστοποιώντας την πιθανότητα ατυχημάτων. Αξίζει να θυμηθούμε ότι η σχάση του ουρανίου, για παράδειγμα, παράγει πάντα νετρόνια, τα οποία θα μπορούσαν να συγκρουστούν με νέους πυρήνες ουρανίου, σε μια επίδραση που θα δημιουργούσε ενέργεια σε μια γεωμετρική πρόοδο.
Τέλος, το άφνιο μπορεί επίσης να είναι χρησιμοποιείται σε κεραμικά υψηλής θερμοκρασίας, καθώς είναι ικανό να παράγει εξαιρετικά πυρίμαχα υλικά όπως βορίδια και καρβίδια που υπερβαίνουν τους 3000 °C σημείο τήξης.
ιστορία του χαφνίου
Το άφνιο ακολούθησε την τάση των στοιχείων που ανακαλύφθηκαν σε όλο τον 20ό αιώνα. Ήταν ανακαλύφθηκε σε μικρές ποσότητες και είχε επίσης επισημάνει λανθασμένα την ανακάλυψή του. Αυτό συνέβη με τον Georges Urbain, ο οποίος πίστευε ότι το στοιχείο 72 ήταν μια σπάνια γη και όχι ένα μέταλλο μετάβασης. Να γιατί, Ο Urbain άρχισε να το αναζητά σε μείγματα του ορυκτού υττέρβιο, στο οποίο ανακάλυψε από κοινού το στοιχείο λουτέτιο, ατομικό αριθμό 71. Έτσι, το 1911, δημοσίευσε ένα άρθρο στο οποίο παρουσίαζε τα φασματοσκοπικά δεδομένα ενός νέου στοιχείου, το οποίο ονόμασε κέλτιο.
Για να προσδιορίσει τον ατομικό του αριθμό και να επιβεβαιώσει την ανακάλυψή του, ο Urbain πήγε στην Αγγλία το 1914 για να πραγματοποιήσει πειράματα εκπομπής ακτίνων Χ που αναπτύχθηκε από τον Henry Moseley. Ωστόσο, τα πειράματα απέτυχαν να αποδείξουν ότι το υποτιθέμενο στοιχείο Κέλτιο ήταν, στην πραγματικότητα, το στοιχείο 72. Τόσο πεπεισμένος για τις προσπάθειές του, ο Georges Urbain έφτασε στο σημείο να το λέει Ράδερφορντ, αργότερα, ότι η αποτυχία επαλήθευσης της ανακάλυψής του οφειλόταν σε ελαττώματα στις μεθόδους του Moseley.
Στην αντίθετη κατεύθυνση και μπροστά σε νέες ιδέες για την ατομική δομή, Ο Georg von Hevesy υπέθεσε ότι το στοιχείο 72 πρέπει να είναι ένα μέταλλο μετάβασης και έτσι άρχισε περαιτέρω σπουδές με τον συνάδελφό του Ντιρκ Κόστερ. Η ανάλυση με ακτίνες Χ μικρών δειγμάτων πυριτικού ζιρκονίου αποκάλυψε την ύπαρξη μιας ουσίας άγνωστο, με φασματοσκοπικά χαρακτηριστικά παρόμοια με αυτά που είχε προβλέψει ο Moseley για ένα τέτοιο στοιχείο.
Έτσι, μετά τον καθαρισμό του δείγματος,Von Hevesy και Coster δημοσίευσαν τα ευρήματά τους, προτείνοντας το όνομα hafnium για το νέο στοιχείο, παραπέμποντας στη λατινική ονομασία για την πόλη της Κοπεγχάγης, Hafnia, την τοποθεσία της ανακάλυψης. Ακόμα κι έτσι, ο Urbain συνέχισε να υπερασπίζεται την ανακάλυψη του κελτίου για πολλά χρόνια, μέχρι που οι πειραματικές τεχνικές απέδειξαν ότι το άφνιο και το κέλτιο παρήγαγαν διαφορετικές αποκρίσεις. Σε απάντηση σε αυτό, επιβεβαιώθηκε αυτό που ο Moseley ήδη υποπτευόταν: το Κέλτιο ήταν, στην πραγματικότητα, λουτέτιο υψηλής καθαρότητας.
Διαβάστε επίσης: Ανακάλυψη οξυγόνου — το κατόρθωμα που άλλαξε την πορεία των μελετών καύσης
Ασκήσεις λυμένες στο άφνιο
ερώτηση 1
Το άφνιο είναι ένα στοιχείο πολύ παρόμοιο με το ζιρκόνιο, το οποίο βρίσκεται ακριβώς από πάνω του στον Περιοδικό Πίνακα. Μπορούμε να εξηγήσουμε αυτή τη μεγάλη ομοιότητα γιατί:
(Α) Το άφνιο και το ζιρκόνιο έχουν την ίδια μάζα.
(Β) Το άφνιο και το ζιρκόνιο έχουν τον ίδιο αριθμό πρωτονίων.
(Γ) Το άφνιο και το ζιρκόνιο βρίσκονται στην ίδια ομάδα στον Περιοδικό Πίνακα.
(Δ) Το άφνιο και το ζιρκόνιο έχουν τον ίδιο αριθμό ηλεκτρονίων.
(Ε) Το άφνιο και το ζιρκόνιο είναι και τα δύο μεταλλικά στοιχεία.
Απάντηση: γράμμα Γ
Η ομοιότητα μεταξύ Hf και Zr πηγάζει από το ότι ανήκουν στην ίδια ομάδα στον Περιοδικό Πίνακα. Ο πίνακας τοποθετεί στις ομάδες το στοιχεία που έχουν παρόμοιες χημικές ιδιότητες. Έτσι, το πρότυπο είναι το γράμμα C.
Ερώτηση 2
Όπως το ζιρκόνιο, το άφνιο εμφανίζεται στην πιο σταθερή του μορφή με αριθμό οξείδωσης +4. Συνήθως, το άφνιο μπορεί να δεσμεύσει αλογόνα.
Η πιο κατάλληλη φόρμουλα για το φθοριούχο άφνιο IV θα ήταν:
(Α) HfF
(Β) HfF2
(Γ) HfF3
(Δ) HfF4
(Ε) Χφ2φά3
Απάντηση: γράμμα Δ
Ο φθόριο Έχει σταθερό αριθμό οξείδωσης, πάντα ίσο με -1. Δεδομένου ότι το Hf είναι ένα στοιχείο με NOx ίσο με +4, χρειάζονται τέσσερα άτομα φθορίου για να εξουδετερωθεί το φορτίο του Hf. Έτσι, η ένωση φθοριούχο άφνιο IV είναι HfF4, που περιγράφεται στο γράμμα Δ.
Του Stefano Araújo Novais
Καθηγητής Χημείας
