A hafniumA Hf egy 72-es rendszámú átmeneti fém, amely a 4. csoportban található Periódusos táblázat. A természetben előfordul a közvetlenül felette lévő elemmel, a cirkóniummal, de nehéz szétválasztani őket a köztük lévő nagy kémiai hasonlóság miatt. A lantán összehúzódás hatására a hafniumban a atomsugara közel megegyezik a cirkóniuméval, elősegítve a kettő közötti cserét az ásványi anyagok összetételében.
A hafnium alig van jelen a földkéregben, de fontos alkalmazásai vannak. Az egyik a neutronszabályozó rudak gyártása az atomreaktorokban, amelyek szabályozzák a hasadási reakciókat. Fém szuperötvözetek és magas hőmérsékletű kerámiák gyártásához is használható.
Olvasd el te is: Ittrium – az elektronikában széles körben használt fém
hafnium összefoglaló
A természetben cirkóniummal fordul elő.
Nem nagyon van jelen a földkéregben.
A lantán összehúzódás megnehezíti a hafnium és a cirkónium szétválasztását.
Alapvetően cirkonitban található.
A neutronvezérlő rudak gyártásához használják atomreaktorok.
Georg von Hevesey és Dirk Coster fedezte fel.
Hafnium tulajdonságai
Szimbólum: Hf
atomszám: 72
atomtömeg: 178,49 c.u.s.
elektronikus konfiguráció: [Xe] 6s2 4f14 5d2
Fúziós pont: 2233 °C
ForráspontOlvadáspont: 4600 °C
Sűrűség: 13,3 g.cm-3
kémiai sorozat: átmeneti fém, 4. csoport
hafnium jellemzői
A Hafnium a szürkés fém a földkéregben természetesen előforduló, körülbelül 5,3 mg kéreg kilogrammonként. Finoman eloszlatva piroforos anyag, vagyis hajlamos rá égés spontán érintkezik a levegővel, azonban nyers formájában nem.
A hafnium a periódusos rendszer egyik első eleme, amely az úgynevezett lantanid-összehúzódás hatását fejti ki, amelyben a atomsugár a lantanid sorozat során. Ennek következtében a hafnium sugár hasonló a közvetlenül felette lévő elemhez őt a periódusos rendszerben, a cirkónium, amelynek különbsége mindössze 1 óra (pikométer, 10-12 m). Ennek következtében egyes tulajdonságok nagyon hasonlóak egymáshoz, így együtt fordulnak elő a természetben, és nehéz elkülöníteni őket.
Ez egy fém amely magas hőmérsékleten savas támadást szenvedhet, de még magasabb hőmérsékleten sem szenved lúgos oldatoktól. A hafnium kémiája a cirkóniumhoz képest kevéssé ismert. Azonban nagy része a A hafnium kémiai viselkedése a cirkóniuméhoz hasonlít, mint például a +4 oxidációs állapot túlsúlya az oldatban és a reakció a legtöbb nemfémek magas hőmérsékleten.
Hf + O2 → HfO2
Hf + 2 Cl2 → HfCl4
Nézd meg podcastunkban: Kemény, mint a gyémánt – mit jelent?
A hafnium előfordulása
a hafnium az kevés jelen van a földkéregben, amely elsősorban a cirkóniummal kapcsolatban fordul elő olyan ásványokban, mint a cirkonit, cirkónium és hafnium vegyes szilikátja, amely más elemeket is tartalmazhat. A kémiai képletet (Zr, Hf) SiO ábrázolhatja4 és a hafniumtartalom általában 1-4 tömeg% között változik. A cirkónium és a hafnium aránya a cirkonitban 50:1, és mint említettük, meglehetősen nehéz szétválasztani őket.
A cirkónium-hafnium keverék kinyerése cirkonból akkor fordulhat elő, ha ezeknek a fémeknek az oxidja magas hőmérsékleten tetrakloriddá alakul. A második lépésben a fémek tetrakloridja redukálódik magnézium légkörében argon, nagyon magas hőmérsékleten. A következő reakciók bemutatják a folyamatot, ahol M lehet Hf vagy Zr.
MO2 → MCl4 (CCl használatával4 770 K hőmérsékleten)
MCl4 → M (Mg használata 1420 K hőmérsékletű levegő atmoszférában)
A a kettő szétválasztása magában foglalhat bizonyos technikákat, mint például a K-sók frakcionált kristályosítása2ZrF6 és K2HfF6, amelyek vízben való oldhatósága eltérő. Lehetőség van oldószeres extrakcióra is, melynek során a Zr és Hf vegyületeket vízben oldják, majd szelektíven extrahálják szerves oldószerekkel. Érdemes megjegyezni, hogy nem ezek az egyetlen technikák a hafnium és a cirkónium szétválasztására. Az ipar már kifejlesztett hidrometallurgiai (azaz vizes oldatban előforduló) és pirometallurgiai (víz jelenléte nélkül) módszereket.
hafnium alkalmazások
Cirkóniummal keverve a hafnium lehet a az acél fizikai tulajdonságainak fontos javítója. Ha tiszta, fémes hafnium beépíthető ötvözeteibe Vas, titán és nióbium. A cirkóniummal való hasonlóság lehetővé teszi, hogy a hafnium jó helyettesítője legyen ennek a fémnek, bár ez egy kicsit valószínűtlen, tekintettel a magasabb természetes cirkóniumra.
Azonban a hafnium fő felhasználási területe botok gyártása(úgy is ismert mintAs mint a botok vagy rudak) az irányítás be atomerőművek. Mivel ez egy jó abszorpciós képességű fém neutronok, a hafnium segítségével megelőzhető a láncreakciók előfordulása az üzemben, lehetővé téve a keletkező energia szabályozását és minimalizálva a balesetek valószínűségét. Nem szabad megfeledkezni arról, hogy például az uránhasadás során mindig neutronok keletkeznek, amelyek új uránmagokkal ütközhetnek, olyan hatásban, amely geometriai haladásban termel energiát.
Végül a hafnium is lehet magas hőmérsékletű kerámiákban használják, mivel nagyon tűzálló anyagokat, például boridokat és karbidokat képes előállítani, amelyek olvadáspontja meghaladja a 3000 °C-ot.
hafnium története
A hafnium követte a 20. század során felfedezett elemek trendjét. Voltak kis mennyiségben fedezték fel és a felfedezésére is tévesen rámutatott. Ez történt Georges Urbainnel, aki úgy gondolta, hogy a 72-es elem ritkaföldfém, és nem átmeneti fém. Ezért, Urbain az itterbium ásvány keverékeiben kezdte keresni, amelyben közösen fedezte fel a 71-es rendszámú lutéciumot. Így 1911-ben publikált egy cikket, amelyben bemutatta, hogy milyen spektroszkópiai adatok lennének egy új elemről, amelyet Celiumnak nevezett el.
A rendszám meghatározására és felfedezésének megerősítésére Urbain 1914-ben Angliába ment, hogy Henry Moseley által kifejlesztett röntgenkibocsátási kísérleteket végezzen. A kísérletek azonban nem bizonyították, hogy a feltételezett Celtium elem valójában a 72-es elem. Georges Urbain annyira meg volt győződve erőfeszítéseiről, hogy azt mondta Rutherford, később, hogy a felfedezés igazolásának kudarca Moseley módszereinek hibáinak köszönhető.
Az ellenkező irányban és az atomszerkezettel kapcsolatos új elképzelésekkel szemben, Georg von Hevesy feltételezte, hogy a 72-es elemnek átmeneti fémnek kell lennie és így további tanulmányokat kezdett kollégájával, Dirk Costerrel. Kis cirkónium-szilikát minták röntgenanalízise kimutatta az anyag létezését ismeretlen, spektroszkópiai jellemzői hasonlóak ahhoz, amit Moseley egy ilyen elemre jósolt.
Így a minta tisztítása utánVHevesy és Coster közzétették megállapításaikat, ami a hafnium nevet sugallja az új elemnek, utalva Koppenhága városának latin nevére, a Hafniara, a felfedezés helyére. Ennek ellenére Urbain sok éven át szorgalmazta a celium felfedezését, mígnem kísérleti technikák bebizonyították, hogy a hafnium és a celium eltérő reakciókat vált ki. Erre válaszul beigazolódott, amit Moseley már gyanított: a Celtium valójában nagyon tiszta lutécium.
Olvass te is: Az oxigén felfedezése – a bravúr, amely megváltoztatta az égési vizsgálatok menetét
Hafniumon megoldott gyakorlatok
1. kérdés
A hafnium a cirkóniumhoz nagyon hasonló elem, amely a periódusos rendszerben éppen felette található. Ezt a nagy hasonlóságot azzal magyarázhatjuk, hogy:
(A) A hafnium és a cirkónium tömege azonos.
(B) A hafniumnak és a cirkóniumnak azonos számú protonja van.
(C) A hafnium és a cirkónium ugyanabban a csoportban szerepel a periódusos rendszerben.
(D) A hafniumnak és a cirkóniumnak azonos számú elektronja van.
(E) A hafnium és a cirkónium egyaránt fémes elemek.
Válasz: C betű
A Hf és a Zr közötti hasonlóság abból fakad, hogy a periódusos rendszerben ugyanahhoz a csoporthoz tartoznak. A táblázat a csoportokba helyezi a elemeket amelyek hasonló kémiai tulajdonságokkal rendelkeznek. Így a sablon a C betű.
2. kérdés
A cirkóniumhoz hasonlóan a hafnium is a legstabilabb formában, +4 oxidációs számmal jelenik meg. Általában a hafnium képes megkötni a halogéneket.
A hafnium-fluorid IV legmegfelelőbb képlete a következő lenne:
(A) HfF
(B) HfF2
(C) HfF3
(D) HfF4
(E) Hf2F3
Válasz: D betű
A fluor Rögzített oxidációs számmal rendelkezik, mindig egyenlő -1. Mivel a Hf olyan elem, amelynek NOx értéke +4, négy fluoratom szükséges a Hf töltésének semlegesítéséhez. így a (IV) általános képletű hafnium-fluorid vegyület HfF4, a D betűben leírtak szerint.
Írta: Stefano Araújo Novais
Kémia tanár
