ה הפניום, Hf, היא מתכת מעבר בעלת מספר אטומי 72, הממוקמת בקבוצה 4 של ה טבלה מחזורית. היא מתרחשת באופן טבעי עם היסוד שנמצא ממש מעליו, זירקוניום, אך קשה להפריד אותם לאור הדמיון הכימי הרב ביניהם. התכווצות לנטנית גורמת להפניום להיות א רדיוס אטומי כמעט שווה לזה של זירקוניום, מקל על החילוף בין השניים בהרכב המינרלים.
הפניום כמעט ואינו קיים בקרום כדור הארץ, אך יש לו יישומים חשובים. אחד מהם הוא בייצור מוטות בקרת נויטרונים בכורים גרעיניים, השולטים בתגובות הביקוע. זה יכול לשמש גם בייצור של סגסוגות על מתכתיות וקרמיקה בטמפרטורה גבוהה.
קראו גם: איטריום - מתכת בשימוש נרחב באלקטרוניקה
סיכום הפניום
זה מתרחש באופן טבעי עם זירקוניום.
הוא אינו נוכח במיוחד בקרום כדור הארץ.
התכווצות לנטנית מקשה על ההפרדה בין הפניום וזירקוניום.
זה בעצם נמצא בזירקוניט.
הוא משמש לייצור מוטות בקרת נויטרונים ב כורים גרעיניים.
הוא התגלה על ידי גיאורג פון הבסי ודירק קוסטר.
הפניום נכסים
סֵמֶל: Hf
מספר אטומי: 72
מסה אטומית: 178.49 C.u.s.
תצורה אלקטרונית: [Xe] 6s2 4ו14 5ד2
נקודת היתוך: 2233 מעלות צלזיוס
נקודת רתיחה: 4600 מעלות צלזיוס
צְפִיפוּת: 13.3 גרם ס"מ-3
סדרה כימית: מתכת מעבר, קבוצה 4
מאפייני הפניום
הפניום הוא א מתכת אפרפרה מתרחש באופן טבעי בקרום כדור הארץ, עם כ-5.3 מ"ג לכל קילוגרם של קרום. כאשר הוא מחולק דק, זה חומר פירופורי, כלומר, הוא נוטה שְׂרֵפָה ספונטני במגע עם האוויר, לעומת זאת, בצורתו הגולמית, זה לא.
הפניום הוא אחד היסודות הראשונים של הטבלה המחזורית שיש להם את ההשפעה של מה שנקרא התכווצות lanthanide, שבה התכווצות של רדיוס אטומי במהלך סדרת lanthanide. כתוצאה מכך, ה קרן הפניום דומה לאלמנט ממש מעל אותו בטבלה המחזורית, הזירקוניום, שההפרש שלו הוא רק 1 בצהריים (פיקומטר, 10-12 M). כתוצאה מכך, מאפיינים מסוימים דומים מאוד זה לזה, מה שגורם להם להתרחש יחד בטבע וקשה להפרידם.
זה מַתֶכֶת אשר יכול לעבור התקפת חומצה בטמפרטורות גבוהות, אך אינו סובל כל פעולה מתמיסות אלקליות, גם בטמפרטורות גבוהות יותר. הכימיה של הפניום מובנת בצורה גרועה בהשוואה לזירקוניום. עם זאת, הרבה מה התנהגות כימית של הפניום דומה לזו של זירקוניום, כגון הדומיננטיות של מצב החמצון +4 בתמיסה והתגובה עם רוב ה לא מתכות בטמפרטורה גבוהה.
Hf + O2 → HfO2
Hf + 2 Cl2 → HfCl4
בדוק את זה בפודקאסט שלנו: קשה כמו יהלום - מה זה אומר?
התרחשות של הפניום
הפניום הוא מעט נוכח בקרום כדור הארץ, המופיע בעיקר הקשור לזירקוניום במינרלים כמו זירקוניט, סיליקט מעורב של זירקוניום והפניום, שעשוי להכיל גם יסודות אחרים. הנוסחה הכימית יכולה להיות מיוצגת על ידי (Zr, Hf) SiO4 ותכולת הפניום נעה בדרך כלל בין 1% ל-4% במסה. היחס בין זירקוניום להפניום הוא 50:1 בזרקוניט, וכאמור, די קשה להפריד ביניהם.
ה מיצוי תערובת זירקוניום-הפניום מזירקון יכול להתרחש עם הפיכת התחמוצת של מתכות אלה לטטרכלוריד שלהן, בטמפרטורה גבוהה. בשלב שני, הטטרכלוריד של המתכות יופחת ב- מגנזיום באווירה של אַרגוֹן, בטמפרטורה גבוהה מאוד. התגובות הבאות מדגימות את התהליך, שבו M יכול להיות Hf או Zr.
MO2 → MCl4 (באמצעות CCl4 בטמפרטורה של 770 K)
MCl4 → M (באמצעות Mg באווירה של אוויר בטמפרטורה של 1420 K)
ה ההפרדה בין השניים עשויה להיות כרוכה בטכניקות מסוימות, כגון התגבשות חלקית של מלחי K2ZrF6 וק2HfF6, שיש להם מסיסות שונה במים. אפשר גם לעשות מיצוי ממס, שבו תרכובות Zr ו-Hf מומסות במים ולאחר מכן מופקות באופן סלקטיבי עם ממסים אורגניים. ראוי לציין כי אלו אינן הטכניקות היחידות להפרדת הפניום וזירקוניום. התעשייה כבר פיתחה מסלולים הידרו-מטלורגיים (כלומר, המתרחשים בתמיסה מימית) ופירומטלורגית (ללא נוכחות של מים).
יישומי הפניום
כאשר מערבבים עם זירקוניום, הפניום יכול להיות א משפר חשוב של התכונות הפיזיקליות של פלדה. כשהוא טהור, ניתן לשלב חפניום מתכתי בסגסוגות של בַּרזֶל, טִיטָן ו ניוביום. קווי הדמיון עם זירקוניום מאפשרים להפניום להיות תחליף טוב למתכת זו, אם כי זה קצת לא סביר בהתחשב בזירקוניום הגבוה יותר בטבע.
עם זאת, יש שימוש עיקרי בהפניום ייצור מקלות(גם ידועהזה כמו מקלות או מוטות) של שליטה ב תחנות כוח גרעיניות. מכיוון שזו מתכת בעלת יכולת ספיגה טובה של נויטרונים, ניתן להשתמש בהפניום למניעת התרחשות תגובות שרשרת במפעל, מה שמאפשר שליטה באנרגיה שנוצרת וממזער את ההסתברות לתאונות. כדאי לזכור שביקוע אורניום, למשל, יוצר תמיד נויטרונים, שעלולים להתנגש בגרעיני אורניום חדשים, באפקט שייצור אנרגיה בהתקדמות גיאומטרית.
לבסוף, גם הפניום יכול להיות משמש בקרמיקה בטמפרטורה גבוהה, שכן הוא מסוגל לייצר חומרים עקשנים ביותר כגון בורידים וקרבידים העולים על 3000 מעלות צלזיוס מנקודת התכה.
היסטוריה של הפניום
הפניום עקב אחר מגמת היסודות שהתגלו לאורך המאה ה-20. היו התגלה בכמויות קטנות והוא גם הצביע על הגילוי שלו בטעות. זה קרה עם ז'ורז' אורביין, שהאמין שאלמנט 72 הוא אדמה נדירה ולא מתכת מעבר. בגלל זה, אורביין החל לחפש אותו בתערובות של המינרל איטרביום, שבו הוא גילה יחד את היסוד לוטטיום, מספר אטומי 71. כך, ב-1911, הוא פרסם מאמר שבו הציג נתונים ספקטרוסקופיים של יסוד חדש, שאותו כינה סלטיום.
כדי לקבוע את מספרו האטומי ולאשר את תגליתו, אורביין נסע לאנגליה ב-1914 כדי לבצע ניסויים בפליטת קרני רנטגן שפותח על ידי הנרי מוסלי. עם זאת, ניסויים לא הצליחו להוכיח שהיסוד כביכול סלטיום היה, למעשה, יסוד 72. כל כך משוכנע במאמציו, ז'ורז' אורביין הרחיק לכת ואמר לו רתרפורד, מאוחר יותר, שהכישלון באימות תגליתו נבע מפגמים בשיטות של מוזלי.
בכיוון ההפוך ומול רעיונות חדשים על המבנה האטומי, Georg von Hevesy הניח שאלמנט 72 חייב להיות מתכת מעבר וכך החל לימודים נוספים עם עמיתו דירק קוסטר. ניתוח רנטגן של דגימות קטנות של זירקוניום סיליקט גילה את קיומו של חומר לא ידוע, עם מאפיינים ספקטרוסקופיים דומים לאלה שחזה מוסלי עבור אלמנט כזה.
לפיכך, לאחר טיהור מדגם,Vעל Hevesy ו-Coster פרסמו את ממצאיהם, המציע את השם hafnium עבור היסוד החדש, ברמז לשם הלטיני של העיר קופנהגן, Hafnia, אתר הגילוי. למרות זאת, אורביין המשיך לדגול בגילוי הסלטיום במשך שנים רבות, עד שטכניקות ניסויות הוכיחו שהפניום וסלטיום יצרו תגובות שונות. בתגובה לכך, מה שמוזלי כבר חשד אושר: סלטיום היה למעשה לוטטיום מטוהר מאוד.
קרא גם: גילוי חמצן - ההישג ששינה את מהלך לימודי הבעירה
תרגילים שנפתרו על הפניום
שאלה 1
הפניום הוא יסוד הדומה מאוד לזירקוניום, שנמצא ממש מעליו בטבלה המחזורית. אנו יכולים להסביר את הדמיון הגדול הזה כי:
(א) להפניום וזירקוניום יש אותה מסה.
(ב) להפניום וזירקוניום יש אותו מספר של פרוטונים.
(ג) הפניום וזירקוניום נמצאים באותה קבוצה בטבלה המחזורית.
(ד) להפניום וזירקוניום יש אותו מספר של אלקטרונים.
(ה) הפניום וזירקוניום הם שניהם יסודות מתכתיים.
תשובה: האות ג
הדמיון בין Hf ל-Zr נובע מהשתייכותם לאותה קבוצה בטבלה המחזורית. הטבלה ממקמת בקבוצות את אלמנטים בעלי תכונות כימיות דומות. לפיכך, התבנית היא האות C.
שאלה 2
כמו זירקוניום, הפניום מופיע בצורתו היציבה ביותר עם מספר חמצון של +4. בדרך כלל, הפניום יכול לקשור הלוגנים.
הנוסחה המתאימה ביותר להפניום פלואוריד IV תהיה:
(א) HfF
(ב) HfF2
(ג) HfF3
(ד) HfF4
(ה) Hf2ו3
תשובה: האות ד
ה פלוּאוֹר יש לו מספר חמצון קבוע, תמיד שווה ל-1. מכיוון ש-Hf הוא יסוד עם NOx שווה ל-+4, יש צורך בארבעה אטומי פלואור כדי לנטרל את המטען של Hf. לפיכך, התרכובת הפניום פלואוריד IV היא HfF4, המתואר באות ד.
מאת סטפנו אראוחו נובאיס
מורה לכימיה
