DE hafnium, Hf, is een overgangsmetaal met atoomnummer 72, gelegen in groep 4 van de Periodiek systeem. Het komt van nature voor met het element dat er net boven zit, zirkonium, maar ze zijn moeilijk te scheiden gezien de grote chemische overeenkomst tussen hen. Lanthaancontractie zorgt ervoor dat hafnium a. heeft atomaire straal bijna gelijk aan die van zirkonium, waardoor de uitwisseling tussen de twee in de samenstelling van mineralen wordt vergemakkelijkt.
Hafnium komt nauwelijks voor in de aardkorst, maar heeft belangrijke toepassingen. Een daarvan is de fabricage van neutronenregelstaven in kernreactoren, die de splijtingsreacties regelen. Het kan ook worden gebruikt bij de productie van metallische superlegeringen en keramiek voor hoge temperaturen.
Lees ook: Yttrium - metaal dat veel wordt gebruikt in elektronica
hafnium samenvatting
Het komt van nature voor met zirkonium.
Het is niet erg aanwezig in de aardkorst.
Lanthaancontractie maakt de scheiding van hafnium en zirkonium moeilijk.
Het wordt voornamelijk gevonden in zirkoon.
Het wordt gebruikt bij de vervaardiging van regelstaven voor neutronen in kernreactor.
Het werd ontdekt door Georg von Hevesey en Dirk Coster.
Hafnium-eigenschappen
Symbool: Hf
atoomnummer: 72
atoom massa: 178,49 k.us.
elektronische configuratie: [Xe] 6s2 4f14 5d2
Fusiepunt: 2233 °C
Kookpunt: 4600 °C
Dikte: 13,3 g.cm-3
chemische reeks: overgangsmetaal, groep 4
hafnium-kenmerken:
Hafnium is een grijsachtig metaal natuurlijk voorkomend in de aardkorst, met ongeveer 5,3 mg voor elke kilogram korst. Wanneer het fijn verdeeld is, is het een pyrofoor materiaal, dat wil zeggen dat het vatbaar is voor verbranding spontaan in contact met de lucht, maar in zijn ruwe vorm niet.
Hafnium is een van de eerste elementen van het periodiek systeem die het effect heeft van de zogenaamde lanthanidecontractie, waarbij een samentrekking van de atomaire straal tijdens de lanthanidereeks. Als gevolg hiervan is de hafnium ray is vergelijkbaar naar het element net erboven hem in het periodiek systeem, de zirkonium, waarvan het verschil slechts 13.00 uur is (picometer, 10-12 m). Als gevolg hiervan lijken sommige eigenschappen erg op elkaar, waardoor ze in de natuur samen voorkomen en moeilijk te scheiden zijn.
Het is een metaal die bij hoge temperaturen zuur kan aantasten, maar geen invloed heeft op alkalische oplossingen, zelfs niet bij hogere temperaturen. De chemie van hafnium wordt slecht begrepen in vergelijking met zirkonium. Echter, veel van de chemisch gedrag van hafnium lijkt op dat van zirkonium, zoals het overwicht van de +4 oxidatietoestand in oplossing en de reactie met de meeste niet-metalen bij hoge temperatuur.
Hf + Uit2 → HfO2
Hf + 2 Cl2 → HfCl4
Check het in onze podcast: Hard als een diamant - wat betekent het?
Voorkomen van hafnium
hafnium is weinig aanwezig in de aardkorst, die voornamelijk voorkomt in verband met zirkonium in mineralen zoals zirkoon, een gemengd silicaat van zirkonium en hafnium, dat ook andere elementen kan bevatten. De chemische formule kan worden weergegeven door (Zr, Hf) SiO4 en het hafniumgehalte varieert gewoonlijk van 1 tot 4 massa%. De verhouding van zirkonium tot hafnium is 50: 1 in zirkoon, en zoals gezegd, ze zijn vrij moeilijk te scheiden.
DE extractie van zirkonium-hafnium mengsel uit zirkoon kan optreden bij de omzetting van het oxide van deze metalen in hun tetrachloride, bij hoge temperatuur. In een tweede stap wordt het tetrachloride van de metalen verminderd met magnesium in sfeer van argon, bij zeer hoge temperatuur. De volgende reacties demonstreren het proces, waarbij M Hf of Zr kan zijn.
MA2 → MCl4 (met behulp van CCl4 bij 770 K temperatuur)
MCl4 → M (met Mg in een luchtatmosfeer bij een temperatuur van 1420 K)
DE scheiding tussen de twee kan enkele technieken met zich meebrengen, zoals de fractionele kristallisatie van K-zouten2ZrF6 en K2HfF6, die verschillende oplosbaarheden in water hebben. Het is ook mogelijk om een oplosmiddelextractie te doen, waarbij Zr- en Hf-verbindingen worden opgelost in water en vervolgens selectief worden geëxtraheerd met organische oplosmiddelen. Het is vermeldenswaard dat dit niet de enige technieken zijn voor het scheiden van hafnium en zirkonium. De industrie heeft al hydrometallurgische (dwz die voorkomen in waterige oplossing) en pyrometallurgische (zonder de aanwezigheid van water) routes ontwikkeld.
hafnium toepassingen
Wanneer gemengd met zirkonium, kan hafnium een belangrijke verbeteraar van de fysische eigenschappen van staal. Wanneer puur, metallisch hafnium kan worden opgenomen in legeringen van ijzer, titanium en niobium. De overeenkomsten met zirkonium maken het mogelijk dat hafnium een goede vervanging is voor dit metaal, hoewel het een beetje onwaarschijnlijk is gezien het hogere natuurlijk voorkomende zirkonium.
Een belangrijk gebruik van hafnium is echter in productie van stokken(ook bekendDezoals stokken of staven) van controle in kerncentrales. Omdat het een metaal is met een goed absorptievermogen van neutronen, hafnium kan worden gebruikt om kettingreacties in de fabriek te voorkomen, waardoor controle over de opgewekte energie mogelijk wordt en de kans op ongelukken wordt geminimaliseerd. Het is de moeite waard om te onthouden dat uraniumsplijting bijvoorbeeld altijd neutronen genereert, die kunnen botsen met nieuwe uraniumkernen, met een effect dat energie zou genereren in een geometrische progressie.
Ten slotte kan hafnium ook zijn gebruikt in keramiek op hoge temperatuur, omdat het in staat is om zeer vuurvaste materialen zoals boriden en carbiden te produceren met een smeltpunt van meer dan 3000 °C.
hafnium geschiedenis
Hafnium volgde de trend van elementen die in de 20e eeuw werden ontdekt. Waren ontdekt in kleine hoeveelheden en hij had ook zijn ontdekking ten onrechte aangegeven. Dit gebeurde met Georges Urbain, die geloofde dat element 72 een zeldzame aarde was en geen overgangsmetaal. Dat is waarom, Urbain begon ernaar te zoeken in mengsels van het mineraal ytterbium, waarin hij mede-ontdekte het element lutetium, atoomnummer 71. Zo publiceerde hij in 1911 een artikel waarin hij spectroscopische gegevens presenteerde van een nieuw element, dat hij celtium noemde.
Om het atoomnummer te bepalen en zijn ontdekking te bevestigen, ging Urbain in 1914 naar Engeland om experimenten met röntgenstraling uit te voeren, ontwikkeld door Henry Moseley. Experimenten konden echter niet bewijzen dat het veronderstelde element Celtium in feite element 72 was. Zo overtuigd van zijn inspanningen, ging Georges Urbain zelfs zo ver om te zeggen: Rutherford, later, dat het falen om zijn ontdekking te verifiëren te wijten was aan fouten in Moseley's methoden.
In de tegenovergestelde richting en in het licht van nieuwe ideeën over de atomaire structuur, Georg von Hevesy nam aan dat element 72 een overgangsmetaal moet zijn en begon zo verder te studeren bij zijn collega Dirk Coster. Röntgenanalyse van kleine monsters van zirkoniumsilicaat onthulde het bestaan van een stof onbekend, met spectroscopische kenmerken die vergelijkbaar zijn met die voorspeld door Moseley voor een dergelijk element.
Dus, na monsterzuivering,Vover Hevesy en Coster publiceerden hun bevindingen, suggereert de naam hafnium voor het nieuwe element, verwijzend naar de Latijnse naam voor de stad Kopenhagen, Hafnia, de plaats van de ontdekking. Toch bleef Urbain jarenlang pleiten voor de ontdekking van celtium, totdat experimentele technieken aantoonden dat hafnium en celtium verschillende reacties opleverden. Als reactie hierop werd wat Moseley al vermoedde bevestigd: Celtium was in feite sterk gezuiverd lutetium.
Lees ook: Ontdekking van zuurstof - de prestatie die de loop van verbrandingsstudies veranderde
Oefeningen opgelost op hafnium
vraag 1
Hafnium is een element dat erg lijkt op zirkonium, dat er net boven staat in het periodiek systeem. We kunnen deze grote overeenkomst verklaren omdat:
(A) Hafnium en zirkonium hebben dezelfde massa.
(B) Hafnium en zirkonium hebben hetzelfde aantal protonen.
(C) Hafnium en zirkonium zitten in dezelfde groep in het periodiek systeem.
(D) Hafnium en zirkonium hebben hetzelfde aantal elektronen.
(E) Hafnium en zirkonium zijn beide metalen elementen.
Antwoord: letter C
De overeenkomst tussen Hf en Zr komt voort uit het feit dat ze tot dezelfde groep in het periodiek systeem behoren. De tafel plaatst in de groepen de elementen die vergelijkbare chemische eigenschappen hebben. Het sjabloon is dus de letter C.
vraag 2
Net als zirkonium verschijnt hafnium in zijn meest stabiele vorm met een oxidatiegetal van +4. Gewoonlijk kan hafnium halogenen binden.
De meest geschikte formule voor hafniumfluoride IV zou zijn:
(A) HfF
(B) HfF2
(C) HfF3
(D) HfF4
(E) Hf2F3
Antwoord: letter D
DE fluor Het heeft een vast oxidatiegetal, altijd gelijk aan -1. Aangezien Hf een element is met NOx gelijk aan +4, zijn er vier fluoratomen nodig om de lading van Hf te neutraliseren. Dus de verbinding hafniumfluoride IV is HfF4, beschreven in letter D.
Door Stefano Araújo Novais
Scheikundeleraar
