TEN hafn, Hf, jest metalem przejściowym o liczbie atomowej 72, znajdującym się w grupie 4 Układ okresowy pierwiastków. Występuje naturalnie z pierwiastkiem znajdującym się tuż nad nim, cyrkonem, ale są one trudne do oddzielenia ze względu na duże podobieństwo chemiczne między nimi. Skurcz lantanowy powoduje, że hafn ma promień atomowy prawie równy promieniowi cyrkonu, ułatwiając wymianę między nimi w składzie minerałów.
Hafn rzadko występuje w skorupie ziemskiej, ale ma ważne zastosowania. Jednym z nich jest produkcja prętów neutronowych w reaktorach jądrowych, które kontrolują reakcje rozszczepienia. Może być również stosowany do produkcji nadstopów metalicznych oraz ceramiki wysokotemperaturowej.
Przeczytaj też: Itr — metal szeroko stosowany w elektronice
podsumowanie hafnu
Występuje naturalnie z cyrkonem.
Nie jest bardzo obecny w skorupie ziemskiej.
Skurcz lantanowy utrudnia oddzielenie hafnu od cyrkonu.
Zasadniczo znajduje się w cyrkonie.
Wykorzystywany jest do produkcji prętów neutronowych w reaktor nuklearny.
Odkryli go Georg von Hevesey i Dirk Coster.
Właściwości hafnu
Symbol: Hf
Liczba atomowa: 72
masa atomowa: 178,49 j.m.
elektroniczna Konfiguracja: [Xe] 6s2 4f14 5d2
Punkt fuzji: 2233 °C
Temperatura wrzenia: 4600 °C
Gęstość: 13,3 g. cm-3
seria chemiczna: metal przejściowy, grupa 4
charakterystyka hafnu
Hafn to szarawy metal naturalnie występujące w skorupie ziemskiej, z około 5,3 mg na każdy kilogram skorupy. Drobno podzielony jest materiałem piroforycznym, to znaczy jest podatny na spalanie spontaniczny w kontakcie z powietrzem, jednak w swojej surowej postaci nie jest.
Hafn jest jednym z pierwszych elementów układu okresowego, który wywołuje efekt tzw. skurczu lantanowca, w którym skurcz promień atomowy podczas serii lantanowców. W konsekwencji promień hafnu jest podobny do elementu tuż powyżej go w układzie okresowym, cyrkon, której różnica to tylko 1 pm (pikometr, 10-12 m). W konsekwencji niektóre właściwości są do siebie bardzo podobne, przez co występują razem w naturze i są trudne do rozdzielenia.
To jest metal który może być atakowany przez kwasy w wysokich temperaturach, ale nie podlega działaniu roztworów alkalicznych, nawet w wyższych temperaturach. Chemia hafnu jest słabo poznana w porównaniu z cyrkonem. Jednak wiele z chemiczne zachowanie hafnu przypomina cyrkon, takie jak przewaga stanu utlenienia +4 w roztworze i reakcja z większością niemetale w wysokiej temperaturze.
Hf + O2 → HfO2
Hf + 2 Cl2 → HfCl4
Sprawdź to w naszym podcastie: Twardy jak diament - co to znaczy?
Występowanie hafnu
hafn to mało obecny w skorupie ziemskiej, występujący głównie w połączeniu z cyrkonem w minerałach, takich jak cyrkon, mieszany krzemian cyrkonu i hafnu, który może również zawierać inne pierwiastki. Wzór chemiczny można przedstawić za pomocą (Zr, Hf) SiO4 a zawartość hafnu zwykle waha się od 1% do 4% masowych. Stosunek cyrkonu do hafnu wynosi 50:1 w cyrkonie i jak już wspomniano, są one dość trudne do oddzielenia.
TEN ekstrakcja mieszaniny cyrkonu i hafnu z cyrkonu może wystąpić podczas konwersji tlenku tych metali w ich czterochlorek w wysokiej temperaturze. W drugim etapie tetrachlorek metali zostanie zredukowany o magnez w atmosferze argon, w bardzo wysokiej temperaturze. Poniższe reakcje przedstawiają proces, w którym M może oznaczać Hf lub Zr.
MO2 → MCI4 (przy użyciu CCI4 w temperaturze 770 K)
MCl4 → M (przy użyciu Mg w atmosferze powietrza o temperaturze 1420 K)
TEN separacja między nimi może wiązać się z pewnymi technikami, takich jak krystalizacja frakcyjna soli K2ZrF6 i K2HfF6, które mają różną rozpuszczalność w wodzie. Możliwe jest również przeprowadzenie ekstrakcji rozpuszczalnikowej, w której związki Zr i Hf są rozpuszczane w wodzie, a następnie selektywnie ekstrahowane rozpuszczalnikami organicznymi. Warto zauważyć, że nie są to jedyne techniki rozdzielania hafnu i cyrkonu. Przemysł rozwinął już szlaki hydrometalurgiczne (tj. występujące w roztworze wodnym) i pirometalurgiczne (bez obecności wody).
zastosowania hafnu
Po zmieszaniu z cyrkonem hafn może być ważny polepszacz właściwości fizycznych stali. W przypadku czystego metalicznego hafnu można wprowadzać do stopów żelazo, tytan oraz niobu. Podobieństwa z cyrkonem sprawiają, że hafn może być dobrym substytutem tego metalu, chociaż jest to trochę mało prawdopodobne, biorąc pod uwagę wyższy naturalnie występujący cyrkon.
Jednak głównym zastosowaniem hafnu jest produkcja pałeczek(znany takżetens jak kije lub pręty) kontroli w elektrownie jądrowe. Ponieważ jest to metal o dobrej chłonności neutrony, hafn może być stosowany do zapobiegania reakcjom łańcuchowym w zakładzie, umożliwiając kontrolę wytwarzanej energii i minimalizując prawdopodobieństwo wypadków. Warto pamiętać, że na przykład rozszczepienie uranu zawsze generuje neutrony, które mogłyby zderzyć się z nowymi jądrami uranu, w efekcie generującym energię w postępie geometrycznym.
Wreszcie hafn może być również stosowany w ceramice wysokotemperaturowej, ponieważ jest w stanie wytwarzać materiały wysoce ogniotrwałe, takie jak borki i węgliki, które przekraczają temperaturę topnienia 3000 °C.
historia hafnu
Hafn podążał za trendem pierwiastków odkrywanych przez cały XX wiek. Byli odkryty w niewielkich ilościach a także błędnie wypunktowano mu swoje odkrycie. Miało to miejsce w przypadku Georgesa Urbaina, który uważał, że pierwiastek 72 jest ziem rzadkich, a nie metalem przejściowym. Dlatego, Urbain zaczął szukać go w mieszankach minerału iterbu, w którym współodkrył pierwiastek lutet, liczba atomowa 71. Tak więc w 1911 opublikował artykuł, w którym przedstawił, jakie byłyby dane spektroskopowe nowego pierwiastka, który nazwał celtem.
Aby określić jego liczbę atomową i potwierdzić swoje odkrycie, Urbain udał się w 1914 do Anglii, aby przeprowadzić eksperymenty z emisją promieniowania rentgenowskiego opracowane przez Henry'ego Moseleya. Jednak eksperymenty nie wykazały, że rzekomy pierwiastek Celt był w rzeczywistości pierwiastkiem 72. Tak przekonany o swoich wysiłkach, Georges Urbain posunął się tak daleko, że powiedział: Rutherfordpóźniej, że brak weryfikacji jego odkrycia był spowodowany wadami metod Moseleya.
W przeciwnym kierunku i w obliczu nowych pomysłów dotyczących budowy atomu, Georg von Hevesy założył, że pierwiastek 72 musi być metalem przejściowym i tym samym rozpoczął dalsze studia z kolegą Dirkiem Costerem. Analiza rentgenowska małych próbek krzemianu cyrkonu wykazała istnienie substancji nieznany, o charakterystyce spektroskopowej podobnej do przewidywanej przez Moseleya dla takiego pierwiastka.
Tak więc po oczyszczeniu próbkiVna Hevesy i Coster opublikowali swoje odkrycia, sugerując nazwę hafnu dla nowego pierwiastka, nawiązując do łacińskiej nazwy miasta Kopenhagi, Hafnia, miejsca odkrycia. Mimo to Urbain przez wiele lat był orędownikiem odkrycia celtu, dopóki techniki eksperymentalne nie wykazały, że hafn i celt wywołują różne reakcje. W odpowiedzi na to potwierdziło się to, co podejrzewał już Moseley: Celt był w rzeczywistości wysoce oczyszczonym lutetem.
Przeczytaj też: Odkrycie tlenu — wyczyn, który zmienił bieg badań spalania
Ćwiczenia rozwiązywane na hafnie
Pytanie 1
Hafn to pierwiastek bardzo podobny do cyrkonu, który znajduje się tuż nad nim w układzie okresowym. Możemy wyjaśnić to wielkie podobieństwo, ponieważ:
(A) Hafn i cyrkon mają tę samą masę.
(B) Hafn i cyrkon mają taką samą liczbę protonów.
(C) Hafn i cyrkon należą do tej samej grupy w układzie okresowym.
(D) Hafn i cyrkon mają taką samą liczbę elektronów.
(E) Hafn i cyrkon to pierwiastki metaliczne.
Odpowiedź: litera C
Podobieństwo między Hf i Zr wynika z ich przynależności do tej samej grupy w układzie okresowym. Stół umieszcza w grupach elementy które mają podobne właściwości chemiczne. Zatem szablonem jest litera C.
pytanie 2
Podobnie jak cyrkon, hafn występuje w swojej najbardziej stabilnej postaci o stopniu utlenienia +4. Zazwyczaj hafn może wiązać halogeny.
Najbardziej odpowiedni wzór dla fluorku hafnu IV to:
(A) HfF
(B) HfF2
(C) HfF3
(D) HfF4
(E) Hf2F3
Odpowiedź: litera D
TEN fluor Ma stałą liczbę utlenienia, zawsze równą -1. Ponieważ Hf jest pierwiastkiem z NOx równym +4, do zneutralizowania ładunku Hf potrzebne są cztery atomy fluoru. Zatem związek fluorku hafnu IV to HfF4, opisane w lit. D.
Stefano Araújo Novais
Nauczyciel chemii
