DE hafnium, Hf, är en övergångsmetall med atomnummer 72, belägen i grupp 4 av Periodiska systemet. Det förekommer naturligt med grundämnet som är precis ovanför det, zirkonium, men de är svåra att separera med tanke på den stora kemiska likheten mellan dem. Lantanisk kontraktion gör att hafnium har en atomradien nästan lika med den för zirkonium, vilket underlättar utbytet mellan de två i sammansättningen av mineraler.
Hafnium finns knappt i jordskorpan, men det har viktiga tillämpningar. En av dem är vid tillverkning av neutronstyrstavar i kärnreaktorer, som styr fissionsreaktionerna. Den kan också användas vid tillverkning av metalliska superlegeringar och högtemperaturkeramik.
Läs också: Yttrium — metall som ofta används inom elektronik
hafnium sammanfattning
Det förekommer naturligt med zirkonium.
Det är inte särskilt närvarande i jordskorpan.
Lantanisk sammandragning gör det svårt att separera hafnium och zirkonium.
Det finns i princip i zirkonit.
Det används vid tillverkning av neutronkontrollstavar i kärnreaktorer.
Den upptäcktes av Georg von Hevesey och Dirk Coster.
Hafnium fastigheter
Symbol: Hf
atomnummer: 72
atomisk massa: 178,49 c.u.s.
elektronisk konfiguration: [Xe] 6s2 4f14 5d2
Fusionspunkt: 2233°C
Kokpunkt: 4600°C
Densitet: 13,3 g.cm-3
kemisk serie: övergångsmetall, grupp 4
hafnium egenskaper
Hafnium är en gråaktig metall naturligt förekommande i jordskorpan, med cirka 5,3 mg för varje kilo skorpa. När det är finfördelat är det ett pyroforiskt material, det vill säga det är benäget att förbränning spontant i kontakt med luften är det dock inte i sin råa form.
Hafnium är ett av de första grundämnena i det periodiska systemet som har effekten av den så kallade lantanidkontraktionen, där en sammandragning av Atom radie under lantanidserien. Som en konsekvens av detta hafniumstråle är liknande till elementet precis ovanför honom i det periodiska systemetzirkonium, vars skillnad bara är 13.00 (picometer, 10-12 m). Som en konsekvens är vissa egenskaper väldigt lika varandra, vilket gör att de förekommer tillsammans i naturen och är svåra att separera.
Det är en metall som kan genomgå syraangrepp vid höga temperaturer, men inte utsätts för någon verkan av alkaliska lösningar, även vid högre temperaturer. Kemin av hafnium är dåligt förstådd jämfört med zirkonium. Men mycket av Det kemiska beteendet hos hafnium liknar det hos zirkonium, såsom dominansen av +4-oxidationstillståndet i lösning och reaktionen med de flesta av de icke-metaller vid hög temperatur.
Hf + O2 → HfO2
Hf + 2 Cl2 → HfCl4
Kolla in den i vår podcast: Hård som en diamant - vad betyder det?
Förekomst av hafnium
hafnium är liten närvarande i jordskorpan, som främst förekommer i samband med zirkonium i mineraler som zirkonit, ett blandat silikat av zirkonium och hafnium, som också kan innehålla andra grundämnen. Den kemiska formeln kan representeras av (Zr, Hf) SiO4 och hafniumhalten varierar vanligtvis från 1% till 4% i vikt. Förhållandet mellan zirkonium och hafnium är 50:1 i zirkonit, och som sagt är de ganska svåra att separera.
DE extraktion av zirkonium-hafniumblandning från zirkon kan ske vid omvandling av oxiden av dessa metaller till deras tetraklorid, vid hög temperatur. I ett andra steg kommer metallernas tetraklorid att reduceras med magnesium i atmosfären av argon, vid mycket hög temperatur. Följande reaktioner visar processen, där M kan vara antingen Hf eller Zr.
MO2 → MCl4 (med CCl4 vid 770 K temperatur)
MCl4 → M (med användning av Mg i en luftatmosfär vid 1420 K temperatur)
DE separation mellan de två kan involvera vissa teknikersåsom fraktionerad kristallisation av K-salter2ZrF6 och K2HfF6, som har olika löslighet i vatten. Det är också möjligt att göra en lösningsmedelsextraktion, där Zr- och Hf-föreningar löses i vatten och sedan selektivt extraheras med organiska lösningsmedel. Det är värt att notera att dessa inte är de enda teknikerna för att separera hafnium och zirkonium. Industrin har redan utvecklat hydrometallurgiska (dvs. som förekommer i vattenlösning) och pyrometallurgiska (utan närvaro av vatten) vägar.
hafniumtillämpningar
När det blandas med zirkonium kan hafnium vara en viktig förbättring av stålets fysikaliska egenskaper. När det är rent kan metalliskt hafnium införlivas i legeringar av järn, titan och niob. Likheterna med zirkonium gör det möjligt för hafnium att vara ett bra substitut för denna metall, även om det är lite osannolikt med tanke på det högre naturligt förekommande zirkoniumet.
Det finns dock en stor användning av hafnium tillverkning av pinnar(också kändDes som pinnar eller stavar) för kontroll i kärnkraftverk. Eftersom det är en metall med bra absorptionsförmåga av neutroner, hafnium kan användas för att förhindra att kedjereaktioner inträffar i anläggningen, vilket möjliggör kontroll av den genererade energin och minimerar sannolikheten för olyckor. Det är värt att komma ihåg att uranklyvning, till exempel, alltid genererar neutroner, som kan kollidera med nya urankärnor, i en effekt som skulle generera energi i en geometrisk progression.
Slutligen kan hafnium också vara används i högtemperaturkeramik, eftersom det är kapabelt att producera mycket eldfasta material såsom borider och karbider som överstiger 3000 °C smältpunkt.
hafniums historia
Hafnium följde trenden med grundämnen som upptäcktes under hela 1900-talet. Var upptäcks i små mängder och han fick också sin upptäckt felaktigt påpekad. Detta inträffade med Georges Urbain, som trodde att element 72 var en sällsynt jordartsmetall och inte en övergångsmetall. Det är därför, Urbain började leta efter det i blandningar av mineralet ytterbium, där han medupptäckte grundämnet lutetium, atomnummer 71. Sålunda publicerade han 1911 en artikel där han presenterade vad som skulle vara spektroskopiska data för ett nytt grundämne, som han kallade celtium.
För att bestämma dess atomnummer och bekräfta sin upptäckt åkte Urbain till England 1914 för att utföra experiment med röntgenstrålning som utvecklats av Henry Moseley. Men experiment misslyckades med att bevisa att det förmodade grundämnet Celtium i själva verket var grundämnet 72. Så övertygad om sina ansträngningar gick Georges Urbain så långt som att säga till Rutherford, senare, att misslyckandet med att verifiera hans upptäckt berodde på brister i Moseleys metoder.
I motsatt riktning och inför nya idéer om atomstrukturen, Georg von Hevesy antog att element 72 måste vara en övergångsmetall och påbörjade därmed fortsatta studier med sin kollega Dirk Coster. Röntgenanalys av små prover av zirkoniumsilikat avslöjade förekomsten av ett ämne okänd, med spektroskopiska egenskaper liknande de som förutspåtts av Moseley för ett sådant element.
Sålunda, efter provrening,Vpå Hevesy och Coster publicerade sina resultat, vilket föreslår namnet hafnium för det nya grundämnet, anspelande på det latinska namnet för staden Köpenhamn, Hafnia, platsen för upptäckten. Trots det fortsatte Urbain att kämpa för upptäckten av celtium i många år, tills experimentella tekniker visade att hafnium och celtium gav olika svar. Som svar på detta bekräftades vad Moseley redan misstänkte: Celtium var i själva verket mycket renat lutetium.
Läs också: Upptäckten av syre — bedriften som förändrade förbränningsstudierna
Övningar lösta på hafnium
fråga 1
Hafnium är ett grundämne mycket likt zirkonium, som ligger precis ovanför det i det periodiska systemet. Vi kan förklara denna stora likhet eftersom:
(A) Hafnium och zirkonium har samma massa.
(B) Hafnium och zirkonium har samma antal protoner.
(C) Hafnium och zirkonium är i samma grupp i det periodiska systemet.
(D) Hafnium och zirkonium har samma antal elektroner.
(E) Hafnium och zirkonium är båda metalliska element.
Svar: bokstaven C
Likheten mellan Hf och Zr härrör från att de tillhör samma grupp i det periodiska systemet. Tabellen placerar i grupperna element som har liknande kemiska egenskaper. Således är mallen bokstaven C.
fråga 2
Liksom zirkonium uppträder hafnium i sin mest stabila form med ett oxidationstal på +4. Vanligtvis kan hafnium binda halogener.
Den lämpligaste formeln för hafniumfluorid IV skulle vara:
(A) HfF
(B) HfF2
(C) HfF3
(D) HfF4
(E) Hf2F3
Svar: bokstaven D
DE fluor Den har ett fast oxidationstal, alltid lika med -1. Eftersom Hf är ett grundämne med NOx lika med +4, behövs fyra fluoratomer för att neutralisera laddningen av Hf. Således är föreningen hafniumfluorid IV HfF4, som beskrivs i bokstaven D.
Av Stefano Araújo Novais
Kemilärare
