แฮฟเนียม (Hf): ลักษณะ การได้มา การประยุกต์

เธ แฮฟเนียมHf เป็นโลหะทรานซิชันของเลขอะตอม 72 อยู่ในกลุ่มที่ 4 ของ ตารางธาตุ. มันเกิดขึ้นตามธรรมชาติกับองค์ประกอบที่อยู่เหนือมัน นั่นคือเซอร์โคเนียม แต่พวกมันแยกออกได้ยากเนื่องจากมีความคล้ายคลึงทางเคมีที่ดีระหว่างพวกมัน การหดตัวของแลนทานิคทำให้แฮฟเนียมมี รัศมีอะตอมเกือบเท่ากับเซอร์โคเนียมอำนวยความสะดวกในการแลกเปลี่ยนระหว่างทั้งสองในองค์ประกอบของแร่ธาตุ

ฮาฟเนียมแทบไม่มีอยู่ในเปลือกโลก แต่มีการใช้งานที่สำคัญ หนึ่งในนั้นคือการผลิตแท่งควบคุมนิวตรอนในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ ซึ่งควบคุมปฏิกิริยาฟิชชัน นอกจากนี้ยังสามารถใช้ในการผลิตซุปเปอร์อัลลอยโลหะและเซรามิกที่มีอุณหภูมิสูง

อ่านด้วย: อิตเทรียม — โลหะที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์

แฮฟเนียมสรุป

• มันเกิดขึ้นตามธรรมชาติด้วยเซอร์โคเนียม

• ไม่ค่อยมีอยู่ในเปลือกโลก

• การหดตัวของแลนทานิคทำให้การแยกแฮฟเนียมและเซอร์โคเนียมทำได้ยาก

• โดยทั่วไปจะพบในเซอร์โคไนต์

• ใช้ในการผลิตแท่งควบคุมนิวตรอนใน เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์.

• มันถูกค้นพบโดย Georg von Hevesey และ Dirk Coster

คุณสมบัติของแฮฟเนียม

• สัญลักษณ์: Hf

• เลขอะตอม: 72

• มวลอะตอม: 178.49 c.u.s.

• การกำหนดค่าทางอิเล็กทรอนิกส์: [Xe] 6s² 4f¹⁴ 5 วัน²

• จุดหลอมเหลว: 2233 °C

• จุดเดือด: 4600 °C

• ความหนาแน่น: 13.3 ก.ซม.^-3

• ชุดเคมี: โลหะทรานสิชัน หมู่ 4

ลักษณะของแฮฟเนียม

แฮฟเนียมเป็น โลหะสีเทา เกิดขึ้นตามธรรมชาติในเปลือกโลก โดยมีค่าประมาณ 5.3 มก. ต่อ 1 กิโลกรัมของเปลือกโลก เมื่อแบ่งละเอียดจะเป็นวัสดุไพโรฟอริก กล่าวคือ มีแนวโน้มที่จะ การเผาไหม้ โดยธรรมชาติเมื่อสัมผัสกับอากาศ อย่างไรก็ตาม ในรูปแบบดิบ มันไม่ใช่

ตัวอย่างโลหะแฮฟเนียมที่มีความบริสุทธิ์ประมาณ 99.9%

ฮาฟเนียมเป็นหนึ่งในองค์ประกอบแรกของตารางธาตุที่มีผลต่อการหดตัวของแลนทาไนด์ที่เรียกว่า รัศมีอะตอม ระหว่างชุดแลนทาไนด์ เป็นผลให้ แฮฟเนียมเรย์ก็คล้ายกัน ไปที่องค์ประกอบด้านบน เขาในตารางธาตุ,เซอร์โคเนียมซึ่งต่างกันเพียง 13.00 น. (picometer, 10^-12 เมตร) ส่งผลให้คุณสมบัติบางอย่างมีความคล้ายคลึงกันมาก ทำให้เกิดขึ้นพร้อมกันในธรรมชาติและแยกออกได้ยาก

มันคือ โลหะ ซึ่งสามารถรับกรดที่อุณหภูมิสูง แต่ไม่ได้รับผลกระทบจากสารละลายอัลคาไลน์แม้ในอุณหภูมิที่สูงขึ้น เคมีของแฮฟเนียมมีความเข้าใจได้ไม่ดีนักเมื่อเทียบกับเซอร์โคเนียม อย่างไรก็ตาม ส่วนใหญ่ พฤติกรรมทางเคมีของแฮฟเนียมคล้ายกับเซอร์โคเนียมเช่น ความเด่นของสถานะออกซิเดชัน +4 ในสารละลายและปฏิกิริยากับ อโลหะ ที่อุณหภูมิสูง

Hf + O₂ → HfO₂

Hf + 2 Cl₂ → HfCl₄

ตรวจสอบในพอดคาสต์ของเรา: แข็งเหมือนเพชร - หมายความว่าอย่างไร?

การเกิดแฮฟเนียม

แฮฟเนียมคือ มีน้อยในเปลือกโลกโดยส่วนใหญ่เกี่ยวข้องกับเซอร์โคเนียมในแร่ธาตุ เช่น เซอร์โคไนต์ เซอร์โคเนียมผสมและแฮฟเนียมผสมซิลิเกต ซึ่งอาจมีองค์ประกอบอื่นๆ ด้วย สูตรทางเคมีสามารถแทนด้วย (Zr, Hf) SiO₄ และปริมาณแฮฟเนียมมักจะแตกต่างกันไปตั้งแต่ 1% ถึง 4% โดยมวล อัตราส่วนของเซอร์โคเนียมต่อแฮฟเนียมคือ 50:1 ในเซอร์โคไนต์ และดังที่กล่าวไว้ พวกมันค่อนข้างยากที่จะแยกออก

เซอร์โคไนต์หรือเพทายเป็นแหล่งกำเนิดแฮฟเนียมตามธรรมชาติ

เธ การสกัดของผสมเซอร์โคเนียม-แฮฟเนียมจากเซอร์คอน สามารถเกิดขึ้นได้ด้วยการเปลี่ยนออกไซด์ของโลหะเหล่านี้เป็นเตตระคลอไรด์ที่อุณหภูมิสูง ในขั้นที่ 2 เตตระคลอไรด์ของโลหะจะลดลง แมกนีเซียม ในบรรยากาศของ อาร์กอนที่อุณหภูมิสูงมาก ปฏิกิริยาต่อไปนี้แสดงให้เห็นถึงกระบวนการ โดยที่ M สามารถเป็น Hf หรือ Zr ก็ได้

โม₂ → MCl₄ (โดยใช้ CCl₄ ที่อุณหภูมิ 770 K)

MCl₄ → M (ใช้ Mg ในบรรยากาศของอากาศที่อุณหภูมิ 1420 K)

เธ การแยกระหว่างทั้งสองอาจเกี่ยวข้องกับเทคนิคบางอย่างเช่น การตกผลึกแบบเศษส่วนของเกลือ K₂ZrF₆ และ K₂HfF₆ซึ่งมีความสามารถในการละลายน้ำต่างกัน นอกจากนี้ยังสามารถทำการสกัดด้วยตัวทำละลาย โดยที่สารประกอบ Zr และ Hf จะถูกละลายในน้ำแล้วทำการสกัดแบบคัดเลือกด้วยตัวทำละลายอินทรีย์ เป็นที่น่าสังเกตว่าสิ่งเหล่านี้ไม่ใช่เทคนิคเดียวสำหรับการแยกแฮฟเนียมและเซอร์โคเนียม อุตสาหกรรมได้พัฒนาเส้นทางไฮโดรเมทัลโลจิคัล (กล่าวคือ ซึ่งเกิดขึ้นในสารละลายที่เป็นน้ำ) และเส้นทางไพโรเมทัลโลจิคัล (โดยไม่มีน้ำ)

แอปพลิเคชั่นแฮฟเนียม

เมื่อผสมกับเซอร์โคเนียม แฮฟเนียมสามารถเป็น การปรับปรุงที่สำคัญของคุณสมบัติทางกายภาพของเหล็ก. เมื่อแฮฟเนียมที่เป็นโลหะบริสุทธิ์สามารถรวมเข้ากับโลหะผสมของ เหล็ก, ไทเทเนียม และ ไนโอเบียม. ความคล้ายคลึงกันของเซอร์โคเนียมทำให้แฮฟเนียมสามารถทดแทนโลหะนี้ได้ดี แม้ว่าจะไม่ค่อยมีโอกาสเกิดขึ้นมากนักเนื่องจากเซอร์โคเนียมที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติในระดับสูง

อย่างไรก็ตาม การใช้แฮฟเนียมส่วนใหญ่อยู่ใน การผลิตแท่ง(รู้ด้วยดิเหมือนแท่งหรือแท่ง) ของการควบคุมใน โรงไฟฟ้านิวเคลียร์. เนื่องจากเป็นโลหะที่มีความสามารถในการดูดซับที่ดีของ นิวตรอนแฮฟเนียมสามารถใช้ป้องกันปฏิกิริยาลูกโซ่ไม่ให้เกิดขึ้นในโรงงาน ทำให้สามารถควบคุมพลังงานที่สร้างขึ้นและลดความเสี่ยงที่จะเกิดอุบัติเหตุได้ เป็นเรื่องที่ควรค่าแก่การจดจำว่าการแตกตัวของยูเรเนียมเช่น สร้างนิวตรอนเสมอ ซึ่งสามารถชนกับนิวเคลียสของยูเรเนียมใหม่ ในลักษณะที่จะสร้างพลังงานในความก้าวหน้าทางเรขาคณิต

แท่งควบคุมการแพร่กระจายนิวตรอนทำจากแฮฟเนียม

ในที่สุดแฮฟเนียมก็สามารถ ใช้ในเซรามิกที่มีอุณหภูมิสูงเนื่องจากสามารถผลิตวัสดุที่ทนไฟได้สูง เช่น บอไรด์และคาร์ไบด์ที่มีจุดหลอมเหลวเกิน 3000 °C

ประวัติแฮฟเนียม

ฮาฟเนียมตามกระแสของธาตุที่ค้นพบตลอดศตวรรษที่ 20 คือ ค้นพบในปริมาณน้อย และเขายังมีการค้นพบของเขาชี้ให้เห็นอย่างผิดพลาด สิ่งนี้เกิดขึ้นกับ Georges Urbain ผู้ซึ่งเชื่อว่าธาตุ 72 เป็นแร่หายากและไม่ใช่โลหะทรานซิชัน นั่นเป็นเหตุผลที่ เออร์เบนเริ่มมองหามันในส่วนผสมของแร่อิตเทอร์เบียมซึ่งเขาได้ร่วมค้นพบธาตุลูทีเซียม เลขอะตอม 71 ดังนั้นในปี 1911 เขาได้ตีพิมพ์บทความซึ่งเขาได้นำเสนอข้อมูลทางสเปกโทรสโกปีขององค์ประกอบใหม่ ซึ่งเขาเรียกว่าเซลเซียม

เพื่อตรวจสอบเลขอะตอมและยืนยันการค้นพบของเขา เออร์เบนเดินทางไปอังกฤษในปี 2457 เพื่อทำการทดลองการแผ่รังสีเอ็กซ์เรย์ที่พัฒนาโดยเฮนรี มอสลีย์ อย่างไรก็ตาม การทดลองล้มเหลวในการพิสูจน์ว่าธาตุ Celtium ที่ถูกกล่าวหานั้นเป็นองค์ประกอบ 72 ด้วยความมั่นใจในความพยายามของเขา Georges Urbain จึงพูดกับ Rutherfordต่อมาว่าความล้มเหลวในการตรวจสอบการค้นพบของเขาเกิดจากข้อบกพร่องในวิธีการของ Moseley

ในทิศทางตรงกันข้ามและเมื่อเผชิญกับแนวคิดใหม่ๆ เกี่ยวกับโครงสร้างอะตอม Georg von Hevesy สันนิษฐานว่าองค์ประกอบ 72 ต้องเป็นโลหะทรานซิชัน และเริ่มศึกษาเพิ่มเติมกับเพื่อนร่วมงานของเขา Dirk Coster การวิเคราะห์ด้วยเอ็กซ์เรย์ของตัวอย่างเซอร์โคเนียมซิลิเกตขนาดเล็กเผยให้เห็นการมีอยู่ของสาร ไม่ทราบด้วยลักษณะทางสเปกโตรสโกปีคล้ายกับที่โมสลีย์คาดการณ์ไว้สำหรับองค์ประกอบดังกล่าว

ดังนั้น หลังจากทำให้ตัวอย่างบริสุทธิ์แล้ววีเกี่ยวกับ Hevesy และ Coster ได้เผยแพร่ข้อค้นพบของพวกเขาการแนะนำชื่อ hafnium สำหรับองค์ประกอบใหม่ พาดพิงถึงชื่อละตินสำหรับเมืองโคเปนเฮเกน Hafnia ซึ่งเป็นสถานที่ค้นพบ ถึงกระนั้น เออร์เบนยังคงสนับสนุนการค้นพบเซลเซียมเป็นเวลาหลายปี จนกระทั่งเทคนิคการทดลองพิสูจน์ว่าแฮฟเนียมและเซลเซียมให้การตอบสนองที่แตกต่างกัน เพื่อตอบสนองต่อสิ่งนี้ สิ่งที่ Moseley สงสัยแล้วจึงได้รับการยืนยัน: อันที่จริงแล้ว Celtium เป็นลูทีเซียมบริสุทธิ์สูง

อ่านด้วยนะ: การค้นพบออกซิเจน — ความสำเร็จที่เปลี่ยนหลักสูตรการศึกษาการเผาไหม้

แบบฝึกหัดแก้บน hafnium

คำถามที่ 1

ฮาฟเนียมเป็นองค์ประกอบที่คล้ายกับเซอร์โคเนียมมาก ซึ่งอยู่เหนือมันในตารางธาตุ เราสามารถอธิบายความคล้ายคลึงกันที่ยิ่งใหญ่นี้ได้เพราะ:

(A) ฮาฟเนียมและเซอร์โคเนียมมีมวลเท่ากัน

(B) ฮาฟเนียมและเซอร์โคเนียมมีจำนวนโปรตอนเท่ากัน

(C) ฮาฟเนียมและเซอร์โคเนียมอยู่ในกลุ่มเดียวกันในตารางธาตุ

(D) ฮาฟเนียมและเซอร์โคเนียมมีจำนวนอิเล็กตรอนเท่ากัน

(E) ฮาฟเนียมและเซอร์โคเนียมเป็นธาตุโลหะทั้งคู่

ตอบกลับ: ตัวอักษร C

ความคล้ายคลึงกันระหว่าง Hf และ Zr เกิดจากการอยู่ในกลุ่มเดียวกันในตารางธาตุ ตารางวางไว้ในกลุ่ม องค์ประกอบ ที่มีคุณสมบัติทางเคมีใกล้เคียงกัน ดังนั้น แม่แบบคือตัวอักษร C

คำถาม2

เช่นเดียวกับเซอร์โคเนียม แฮฟเนียมปรากฏในรูปแบบที่เสถียรที่สุดด้วยเลขออกซิเดชัน +4 โดยทั่วไปแล้ว แฮฟเนียมสามารถจับฮาโลเจนได้

สูตรที่เหมาะสมที่สุดสำหรับแฮฟเนียมฟลูออไรด์ IV คือ:

(A) HfF

(B) HfF₂

(C) HfF₃

(D) HfF₄

(E) Hf₂F₃

ตอบกลับ: ตัวอักษร D

เธ ฟลูออรีน มีเลขออกซิเดชันคงที่ เท่ากับ -1 เสมอ เนื่องจาก Hf เป็นองค์ประกอบที่มี NOx เท่ากับ +4 จึงจำเป็นต้องมีอะตอมฟลูออรีนสี่อะตอมเพื่อทำให้ประจุของ Hf เป็นกลาง ดังนั้น สารประกอบแฮฟเนียมฟลูออไรด์ IV คือ HfF₄อธิบายไว้ในจดหมาย D.

โดย Stefano Araújo Novais
ครูสอนเคมี