ХАФНИЈУМ: ОТКРИЋЕ, СТРУКТУРА, СВОЈСТВА, УПОТРЕБЕ, РИЗИЦИ - ХЕМИЈА - 2025

Хафнијум је транзиција металом чија Хемијски симбол је Хф и има атомски број 72. То је трећи елемент групе 4 периодног система, чему сродно титанијума и цирконијум. Са последњим дели многа хемијска својства, налазе се заједно у минералима земљине коре.

Тражење хафнијума тражи где је цирконијум, јер је то нуспроизвод његове екстракције. Назив овог метала долази од латинске речи 'хафниа', чије значење долази од имена Копенхагена, града у коме је откривен минералима циркона и препирка о његовој истинској хемијској природи је завршила.

Узорак металик хафнијум. Извор: Хи-Рес слике хемијских елемената

Хафнијум је метал који остаје непримећен у општем интелекту, заправо мало људи је и раније чуо за њега. Чак је и међу неким хемикалијама то неуобичајен елемент, делом захваљујући високим трошковима производње, јер у већини примена цирконијум може да га замени без икаквих проблема.

Овај метал носи одлика што је последњи од најстабилнијих елемената откривених овде на Земљи; Другим речима, друга открића су чинила низ ултра-тешких, радиоактивних елемената и / или вештачких изотопа.

Хафнијум једињења су аналогна онима титана и цирконијум, са оксидације бројем +4 преовлађујући у њима, као што су ХфЦл ₄ , ХФО ₂ , ХФИ ₄ и ХФБР ₄ . Неки од њих су на врху листе најотровнијих материјала икада створених, као и легура велике топлотне отпорности и који такође делују као одлични апсорбери неутрона.

Из овог разлога хафнијум има велико учешће у нуклеарној хемији, посебно када је реч о воденим реакторима под притиском.

Откриће

Прелазни или ретко земљани метал

Откриће хафнијума било је окружено контроверзом, упркос чињеници да је његово постојање већ предвиђено од 1869. захваљујући Менделејевој периодичној табели.

Проблем је био што се он налазио испод цирконијума, али подударио се у истом периоду од ретких земаљских елемената: лантаноида. Хемичари тада нису знали да ли је то прелазни метал или ретки земљани метал.

Француски хемичар Георгес Урбаин, откривач лутецијума, суседног метала хафнијума, тврдио је 1911. године да је открио елемент 72, који је назвао целтијум и прогласио да је реч о ретко металном металу. Али три године касније закључено је да су његови резултати били погрешни и да је он изоловао само мешавину лантаноида.

Тек кад су елементи били наручени њиховим атомским бројевима, захваљујући раду Хенрија Моселеија из 1914. године, околина између лутеција и елемента 72 је стављена у доказ, слажући се са Менделеевим предвиђањима када се последњи елемент налазио у иста група као и метали титанијум и цирконијум.

Детекција у Копенхагену

1921. године, након студија Ниелс Бохра о атомској структури и његовом предвиђању спектра емисије рендгенских зрака за елемент 72, потрага за тим металом у ретким земаљским минералима заустављена је; Уместо тога, своје истраживање је усредсредио на минерале цирконијума, јер оба елемента морају имати различита хемијска својства.

Дански хемичар Дирк Цостер и мађарски хемичар Георг вон Хевеси 1923. коначно су успели да препознају спектар који је предвидио Ниелс Бохр у узорцима циркона из Норвешке и Гренланда. Откривши у Копенхагену, елемент 72 назвали су латинским називом овог града: хафниа, одакле је касније и изведен као "хафнијум".

Изолација и производња

Међутим, одвајање атома хафнијума од оних цирконијума није био лак задатак, јер су њихове величине сличне и они реагују на исти начин. Иако је разломачки метод рекристализација је осмишљена 1924. године да добију Хафнијум Тетрахлорид, ХфЦл ₄ , то је холандски хемичари Антон Едуард ван Аркел и Јан Хендрик де Боер који се сведе на Хафнијум метал.

За ово је ХфЦл ₄ је подвргнут редукцији помоћу металну магнезијума (Кролл процеса):

ХфЦл ₄ + 2 Мг (1100 ° Ц) → 2 МгЦл ₂ + Хф

С друге стране, почев од хафнијума тетраиодиде, ХФИ ₄ , ово је испарила подвргне термичко разлагање на обичне Тунгстен Филамент, на којем је метални хафнијум депонован за производњу бар с појавом поликристалног (процес кристалног траци или Аркел-Де Боер поступак):

ХфИ ₄ (1700 ° Ц) → Хф + 2 И ₂

Хафнијум структура

Атоми хафнијума, Хф, групишу се под атмосферским притиском у кристал са компактном шестерокутном структуром, хцп, као и метали титанијум и цирконијум. Овај хцп кристал хафнијум постаје његова α фаза, која остаје константна до температуре од 2030 К, када прође прелаз у β фазу, са кубичном структуром центрираном у телу, бцц.

То се разуме ако се узме у обзир да топлота „опушта“ кристал и, зато, Хф-атоми настоје да се поставе на такав начин да смање њихово сабијање. Ове две фазе су довољне да се размотри полиморфизам хафнијума.

Исто тако, представља полиморфизам који зависи од високих притисака. Фазе α и β постоје под притиском од 1 атм; док се ω фаза, шестерокутна, али још компактнија од обичне хцп, појављује када притисци прелазе 40 ГПа. Интересантно је да се, када се притисци и даље повећавају, поново појављује β фаза, најмање густа.

Својства

Физичка присутност

Сребрно-бела чврста супстанца, која показује тамне тонове ако има оксидни и нитридни премаз.

Моларна маса

178,49 г / мол

Тачка топљења

2233 ºЦ

Тачка кључања

4603 ºЦ

Густина

На собној температури: 13,31 г / цм ³ , двоструко је густи од цирконијума

Тачно на тачки топљења: 12 г / цм ³

Топлина фузије

27,2 кЈ / мол

Топлина испаравања

648 кЈ / мол

Електронегативност

1.3 на Паулинг-овој скали

Енергије јонизације

Прво: 658,5 кЈ / мол (Хф ⁺ гасовити)

Друго: 1440 кЈ / мол (Хф ²⁺ гасовитих)

Треће: 2250 кЈ / мол (Хф ³⁺ гасовитих)

Топлотна проводљивост

23.0 В / (мК)

Електрична отпорност

331 нΩ м

Мохсова тврдоћа

5.5

Реактивност

Ако се метал полира и не изгори, ослобађајући искре при температури од 2000 ° Ц, он нема осјетљивост на рђу или корозију, јер га танки слој оксида штити. У том смислу, то је један од најстабилнијих метала. У ствари, ни јаке киселине ни јаке базе га не могу растворити; С изузетком флуороводоничне киселине и халогена способних да је оксидира.

Електронска конфигурација

Атом хафнијума има следећу електронску конфигурацију:

4ф ¹⁴ 5д ² 6с ²

То се поклапа са чињеницом да припада групи 4 периодичне табеле, заједно са титанијумом и цирконијумом, јер има четири валенциона електрона у 5д и 6с орбитали. Такође имајте на уму да хафнијум не може бити лантаноид, јер су његове 4ф орбите потпуно испуњене.

Оксидациони бројеви

Иста електронска конфигурација открива колико електрона атом хафнијума теоретски може да изгуби као део једињења. Под претпоставком да изгуби своја четири валентна електрона, остаће као четверовалентни катион Хф ⁴⁺ (аналогно Ти ⁴⁺ и Зр ⁴⁺ ), и стога би имао оксидациони број +4.

Ово је у ствари најстабилнији и најчешћи од његових бројева оксидације. Остали мање релевантни су: -2 (Хф ^2- ), +1 (Хф ⁺ ), +2 (Хф ²⁺ ) и +3 (Хф ³⁺ ).

Изотопи

Хафнијум се на Земљи појављује као пет стабилних изотопа и један радиоактивни са веома дугим животним веком:

- ¹⁷⁴ Хф (0,16%, са средњим животним веком 2 · 10 ¹⁵ година, тако да се сматра практично стабилним)

- ¹⁷⁶ Хф (5,26%)

- ¹⁷⁷ Хф (18,60%)

- ¹⁷⁸ Хф (27,28%)

- ¹⁷⁹ Хф (13,62%)

- ¹⁸⁰ Хф (35,08%)

Имајте на уму да као такав не постоји изотоп који се истиче у изобиљу, а то се одражава на просечну атомску масу хафнијума, 178,49 аму.

Од свих радиоактивних изотопа хафнијума, који заједно са природним ^{стварају} укупно 34, ^178м2 Хф је најспорнији јер у свом радиоактивном распаду ослобађа гама зрачење, због чега се ови атоми могу користити као оружје рата .

Апликације

Нуклеарне реакције

Хафнијум је метал отпоран на влагу и високе температуре, а одличан је апсорбер неутрона. Из тог разлога се користи у воденим реакторима под притиском, као и у производњи контролних шипки за нуклеарне реакторе, чији су премази направљени од ултра чистог цирконијума, јер кроз њега морају бити способни да преносе неутроне. .

Легуре

Атоми хафнијума могу да интегришу друге металне кристале и стварају различите легуре. За њих је карактеристично да су жилави и термички отпорни, због чега су намењени за свемирске примене, као што су конструкција млазница за ракете мотора.

Са друге стране, неке легуре и чврста хафнијумска једињења имају посебна својства; као што су њени карбиди и нитриди, ХфЦ и ХфН, који су високо ватростални материјали. Тантал-хафнијум-карбид, Та ₄ ХфЦ ₅ , са талиштем 4215 ° Ц, један је од најотровнијих материјала икада познатих.

Катализа

Хафнијум металоцени се користе као органски катализатори за синтезу полимера као што су полиетилен и полистирен.

Ризици

До данас је непознато какав би утицај Хф ⁴⁺ јони могли да имају на наше тело . С друге стране, зато што се у природи налазе у минералима цирконијума, не верује се да они мењају екосустав испуштањем соли у околину.

Међутим, препоручује се пажљиво руковати са хафнијумим једињењима, као да су отровна, чак и кад не постоје медицинске студије које би доказале да су штетне за здравље.

Права опасност од хафнијума лежи у ситно млевеним честицама његове чврсте грађе, које једва сагоревају када дођу у контакт са кисеоником у ваздуху.

Ово објашњава зашто, када је полиран, акција која огребује његову површину и ослобађа честице чистог метала, пуштају искре са температуром од 2000 ºЦ; то јест, хафнијум показује пирофорност, једино својство које ризикује од пожара или озбиљних опекотина.

Референце

1. Схивер & Аткинс. (2008). Неорганска хемија . (Четврто издање). Мц Грав Хилл.
2. Википедиа. (2020). Хафнијум. Опоравак од: ен.википедиа.орг
3. Стеве Гагнон (сф) Елемент Хафнијум. Јефферсон лабораторијски ресурси. Опоравак од: едуцатион.јлаб.орг
4. Уредници Енцицлопаедиа Британница. (18. децембра 2019). Хафнијум. Енцицлопӕдиа Британница. Опоравак од: британница.цом
5. Др Доуг Стеварт. (2020). Чињенице хафнијумских елемената. Опоравак од: цхемицоол.цом
6. Национални центар за информације о биотехнологији. (2020). Хафнијум. ПубЦхем база података, АтомицНумбер = 72. Опоравак од: пубцхем.нцби.нлм.них.гов
7. К. Пандеи и др. (сф) Испитивање полиморфизма високог притиска у металу Хафниума. Опоравак од: аркив.орг
8. Ериц Сцерри. (1. септембра 2009). Хафнијум. Хемија у њеним елементима. Опоравак од: цхемистриворлд.цом