HAFNIUM: OBJAV, ŠTRUKTÚRA, VLASTNOSTI, POUŽITIA, RIZIKÁ - CHÉMIA - 2026

Hafnia je prechodný kov, ktorého chemická značka je HF a má atómové číslo 72. Je to je tretí prvok 4. skupiny periodickej tabuľky prvkov, byť kongenéru, titán a zirkónium. S posledne menovanými má spoločné mnohé chemické vlastnosti a nachádza sa spolu v mineráloch zemskej kôry.

Hľadanie hafnia sa zameriava na to, kde je zirkón, pretože je vedľajším produktom jeho extrakcie. Názov tohto kovu pochádza z latinského slova „hafnia“, ktorého zmysel sa nazýva Kodaň, mesto, kde bol objavený v zirkónových mineráloch a skončila kontroverzia týkajúca sa jeho skutočnej chemickej povahy.

Vzorka kovového hafnia. Zdroj: Hi-Res obrázky chemických prvkov

Hafnium je kov, ktorý si nevšimne všeobecný intelekt, v skutočnosti ho o ňom už predtým počula len málokto. Dokonca aj medzi niektorými chemikáliami je to neobvyklý prvok, čiastočne kvôli vysokým výrobným nákladom, pretože vo väčšine svojich aplikácií ho môže zirkón nahradiť bez problémov.

Tento kov nesie vyznamenanie za posledný z najstabilnejších prvkov objavených tu na Zemi; Inými slovami, ďalšie objavy predstavovali sériu ultra-ťažkých rádioaktívnych prvkov a / alebo umelých izotopov.

Hafnia zlúčeniny sú analogické tým, titánu a zirkónia, s oxidačným číslom +4 prevažujúci, ako HfCl ₄ , HFO ₂ , HFI ₄ a HFBR ₄ . Niektoré z nich sú na špičke zoznamu najviac žiaruvzdorných materiálov, ktoré sa kedy vytvorili, ako aj zliatin s veľkým tepelným odporom, ktoré tiež pôsobia ako vynikajúce absorbéry neutrónov.

Z tohto dôvodu má hafnium veľkú účasť v jadrovej chémii, najmä pokiaľ ide o tlakové vodné reaktory.

objav

Prechod alebo kov vzácnych zemín

Objav hafnia bol obklopený kontroverznosťou, napriek tomu, že jeho existencia sa predpovedala už od roku 1869 vďaka Mendeleevovej periodickej tabuľke.

Problém bol v tom, že bol umiestnený pod zirkónom, ale zhodoval sa v rovnakom období prvkov vzácnych zemín: lanthanoidov. Chemici v tom čase nevedeli, či to bol prechodný kov alebo kov vzácnych zemín.

Francúzsky chemik Georges Urbain, objaviteľ lutória, susedného kovu hafnia, tvrdil, že v roku 1911 objavil prvok 72, ktorý nazval celtium, a vyhlásil, že ide o kov vzácnej zeminy. O tri roky neskôr sa však dospelo k záveru, že jeho výsledky boli zlé a že izoloval iba zmes lantanoidov.

Až keď boli prvky usporiadané podľa ich atómových čísel, vďaka práci Henryho Moseleyho v roku 1914, bolo preukázané susedstvo medzi lutéciom a prvkom 72, čo súhlasilo s Mendeleevovými predpoveďami, keď sa posledný prvok nachádzal v rovnaká skupina ako kovy titán a zirkón.

Detekcia v Kodani

V roku 1921, po štúdiách Nielsa Bohra o atómovej štruktúre a jeho predikcii röntgenového emisného spektra pre prvok 72, sa vyhľadávanie tohto kovu v mineráloch vzácnych zemín zastavilo; Namiesto toho sa zameriaval na minerály zirkónia, pretože obidva prvky musia mať rôzne chemické vlastnosti.

Dánskemu chemikovi Dirkovi Costerovi a maďarskému chemikovi Georgovi von Hevesymu sa v roku 1923 konečne podarilo rozpoznať spektrum, ktoré predpovedal Niels Bohr vo vzorkách zirkónu z Nórska a Grónska. Po objavení v Kodani nazvali prvkom 72 latinským názvom tohto mesta: hafnia, z ktorej bolo neskôr odvodené „hafnium“.

Izolácia a výroba

Oddelenie atómov hafnia od atómov zirkónia však nebolo ľahké, pretože ich veľkosť je podobná a reagujú rovnako. Hoci frakčnej spôsob rekryštalizácia bol vytvorený v roku 1924 získať hafnium chlorid, HfCl ₄ , bolo holandskej lekárne Anton Eduard van Arkel a Jan Hendrik de Boer, ktorý ho zosadil na hafnia.

K tomu sa HfCl ₄ sa podrobia redukcii za použitia kovového horčíka (Kroll proces):

HfCl ₄ + 2 Mg (1100 ° C) → 2 MgCI ₂ + Hf

Na druhej strane, vychádzajúc z hafnia tetrajodid, HFI ₄ , to sa vyparil podrobiť tepelnému rozkladu na žeraviace volfrámového vlákna, na ktoré sa kovové hafnium uloženého produkovať bar s vzhľad polykryštalické (proces kryštalickej tyče alebo Arkel-De Boerov proces):

HFI ₄ (1700 ° C) → Hf + 2 I ₂

Štruktúra hafnia

Atómy hafnia, Hf, sa zhlukujú pri okolitom tlaku v kryštáli s kompaktnou hexagonálnou štruktúrou, hcp, rovnako ako kovy titán a zirkónium. Tento kryštál hcp hafnia sa stáva jeho fázou a, ktorá zostáva konštantná až do teploty 2030 K, keď prechádza prechodom do fázy p, s kubickou štruktúrou sústredenou v tele, bcc.

Toto sa rozumie, ak sa má za to, že teplo „uvoľňuje“ kryštál, a preto sa atómy Hf snažia umiestniť seba takým spôsobom, aby sa znížilo ich zhutnenie. Tieto dve fázy sú dostatočné na zváženie polymorfizmu hafnia.

Rovnako predstavuje polymorfizmus, ktorý závisí od vysokých tlakov. A a P fázy existujú pri tlaku 1 atm; zatiaľ čo fáza w, hexagonálna, ale ešte kompaktnejšia ako obyčajná hcp, sa objaví, keď tlak presiahne 40 GPa. Je zaujímavé, že keď sa tlak naďalej zvyšuje, opäť sa objaví p-fáza, najmenej hustá.

vlastnosti

Fyzický vzhľad

Strieborná biela tuhá látka, ktorá vykazuje tmavé odtiene, ak má povlak z oxidu a nitridu.

Molárna hmota

178,49 g / mol

Bod topenia

2233 ° C

Bod varu

4603 ° C

Hustota

Pri teplote miestnosti sa: 13,31 g / cm ³ , je dvakrát tak silná ako zirkón

Hneď na bode topenia: 12 g / cm ³

Teplo fúzie

27,2 kJ / mol

Odparovacie teplo

648 kJ / mol

electronegativity

1.3 na Paulingovej stupnici

Ionizačné energie

Najprv: 658,5 kJ / mol (Hf ⁺ plynný)

Druhý: 1440 kJ / mol ( plynný Hf ²⁺ )

Tretia: 2250 kJ / mol ( plynný Hf ³⁺ )

Tepelná vodivosť

23,0 W / (mK)

Elektrický odpor

331 nΩ m

Mohsova tvrdosť

5.5

reaktivita

Pokiaľ nie je kov leštený a horí a uvoľňuje iskry pri teplote 2000 ° C, nemá náchylnosť na hrdzu alebo koróziu, pretože ho chráni tenká vrstva jeho oxidu. V tomto zmysle je to jeden z najstabilnejších kovov. V skutočnosti ho nemôžu rozpustiť ani silné kyseliny ani silné bázy; S výnimkou kyseliny fluorovodíkovej a halogénov schopných ju oxidovať.

Elektronická konfigurácia

Atóm hafnia má nasledujúcu elektronickú konfiguráciu:

4f ¹⁴ 5d ² 6s ²

Toto sa zhoduje so skutočnosťou, že patrí do skupiny 4 periodickej tabuľky, spolu s titánom a zirkóniom, pretože má štyri valenčné elektróny na dráhach 5d a 6s. Tiež si všimnite, že hafnium nemôže byť lantanoidom, pretože má 4f orbitály úplne vyplnené.

Oxidačné čísla

Rovnaká konfigurácia elektrónov odhaľuje, koľko elektrónov atóm hafnia je teoreticky schopný stratiť ako súčasť zlúčeniny. Za predpokladu, že stratí svoje štyri valenčné elektróny, zostane ako štvormocný katión Hf ⁴⁺ (analogicky ako Ti ⁴⁺ a Zr ⁴⁺ ), a preto by mal oxidačné číslo +4.

Toto je v skutočnosti najstabilnejšie a najbežnejšie zo svojich oxidačných čísiel. Iné menej relevantné, sú: -2 (Hf ^2- ), 1 (Hf ⁺ ), 2 (Hf ²⁺ ) a 3 (Hf ³⁺ ).

izotopy

Hafnium sa vyskytuje na Zemi ako päť stabilných izotopov a jeden rádioaktívny s veľmi dlhou životnosťou:

- ¹⁷⁴ Hf (0,16%, s priemernou životnosťou 2 - 10 ¹⁵ rokov, takže sa považuje za prakticky stabilný),

- ¹⁷⁶ Hf (5,26%)

- ¹⁷⁷ Hf (18,60%)

- ¹⁷⁸ Hf (27,28%)

- ¹⁷⁹ Hf (13,62%)

- ¹⁸⁰ Hf (35,08%)

Všimnite si, že ako taký neexistuje žiadny izotop, ktorý vyniká v hojnosti, čo sa odráža v priemernej atómovej hmotnosti hafnia 178,49 amu.

Zo všetkých rádioaktívnych izotopov hafnia, ktoré spolu s prírodnými tvoria celkom 34, ^{178 m 2} Hf je najkontroverznejšia, pretože v rádioaktívnom rozklade uvoľňuje gama žiarenie, takže tieto atómy by sa mohli použiť ako vojnová zbraň ,

aplikácia

Jadrové reakcie

Hafnium je kov odolný voči vlhkosti a vysokým teplotám a je tiež vynikajúcim absorbérom neutrónov. Z tohto dôvodu sa používa v reaktoroch s tlakovou vodou, ako aj pri výrobe regulačných tyčí pre jadrové reaktory, ktorých povlaky sú vyrobené z ultračistého zirkónia, pretože musí byť schopná ním prenášať neutróny. ,

zliatiny

Atómy hafnia môžu integrovať ďalšie kovové kryštály za vzniku rôznych zliatin. Vyznačujú sa tým, že sú odolné a tepelne odolné, a preto sú určené na vesmírne použitie, napríklad pri konštrukcii dýz motora pre rakety.

Na druhej strane niektoré zliatiny a pevné zlúčeniny hafnia majú špeciálne vlastnosti; ako sú jeho karbidy a nitridy, HfC a HfN, ktoré sú vysoko žiaruvzdornými materiálmi. Tantal karbid hafnia, Ta ₄ HFC ₅ , s teplotou topenia 4215 ° C, je jedným z najviac žiaruvzdorných materiálov vôbec známe.

katalýza

Metalocény hafnia sa používajú ako organické katalyzátory pre syntézu polymérov, ako je polyetylén a polystyrén.

riziká

Doposiaľ nie je známe, aký vplyv môžu mať ióny Hf ⁴⁺ na naše telo . Na druhej strane, pretože sa v prírode vyskytujú v mineráloch zirkónia, neuverzuje sa, že menia ekosystém uvoľňovaním ich solí do životného prostredia.

Odporúča sa však zaobchádzať so zlúčeninami hafnia opatrne, akoby boli toxické, aj keď neexistujú žiadne lekárske štúdie, ktoré by dokázali, že sú škodlivé pre zdravie.

Skutočné nebezpečenstvo hafnia spočíva v jemne rozomletých časticiach tuhej látky, ktoré sa pri kontakte s kyslíkom vo vzduchu ťažko horia.

Toto vysvetľuje, prečo sa pri leštení, pri škriabaní jeho povrchu a uvoľňovaní častíc čistého kovu, horiace iskry uvoľňujú pri teplote 2000 ° C; to znamená, že hafnium vykazuje samozápalnosť, jedinú vlastnosť, ktorá predstavuje riziko požiaru alebo vážneho popálenia.

Referencie

1. Shiver a Atkins. (2008). Anorganická chémia. (Štvrté vydanie). Mc Graw Hill.
2. Wikipedia. (2020). Hafnium. Obnovené z: en.wikipedia.org
3. Steve Gagnon. (SF). Element Hafnium. Zdroje spoločnosti Jefferson Lab. Obnovené z: education.jlab.org
4. Editori encyklopédie Britannica. (18. decembra 2019). Hafnium. Encyclopædia Britannica. Získané z: britannica.com
5. Doug Stewart. (2020). Fakty o hafniach. Získané z: chemicool.com
6. Národné centrum pre biotechnologické informácie. (2020). Hafnium. PubChem Database, AtomicNumber = 72. Získané z: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
7. K. Pandey a kol. (SF). Reinvestícia vysokotlakového polymorfizmu v kovovom hafne. Obnovené z: arxiv.org
8. Eric Scerri. (1. september 2009). Hafnium. Chémia v jej prvkoch. Získané z: chemistryworld.com