The hafnium je to přechodný kov, jehož chemický symbol je Hf a má atomové číslo 72. Je třetím prvkem skupiny 4 periodické tabulky a je kongenerem titanu a zirkonia. S tím druhým sdílí mnoho chemických vlastností a je umístěn společně v minerálech zemské kůry.
Hledání hafnia se zaměřuje na to, kde je zirkonium, protože je vedlejším produktem jeho těžby. Název tohoto kovu pochází z latinského slova „hafnia“, jehož významem se stává název Kodaň, město, kde byl objeven v minerálech ze zirkonu a kontroverze ohledně jeho skutečné chemické povahy skončila..
Hafnium je kov, který si v obecném intelektu nevšimne, ve skutečnosti o něm už jen málokdo slyšel. I mezi některými chemikáliemi je to neobvyklý prvek, částečně kvůli jeho vysokým výrobním nákladům a skutečnosti, že ve většině svých aplikací jej může zirkonium bez problémů nahradit..
Tento kov se vyznačuje tím, že je posledním z nejstabilnějších prvků objevených zde na Zemi; to znamená, že další objevy představovaly řadu ultra těžkých, radioaktivních prvků a / nebo umělých izotopů.
Sloučeniny hafnia jsou analogické sloučeninám titanu a zirkonia, přičemž v nich převládá oxidační číslo +4, jako je HfCl4, HfOdva, HfI4 a HfBr4. Některé z nich jsou na prvním místě v seznamu nejvíce žáruvzdorných materiálů, jaké byly kdy vytvořeny, stejně jako slitiny s vysokým tepelným odporem, které také fungují jako vynikající absorbéry neutronů..
Z tohoto důvodu má hafnium velkou účast v jaderné chemii, zejména s ohledem na tlakovodní reaktory..
Rejstřík článků
Objev hafnia byl obklopen kontroverzí, a to navzdory skutečnosti, že jeho existence byla předpovězena již od roku 1869 díky Mendělejevově periodické tabulce..
Problém byl v tom, že byl umístěn pod zirkoniem, ale shodoval se ve stejném období prvků vzácných zemin: lanthanoidů. Chemici v té době nevěděli, zda se jedná o přechodný kov nebo kov vzácných zemin..
Francouzský chemik Georges Urbain, objevitel lutecia, sousedního kovu hafnia, tvrdil v roce 1911, že objevil prvek 72, kterému dal jméno Celtium, a prohlásil, že jde o kov vzácných zemin. Ale o tři roky později došlo k závěru, že jeho výsledky byly špatné a že izoloval pouze směs lanthanoidů.
Teprve poté, co byly prvky uspořádány podle jejich atomových čísel, díky práci Henryho Moseleye v roce 1914, bylo prokázáno sousedství mezi lutetiem a prvkem 72, což souhlasilo s Mendělejevovými předpovědi, když byl druhý prvek umístěn ve stejné skupině jako kovy titan a zirkon.
V roce 1921, po studiích atomové struktury Nielse Bohra a jeho predikci rentgenového emisního spektra pro prvek 72, bylo hledání tohoto kovu v minerálech vzácných zemin zastaveno; Místo toho se zaměřil na hledání zirkoniových minerálů, protože oba prvky musí sdílet několik chemických vlastností..
Dánský chemik Dirk Coster a maďarský chemik Georg von Hevesy v roce 1923 nakonec dokázali rozpoznat spektrum předpovídané Nielsem Bohrem ve vzorcích zirkonu z Norska a Grónska. Po objevu v Kodani nazvali prvek 72 latinským názvem tohoto města: hafnia, od kterého byl později odvozen „hafnium“.
Nebylo však snadným úkolem oddělit atomy hafnia od atomů zirkonia, protože jejich velikosti jsou podobné a reagují stejným způsobem. Ačkoli v roce 1924 byla vyvinuta metoda frakční rekrystalizace pro získání chloridu hafnia, HfCl4, byli to nizozemští chemici Anton Eduard van Arkel a Jan Hendrik de Boer, kteří to snížili na kovové hafnium.
K tomu HfCl4 podstoupil redukci pomocí kovového hořčíku (proces Kroll):
HfCl4 + 2 Mg (1100 ° C) → 2 MgCldva + Hf
Na druhou stranu, počínaje od hafnia tetrajodidu, HfI4, Ten byl odpařen, aby podstoupil tepelný rozklad na žhavém wolframovém vláknu, na které byl nanesen kovový hafnium za vzniku polykrystalicky vypadající tyčinky (proces krystalické tyčinky nebo proces Arkel-De Boer):
HfI4 (1700 ° C) → Hf + 2 Idva
Atomy hafnia, Hf, se seskupují při okolním tlaku v krystalu s kompaktní hexagonální strukturou, hcp, stejně jako kovy titan a zirkon. Tento hcp hafnium krystal se stává jeho fází α, která zůstává konstantní až do teploty 2030 K, když prochází přechodem do fáze β, s kubickou strukturou vystředěnou v těle, bcc.
To se rozumí, pokud se má za to, že teplo „uvolňuje“ krystal, a proto se atomy Hf snaží umístit takovým způsobem, aby snížily jejich zhutnění. Tyto dvě fáze jsou dostatečné k tomu, aby zvážily polymorfismus hafnia.
Podobně představuje polymorfismus, který závisí na vysokých tlacích. Fáze α a β existují při tlaku 1 atm; zatímco ω fáze, šestihranná, ale ještě kompaktnější než běžné hcp, se objeví, když tlaky překročí 40 GPa. Je zajímavé, že když tlaky stále rostou, znovu se objeví méně hustá β fáze.
Stříbřitě bílá pevná látka, která vykazuje tmavé tóny, pokud má vrstvu oxidu a nitridu.
178,49 g / mol
2233 ° C
4603 ° C
Při pokojové teplotě: 13,31 g / cm3, je dvakrát hustší než zirkonium
Přímo v bodě tání: 12 g / cm3
27,2 kJ / mol
648 kJ / mol
1,3 na Paulingově stupnici
První: 658,5 kJ / mol (Hf+ plynný)
Za druhé: 1440 kJ / mol (Hfdva+ plynný)
Za třetí: 2250 kJ / mol (Hf3+ plynný)
23,0 W / (mK)
331 nΩ m
5.5
Pokud kov není leštěný a nehoří a nevydává jiskry při teplotě 2 000 ° C, nemá náchylnost k rzi nebo korozi, protože jej chrání tenká vrstva jeho oxidu. V tomto smyslu je to jeden z nejstabilnějších kovů. Ve skutečnosti ji nemohou rozpustit ani silné kyseliny, ani silné báze; s výjimkou kyseliny fluorovodíkové a halogenů schopných ji oxidovat.
Atom hafnia má následující elektronickou konfiguraci:
[Xe] 4f14 5 ddva 6 sdva
To se shoduje se skutečností, že patří do skupiny 4 periodické tabulky spolu s titanem a zirkoniem, protože má čtyři valenční elektrony na orbitalu 5d a 6s. Všimněte si také, že hafnium nemůže být lanthanoid, protože má své 4f orbitaly zcela vyplněné.
Stejná elektronová konfigurace odhaluje, kolik elektronů je atom hafnia teoreticky schopen ztratit jako součást sloučeniny. Za předpokladu, že ztratí své čtyři valenční elektrony, by to byl čtyřmocný kation Hf4+ (analogicky k Ti4+ a Zr4+), a měl by proto oxidační číslo +4.
Toto je ve skutečnosti nejstabilnější a nejběžnější z jeho oxidačních čísel. Další méně relevantní jsou: -2 (Hfdva-), +1 (Hf+), +2 (Hf.)dva+) a +3 (Hf3+).
Hafnium se na Zemi vyskytuje jako pět stabilních izotopů a jeden radioaktivní s velmi dlouhou životností:
-174Hf (0,16%, s poločasem 2 10patnáct let, takže je považován za prakticky stabilní)
-176Hf (5,26%)
-177Hf (18,60%)
-178Hf (27,28%)
-179Hf (13,62%)
-180Hf (35,08%)
Všimněte si, že jako takový neexistuje žádný izotop, který by vynikal v hojnosti, což se odráží v průměrné atomové hmotnosti hafnia, 178,49 amu.
Ze všech radioaktivních izotopů hafnia, které spolu s těmi přírodními tvoří celkem 34, 178m2Hf je nejkontroverznější, protože při svém radioaktivním rozpadu uvolňuje gama záření, takže tyto atomy by mohly být použity jako válečná zbraň.
Hafnium je kov odolný vůči vlhkosti a vysokým teplotám a je vynikajícím absorbérem neutronů. Z tohoto důvodu se používá v tlakovodních reaktorech i při výrobě regulačních tyčí pro jaderné reaktory, jejichž povlaky jsou vyrobeny z ultračistého zirkonia, protože musí být schopné přenášet neutrony skrz něj..
Atomy hafnia mohou integrovat další kovové krystaly za vzniku různých slitin. Vyznačují se tím, že jsou houževnaté a tepelně odolné, a proto jsou určeny pro kosmické aplikace, například při konstrukci trysek motoru pro rakety..
Na druhé straně některé slitiny a pevné sloučeniny hafnia mají zvláštní vlastnosti; jako jsou jeho karbidy a nitridy, HfC a HfN, což jsou vysoce žáruvzdorné materiály. Karbid tantalu a hafnium, Ta4HfC5, S bodem tání 4215 ° C je to jeden z nejvíce žáruvzdorných materiálů, jaký kdy byl znám..
Metaloceny hafnia se používají jako organické katalyzátory pro syntézu polymerů, jako je polyethylen a polystyren.
Doposud není známo, jaký dopad mohou mít Hf ionty na naše tělo4+. Na druhou stranu, protože se v přírodě nacházejí v minerálech zirkonia, nevěřilo se, že mění ekosystém uvolňováním jejich solí do životního prostředí..
S hafniovými sloučeninami se však doporučuje zacházet opatrně, jako by byly toxické, i když neexistují žádné lékařské studie, které by prokázaly, že jsou zdraví škodlivé..
Skutečné nebezpečí hafnia spočívá v jemně rozemletých částicích jeho pevné látky, které při kontaktu s kyslíkem ve vzduchu sotva mohou hořet..
To vysvětluje, proč se při leštění, které škrábe jeho povrch a uvolňuje částice čistého kovu, uvolňují hořící jiskry při teplotě 2 000 ° C; to znamená, že hafnium má samozápalnost, jedinou vlastnost, která s sebou nese riziko požáru nebo vážného popálení.
Zatím žádné komentáře