HAFNIUM: PAGTUKLAS, ISTRAKTURA, PAG-AARI, GAMIT, PANGANIB - CHEMISTRY - 2025

Ang hafnium ay isang paglipat ng metal na ang simbolo ng kemikal ay Hf at mayroong isang atomic na bilang ng 72. Ito ang pangatlong elemento ng pangkat 4 ng panaka-nakang talahanayan, na maging congener titanium at zirconium. Sa huli ay nagbabahagi ito ng maraming mga kemikal na katangian, na matatagpuan nang magkasama sa mga mineral ng crust ng lupa.

Naghahanap para sa hafnium ay naghahanap kung saan ang zirconium, dahil ito ay isang by-product ng pagkuha nito. Ang pangalan ng metal na ito ay nagmula sa salitang Latin na 'hafnia', na ang kahulugan ay ang pangalan ng Copenhagen, isang lungsod kung saan natuklasan ito sa mga mineral na zircon at ang kontrobersya tungkol sa totoong likas na kemikal na natapos.

Metallic hafnium sample. Pinagmulan: Mga Larawan ng Hi-Res ng Mga Elemento ng Chemical

Ang Hafnium ay isang metal na hindi napansin sa pangkalahatang pag-iisip, sa katunayan ilang mga tao ang nakarinig pa nito. Kahit na sa ilang mga kemikal ito ay isang hindi pangkaraniwang elemento, dahil sa bahagi sa mataas na gastos sa produksyon nito, dahil sa karamihan ng mga aplikasyon nito ang zirconium ay maaaring kapalit ito nang walang anumang problema.

Ang metal na ito ay nagdadala ng pagkakaiba-iba ng pagiging huling ng mga pinaka matatag na elemento na natuklasan dito sa Earth; Sa madaling salita, ang iba pang mga pagtuklas ay bumubuo ng isang serye ng mga ultra-mabigat, radioactive elemento at / o artipisyal na isotopes.

Ang mga compound ng Hafnium ay magkatulad sa mga titanium at zirconium, na may bilang na oksihenasyon na may pangunahing +4, tulad ng HfCl ₄ , HfO ₂ , HfI ₄ at HfBr ₄ . Ang ilan sa mga ito ay nangunguna sa listahan ng mga pinaka-refractory na mga materyales na nilikha, pati na rin ang mga haluang metal ng mahusay na thermal resistensya at kumilos din bilang mahusay na mga sumisipsip ng mga neutron.

Para sa kadahilanang ito ang hafnium ay may maraming pakikilahok sa kemikal na nuklear, lalo na tungkol sa mga presyuradong tubig na reaktor.

Pagtuklas

Paglilipat o bihirang metal metal

Ang pagtuklas ng hafnium ay napapalibutan ng kontrobersya, sa kabila ng katotohanan na ang pagkakaroon nito ay nahulaan na mula pa noong 1869 salamat sa pana-panahong talahanayan ni Mendeleev.

Ang problema ay na ito ay nakaposisyon sa ilalim ng zirconium, ngunit nag-tutugma sa parehong panahon ng mga bihirang elemento ng lupa: ang mga lanthanoid. Hindi alam ng mga kimiko kung ito ay isang paglipat ng metal o isang bihirang metal metal.

Ang chemist ng Pranses na si Georges Urbain, ang tumuklas ng lutetium, isang kalapit na metal ng hafnium, ay nag-claim noong 1911 na natuklasan ang elemento ng 72, na tinawag niyang celtium at ipinahayag na ito ay isang bihirang metal metal. Ngunit pagkaraan ng tatlong taon napagpasyahan na ang kanyang mga resulta ay mali, at na naghiwalay lamang siya ng isang halo ng mga lanthanoid.

Ito ay hindi hanggang sa ang mga elemento ay iniutos ng kanilang mga numero ng atom, salamat sa gawain ni Henry Moseley noong 1914, na ang kapitbahayan sa pagitan ng lutetium at elemento 72 ay inilagay sa katibayan, na sumasang-ayon sa mga hula ni Mendeleev nang ang huling elemento ay matatagpuan sa ang parehong pangkat tulad ng mga metal na titan at zirconium.

Ang pagtuklas sa Copenhagen

Noong 1921, pagkatapos ng pag-aaral ni Niels Bohr tungkol sa istraktura ng atom at ang kanyang hula sa X-ray na paglabas ng spectrum para sa elemento 72, ang paghahanap para sa metal na ito sa mga bihirang mineral ng lupa ay tumigil; Sa halip, nakatuon niya ang kanyang paghahanap sa mga mineral na zirconium, dahil ang parehong mga elemento ay maaaring nagbahagi ng iba't ibang mga katangian ng kemikal.

Ang Danish chemist na si Dirk Coster at ang chemist ng Hungary na si Georg von Hevesy noong 1923 sa wakas ay pinamamahalaang makilala ang spectrum na hinulaang ni Niels Bohr sa mga sample ng zircon mula sa Norway at Greenland. Ang pagkakaroon ng pagtuklas sa Copenhagen, tinawag nila ang elementong 72 sa pamamagitan ng Latin na pangalan ng lungsod na ito: hafnia, kung saan ito kalaunan ay nagmula ng 'hafnium'.

Paghiwalay at paggawa

Gayunpaman, hindi isang madaling gawain ang paghiwalayin ang mga atomo ng hafnium mula sa mga zirconium, dahil ang kanilang mga sukat ay magkatulad at gumanti sila sa parehong paraan. Bagaman ang isang fractional na paraan ng pag-recrystallization ay naimbento noong 1924 upang makuha ang hafnium tetrachloride, HfCl ₄ , ito ay ang mga kemikal na Dutch na sina Anton Eduard van Arkel at Jan Hendrik de Boer na nagbawas nito sa hafnium metal.

Para sa mga ito, ang HfCl _{4 ay} sumailalim sa isang pagbawas gamit ang metallic magnesium (proseso ng Kroll):

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

Sa kabilang banda, na nagsisimula mula sa hafnium tetraiodide, HfI ₄ , na-vaporize ito upang sumailalim sa thermal decomposition sa isang maliwanag na filament ng tungsten, na kung saan ang metallic hafnium ay idineposito upang makagawa ng isang bar na may hitsura ng polycrystalline (proseso ng crystalline bar o Proseso ng Arkel-De Boer):

HfI ₄ (1700 ° C) → Hf + 2 I ₂

Istruktura ng Hafnium

Ang mga atomni ng hafnium, Hf, ay magkakasamang pumapasok sa nakapaligid na presyon sa isang kristal na may isang compact na hexagonal na istraktura, hcp, tulad ng titan at zirconium ng mga metal. Ang hcp hafnium crystal ay nagiging phase ng α nito, na nananatiling patuloy hanggang sa temperatura ng 2030 K, kapag sumasailalim ito ng isang paglipat sa β phase, na may isang kubiko na istraktura na nakasentro sa katawan, bcc.

Nauunawaan ito kung isinasaalang-alang na ang init ay "nagpapahinga" sa kristal at, samakatuwid, ang mga Hf atoms ay naghahangad na iposisyon ang kanilang sarili sa paraang upang mabawasan ang kanilang compaction. Ang dalawang phase na ito ay sapat na upang isaalang-alang ang polymorphism ng hafnium.

Gayundin, nagtatanghal ito ng isang polymorphism na nakasalalay sa mataas na panggigipit. Ang mga phase at α at exist ay umiiral sa isang presyon ng 1 atm; habang ang ω phase, hexagonal ngunit kahit na mas compact kaysa sa ordinaryong hcp, ay lilitaw kapag ang mga presyon ay lumampas sa 40 GPa. Kapansin-pansin, kapag ang mga panggigipit ay patuloy na tumaas, ang β phase, hindi bababa sa siksik, muling lumitaw.

Ari-arian

Pisikal na hitsura

Silvery-white solid, na nagpapakita ng madilim na tono kung mayroon itong isang oxide at nitride coating.

Mass ng Molar

178.49 g / mol

Temperatura ng pagkatunaw

2233 ºC

Punto ng pag-kulo

4603 ºC

Density

Sa temperatura ng silid: 13.31 g / cm ³ , bilang dalawang beses na siksik bilang zirconium

Kanan sa punto ng pagtunaw: 12 g / cm ³

Init ng pagsasanib

27.2 kJ / mol

Init ng singaw

648 kJ / mol

Elektronegorya

1.3 sa scale ng Pauling

Energies ng ionization

Una: 658.5 kJ / mol (Hf ⁺ gaseous)

Pangalawa: 1440 kJ / mol (Hf ²⁺ gaseous)

Pangatlo: 2250 kJ / mol (Hf ³⁺ gaseous)

Thermal conductivity

23.0 W / (mK)

Ang resistensya sa elektrikal

331 nΩ m

Katigasan ng Mohs

5.5

Reactivity

Maliban kung ang metal ay makintab at sumusunog, na nagbibigay ng mga sparks sa temperatura ng 2000 ° C, walang pagkamaramdamin sa kalawang o corrode, bilang isang manipis na layer ng oxide nito ay pinoprotektahan ito. Sa ganitong kahulugan, ito ay isa sa mga pinaka-matatag na metal. Sa katunayan, walang malakas na mga asido o malakas na mga base ay maaaring matunaw ito; Maliban sa hydrofluoric acid, at ang mga halogens na may kakayahang mag-oxidizing nito.

Pagsasaayos ng electronic

Ang hafnium atom ay may mga sumusunod na elektronikong pagsasaayos:

4f ¹⁴ 5d ² 6s ²

Ito ay nagkakasabay sa katotohanan ng pag-aari sa pangkat 4 ng pana-panahong talahanayan, kasama ang titanium at zirconium, sapagkat mayroon itong apat na valence electrons sa orbitals 5d at 6s. Tandaan din na ang hafnium ay hindi maaaring maging isang lanthanoid, dahil mayroon itong 4f orbitals na ganap na napuno.

Mga numero ng oksihenasyon

Ang parehong pagsasaayos ng elektron ay inihayag kung gaano karaming mga electron ang isang hafnium atom na teoretikal na may kakayahang mawala bilang bahagi ng isang tambalan. Ipinapalagay na nawawala ang apat na mga electron na valence, mananatili ito bilang isang tetravalent cation Hf ⁴⁺ (sa pagkakatulad sa Ti ⁴⁺ at Zr ⁴⁺ ), at samakatuwid ay magkakaroon ng bilang ng oksihenasyon na +4.

Ito ay sa katunayan ang pinaka-matatag at pangkaraniwan sa mga numero ng oksihenasyon nito. Ang iba pang hindi gaanong nauugnay ay: -2 (Hf ^2- ), +1 (Hf ⁺ ), +2 (Hf ²⁺ ) at +3 (Hf ³⁺ ).

Mga Isotopes

Ang Hafnium ay nangyayari sa Earth bilang limang matatag na isotopes at isang radioactive na may mahabang haba:

- ¹⁷⁴ Hf (0.16%, na may nangangahulugang oras ng buhay ng 2 · 10 ¹⁵ taon, kaya ito ay itinuturing na praktikal na matatag)

- ¹⁷⁶ Hf (5.26%)

- ¹⁷⁷ Hf (18.60%)

- ¹⁷⁸ Hf (27.28%)

- ¹⁷⁹ Hf (13.62%)

- ¹⁸⁰ Hf (35.08%)

Tandaan na mayroong tulad ng isang isotope na lumalabas sa kasaganaan, at ito ay makikita sa average na atomic mass ng hafnium, 178.49 amu.

Sa lahat ng radioactive isotopes ng hafnium, na kasama ng mga likas na pagdaragdag ng isang kabuuang 34, ^178m2 Hf ay ang pinaka-kontrobersyal dahil sa radioactive decay nito ay nagpapalabas ng gamma radiation, kaya ang mga atom na ito ay maaaring magamit bilang isang sandata ng digmaan .

Aplikasyon

Mga reaksyon ng nuklear

Ang Hafnium ay isang metal na lumalaban sa kahalumigmigan at mataas na temperatura, pati na rin ang pagiging isang mahusay na sumisipsip ng mga neutron. Para sa kadahilanang ito, ginagamit ito sa presyuradong tubig reaktor, pati na rin sa paggawa ng mga control rod para sa mga nukleyar na nukleyar, na kung saan ang mga coatings ay gawa sa ultra-purong zirconium, dahil ito ay dapat may kakayahang magpadala ng mga neutron sa pamamagitan nito. .

Mga Alloys

Ang mga atom ng Hafnium ay maaaring pagsamahin ang iba pang mga metal na kristal upang mapataas ang iba't ibang mga haluang metal. Ang mga ito ay nailalarawan sa pamamagitan ng pagiging matigas at thermally resistant, kaya inilaan sila para sa mga aplikasyon ng espasyo, tulad ng sa pagtatayo ng mga nozzle ng engine para sa mga rocket.

Sa kabilang banda, ang ilang mga haluang metal at solid hafnium compound ay may mga espesyal na katangian; tulad ng mga karbida at nitrida, HfC at HfN, ayon sa pagkakasunud-sunod, na kung saan ay mataas na refractory na materyales. Ang Tantalum hafnium karbida, Ta ₄ HfC ₅ , na may isang natutunaw na punto na 4215 ° C, ay isa sa mga pinaka refractory na mga materyales na kilala.

Catalysis

Ang mga metniyum na Hafnium ay ginagamit bilang mga organikong catalyst para sa synthesis ng mga polymer tulad ng polyethylene at polystyrene.

Mga panganib

Hindi alam hanggang sa kung anong epekto ang maaaring magkaroon ng Hf ^{4+ na mga} ions sa ating katawan . Sa kabilang banda, dahil natagpuan sila sa likas na katangian sa mga mineral na zirconium, hindi sila pinaniniwalaan na baguhin ang ekosistema sa pamamagitan ng paglabas ng kanilang mga asing-gamot sa kapaligiran.

Gayunpaman, inirerekomenda na hawakan ang mga compound ng hafnium nang may pag-aalaga, na parang nakakalason, kahit na walang mga medikal na pag-aaral na nagpapatunay na nakakapinsala sila sa kalusugan.

Ang tunay na panganib ng hafnium ay namamalagi sa pino ng mga partikulo ng lupa ng solid nito, na halos hindi masusunog kapag nakikipag-ugnay sila sa oxygen sa hangin.

Ipinapaliwanag nito kung bakit kapag ito ay pinakintab, ang isang aksyon na nag-scrape sa ibabaw nito at nagpapalabas ng mga partikulo ng purong metal, ang nasusunog na mga sparks ay inilabas na may temperatura ng 2000 ºC; iyon ay, ang hafnium ay nagpapakita ng pyrophoricity, ang tanging pag-aari na nagdadala ng mga peligro ng sunog o malubhang pagkasunog.

Mga Sanggunian

1. Shiver & Atkins. (2008). Diorganikong kimika. (Ikaapat na edisyon). Mc Graw Hill.
2. Wikipedia. (2020). Hafnium. Nabawi mula sa: en.wikipedia.org
3. Steve Gagnon. (sf). Ang Element Hafnium. Jefferson Lab Resources. Nabawi mula sa: edukasyon.jlab.org
4. Ang Mga editor ng Encyclopaedia Britannica. (Disyembre 18, 2019). Hafnium. Encyclopædia Britannica. Nabawi mula sa: britannica.com
5. Doug Stewart. (2020). Mga Katotohanan ng Elamniya. Nabawi mula sa: chemicool.com
6. National Center para sa Impormasyon sa Biotechnology. (2020). Hafnium. PubChem Database, AtomicNumber = 72. Nabawi mula sa: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
7. K. Pandey et al. (sf). Reinvestigation ng high pressure polymorphism sa Hafnium metal. Nabawi mula sa: arxiv.org
8. Eric Scerri. (Setyembre 1, 2009). Hafnium. Chemistry sa Mga Sangkap nito. Nabawi mula sa: chemistryworld.com