HAFNIUM: OTKRIĆE, STRUKTURA, SVOJSTVA, UPOTREBE, RIZICI - KEMIJA - 2026

Hafnijev je prijelazni metal čiji kemijski simbol Hf i ima atomsku broj 72. To je treći element grupe 4 periodičkog sustava, kao srodni titana i cirkonija. S ovim posljednjim dijeli mnoga kemijska svojstva, nalazeći se zajedno u mineralima zemljine kore.

Traženje hafnija traži gdje je cirkonij, jer je to nusproizvod njegove ekstrakcije. Naziv ovog metala dolazi od latinske riječi 'hafnia', čije značenje dolazi od imena Kopenhagena, grada u kojem je otkriven mineralima cirkona i prepirka o njegovoj istinskoj kemijskoj prirodi je završila.

Metalni uzorak hafnija. Izvor: Hi-Res slike kemijskih elemenata

Hafnium je metal koji ostaje neprimjećen u općem intelektu, zapravo malo ljudi je to već čuo. Čak je i među nekim kemikalijama to neuobičajen element, dijelom i zbog visokih troškova proizvodnje, jer ih u većini primjena cirkonij može nadomjestiti bez ikakvih problema.

Ovaj metal ima razliku što je posljednji od najstabilnijih elemenata otkrivenih ovdje na Zemlji; Drugim riječima, druga otkrića tvorila su niz ultra-teških, radioaktivnih elemenata i / ili umjetnih izotopa.

Hafnijevi spojevi su analogne onima od titana i cirkonija, s oksidacijskim brojem +4 prevladavaju, kao što HfCl ₄, HfO ₂, HFI ₄ i HFBR ₄. Neki od njih nalaze se na vrhu najotrovnijeg materijala koji je ikada stvoren, kao i legura velike toplinske otpornosti, a koji ujedno djeluju i kao izvrsni apsorberi neutrona.

Iz tog razloga hafnij ima veliko sudjelovanje u nuklearnoj kemiji, posebno u pogledu reaktora pod vodom pod tlakom.

Otkriće

Prijelazni ili rijetko metalni metal

Otkriće hafnija bilo je okruženo kontroverzom, uprkos činjenici da je njegovo postojanje već predviđeno od 1869. zahvaljujući Mendelejevoj periodičkoj tablici.

Problem je bio u tome što se nalazio ispod cirkonija, ali poklapao se u istom razdoblju od rijetkih zemaljskih elemenata: lantanoida. U to vrijeme kemičari nisu znali je li to prijelazni metal ili rijetko zemljani metal.

Francuski kemičar Georges Urbain, otkrivač lutecija, susjednog metala hafnija, tvrdio je 1911. godine da je otkrio element 72, koji je nazvao celtium i proglasio da je riječ o rijetkom zemljanom metalu. Ali tri godine kasnije zaključeno je da su njegovi rezultati bili pogrešni i da je izolirao samo mješavinu lantanoida.

Tek nakon što su elementi bili poredani njihovim atomskim brojevima, zahvaljujući radu Henryja Moseleyja iz 1914. godine, susjednost lutecija i elementa 72 stavljena je u dokaz, slažući se s Mendeleevim predviđanjima kada se posljednji element nalazio u iste skupine kao i metali titanijum i cirkonij.

Otkrivanje u Kopenhagenu

1921. godine, nakon studija Nielsa Bohra o atomskoj strukturi i njegovom predviđanju spektra emisije X-zraka za element 72, zaustavljena je potraga za tim metalom u rijetkim zemaljskim mineralima; Umjesto toga, svoje je istraživanje usredotočio na minerale cirkonija, jer oba elementa moraju imati zajednička različita kemijska svojstva.

Danski kemičar Dirk Coster i mađarski kemičar Georg von Hevesy 1923. napokon su uspjeli prepoznati spektar koji je predvidio Niels Bohr u uzorcima cirkona iz Norveške i Grenlanda. Otkrivši ovo otkriće u Kopenhagenu, pozvali su element 72 prema latinskom nazivu ovog grada: hafnia, odakle je kasnije i izveden kao "hafnium".

Izolacija i proizvodnja

Međutim, odvajanje atoma hafnija od onih cirkonija nije bio lak zadatak, jer su njihove veličine slične i oni reagiraju na isti način. Iako je frakcijska metoda prekristalizacije je osmišljen u 1924 dobiti hafnij tetraklorid, HfCl ₄, to je bio nizozemski kemičari Anton Eduard van arkel i Jan Hendrik de Boer koji ga je smanjiti na hafnijevog metala.

Za to, HfCl ₄ podvrgnut je redukcija pomoću metalnih magnezija (Kroll proces):

HfCl ₄ + 2 mg (1100 ° C) → 2 MgClz ₂ + Hf

S druge strane, polazeći od hafnijevog tetraiodide, HFI ₄, to se isparava proći toplinsku razgradnju na žarnom niti volframovom, na kojoj je pohranjen metalna hafnijev proizvesti traku s polikristalnom izgledom (postupak kristalnog trake ili Arkel-De Boer postupak):

HfI ₄ (1700 ° C) → Hf + 2 I ₂

Hafnijska struktura

Atomi hafnija, Hf, skupljaju se pri sobnom pritisku u kristalu kompaktne šesterokutne strukture, hcp, kao i metali titanijum i cirkonij. Ovaj hcp kristal hafnij postaje njegova α faza koja ostaje konstantna do temperature od 2030 K, kada prolazi prijelaz u β fazu, s kubičnom strukturom usredotočenom u tijelu, bcc.

To se podrazumijeva ako se uzme u obzir da toplina "opušta" kristal i, stoga, Hf-atomi se žele pozicionirati na takav način da smanjuju njihovo sabijanje. Ove dvije faze su dovoljne da razmotrimo polimorfizam hafnija.

Isto tako, predstavlja polimorfizam koji ovisi o visokim pritiscima. Faze α i β postoje pod tlakom od 1 atm; dok se ω faza, šesterokutna, ali još kompaktnija od obične hcp, pojavljuje kad tlakovi prelaze 40 GPa. Zanimljivo je da se, kad se pritisci i dalje povećavaju, ponovno pojavljuje β faza, najmanje gusta.

Svojstva

Fizički izgled

Srebrno bijela kruta tvar, koja pokazuje tamne tonove ako ima oksidni i nitridni premaz.

Molekulska masa

178,49 g / mol

Talište

2233 ºC

Vrelište

4603 ºC

Gustoća

Na sobnoj temperaturi: 13,31 g / cm ³, dvostruko je gušći od cirkonija

Pravo na talištu: 12 g / cm ³

Toplina fuzije

27,2 kJ / mol

Toplina isparavanja

648 kJ / mol

Elektronegativnost

1.3 na Paulingovoj skali

Ionizirajuće energije

Prvo: 658,5 kJ / mol (Hf ⁺ plinoviti)

Drugo: 1440 kJ / mol (Hf ²⁺ plinovitih)

Treće: 2250 kJ / mol (Hf ³⁺ plinovitih)

Toplinska vodljivost

23,0 W / (mK)

Električni otpor

331 nΩ m

Mohsova tvrdoća

5.5

Reaktivnost

Ako se metal polira i ne izgori, odajući iskre pri temperaturi od 2000 ° C, on nema osjetljivost na hrđu ili koroziju, jer ga tanki sloj oksida štiti. U tom smislu, to je jedan od najstabilnijih metala. U stvari, ni jake kiseline, ni jake baze ne mogu je otopiti; S izuzetkom fluorovodične kiseline i halogena koji je mogu oksidirati.

Elektronska konfiguracija

Atom hafnija ima sljedeću elektroničku konfiguraciju:

4f ¹⁴ 5d ² 6s ²

To se poklapa s činjenicom da pripada skupini 4 periodičke tablice, zajedno s titanijem i cirkonijem, jer ima 4 valentna elektrona u 5d i 6s orbitali. Također imajte na umu da hafnij ne bi mogao biti lantanoid jer ima 4f orbite potpuno ispunjene.

Oksidacijski brojevi

Ista elektronska konfiguracija otkriva koliko je elektrona atom hafnija teoretski u stanju izgubiti kao dio spoja. Pod pretpostavkom da gubi svoja četiri valentna elektrona, ostat će kao četverovalentni kation Hf ⁴⁺ (analogno Ti ⁴⁺ i Zr ⁴⁺), i stoga bi imao oksidacijski broj +4.

Ovo je u stvari najstabilnije i najčešće od njegovih oksidacijskih brojeva. Ostali manje relevantni su: -2 (Hf ^2-), +1 (Hf ⁺), +2 (Hf ²⁺) i +3 (Hf ³⁺).

izotopi

Hafnij se na Zemlji pojavljuje kao pet stabilnih izotopa i jedan radioaktivni s vrlo dugim vijekom trajanja:

- ¹⁷⁴ Hf (0,16%, sa srednjim životnim vijekom 2 · 10 ¹⁵ godina, pa se smatra praktički stabilnim)

- ¹⁷⁶ Hf (5,26%)

- ¹⁷⁷ Hf (18,60%)

- ¹⁷⁸ Hf (27,28%)

- ¹⁷⁹ Hf (13,62%)

- ¹⁸⁰ Hf (35,08%)

Imajte na umu da kao takav ne postoji izotop koji se ističe u izobilju, a to se odražava na prosječnu atomsku masu hafnija, 178,49 amu.

Od svih radioaktivnih izotopa hafnija, koji zajedno s prirodnim stvaraju ukupno 34, ^178m2 Hf, najsporniji je jer u svom radioaktivnom raspadu oslobađa gama zračenje, pa se ti atomi mogu upotrijebiti kao oružje rata,

Prijave

Nuklearne reakcije

Hafnium je metal otporan na vlagu i visoke temperature, a također je izvrstan apsorber neutrona. Iz tog razloga se koristi u vodenim reaktorima pod pritiskom, kao i u proizvodnji kontrolnih šipki za nuklearne reaktore, u čijim je prevlakama izrađen od ultra čistog cirkonija, jer on mora biti sposoban za prijenos neutrona kroz njega.,

legure

Hafnijevi atomi mogu integrirati druge metalne kristale i stvoriti različite legure. Za njih je karakteristično da su žilavi i toplinski otporni, zbog čega su namijenjeni svemirskim primjenama, poput gradnje motornih mlaznica za rakete.

S druge strane, neke legure i kruti hafnijevi spojevi imaju posebna svojstva; poput njegovih karbida i nitrida, HfC i HfN, što su vrlo vatrostalni materijali. Tantalov hafnijev karbid, Ta ₄ HfC ₅, sa talištem 4215 ° C, jedan je od najotrovnijih materijala ikad poznatih.

Kataliza

Hafnijski metaloceni koriste se kao organski katalizatori za sintezu polimera poput polietilena i polistirena.

rizici

Do danas je nepoznato kakav bi utjecaj Hf ⁴⁺ iona mogao imati na naše tijelo. S druge strane, zbog toga što se u prirodi nalaze u mineralima cirkonija, ne vjeruje se da mijenjaju ekosustav ispuštanjem njihovih soli u okoliš.

Međutim, preporučuje se pažljivo rukovati s hafnijevim spojevima, kao da su otrovni, čak i ako nema medicinskih studija koje bi dokazale da su štetne za zdravlje.

Prava opasnost od hafnija leži u sitno mljevenim česticama čvrste tvari, koje jedva mogu izgorjeti kada dođu u kontakt s kisikom u zraku.

Ovo objašnjava zašto se nakon poliranja izbacuju djelovanja koja stružu po površini i oslobađaju čestice čistog metala, pažu iskre sa temperaturom od 2000 ° C; to jest, hafnij pokazuje pirofornost, jedino svojstvo koje rizikuje od požara ili ozbiljnih opekotina.

Reference

1. Shiver & Atkins. (2008). Neorganska kemija. (Četvrto izdanje). Mc Graw Hill.
2. Wikipedia. (2020). Hafnij. Oporavilo sa: en.wikipedia.org
3. Steve Gagnon. (SF). Element Hafnij. Resursi u Jefferson laboratoriju. Oporavilo od: education.jlab.org
4. Urednici Encyclopaedia Britannica. (18. prosinca 2019.). Hafnij. Encyclopædia Britannica. Oporavilo od: britannica.com
5. Dr. Doug Stewart. (2020). Činjenice hafnijskog elementa. Oporavilo od: chemicool.com
6. Nacionalni centar za biotehnološke informacije. (2020). Hafnij. PubChem baza podataka, AtomicNumber = 72. Oporavak od: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
7. K. Pandey i sur. (SF). Ispitivanje polimorfizma visokog pritiska u metalu Hafnium. Oporavilo sa: arxiv.org
8. Eric Scerri. (1. rujna 2009.). Hafnij. Kemija u svojim elementima. Oporavilo od: chemistryworld.com