ГАФНИЙ: ОТКРЫТИЕ, СТРУКТУРА, СВОЙСТВА, ИСПОЛЬЗОВАНИЕ, РИСКИ - ХИМИЯ - 2025

Гафния представляет собой переходный металл, химический символ Hf и имеет атомный номер 72. Это третий элемент 4 - й группы периодической таблицы, будучи конгенерами титана и циркония. С последним он разделяет многие химические свойства, находясь вместе в минералах земной коры.

В поисках гафния нужно искать, где находится цирконий, поскольку он является побочным продуктом его добычи. Название этого металла происходит от латинского слова «гафния», что означает название Копенгагена, города, где он был обнаружен в минералах циркона, и споры относительно его истинной химической природы закончились.

Металлический образец гафния. Источник: изображения химических элементов в высоком разрешении.

Гафний - это металл, который остается незамеченным для общего интеллекта, на самом деле мало кто даже слышал о нем раньше. Даже среди некоторых химикатов это необычный элемент, отчасти из-за его высокой стоимости производства, поскольку в большинстве применений цирконий может заменить его без каких-либо проблем.

Этот металл считается последним из наиболее стабильных элементов, обнаруженных здесь, на Земле; Другими словами, другие открытия представляют собой серию сверхтяжелых радиоактивных элементов и / или искусственных изотопов.

Соединения гафния аналогичны соединениям титана и циркония, у них преобладающая степень окисления +4, например HfCl ₄ , HfO ₂ , HfI ₄ и HfBr ₄ . Некоторые из них возглавляют список самых тугоплавких материалов, когда-либо созданных, а также сплавы с большим термическим сопротивлением, которые также действуют как отличные поглотители нейтронов.

По этой причине гафний широко используется в ядерной химии, особенно в реакторах с водой под давлением.

открытие

Переходный или редкоземельный металл

Открытие гафния вызвало споры, несмотря на то, что его существование предсказывалось с 1869 года благодаря периодической таблице Менделеева.

Проблема заключалась в том, что он располагался ниже циркония, но совпадал с периодом существования редкоземельных элементов: лантаноидов. Химики в то время не знали, переходный это металл или редкоземельный металл.

Французский химик Жорж Урбен, первооткрыватель лютеция, металла по соседству с гафнием, в 1911 году заявил, что открыл элемент 72, который он назвал целцием, и объявил его редкоземельным металлом. Но три года спустя был сделан вывод, что его результаты ошибочны, и что он выделил только смесь лантаноидов.

Только после того, как элементы были упорядочены по их атомным номерам, благодаря работе Генри Мозли в 1914 году, соседство между лютецием и элементом 72 стало очевидным, что согласуется с предсказаниями Менделеева, когда этот последний элемент находился в той же группы, что и металлы титан и цирконий.

Обнаружение в Копенгагене

В 1921 году, после исследований атомной структуры Нильса Бора и его предсказания спектра рентгеновского излучения для элемента 72, поиск этого металла в редкоземельных минералах был прекращен; Вместо этого он сосредоточил свои поиски на циркониевых минералах, поскольку оба элемента должны были обладать разными химическими свойствами.

Датскому химику Дирку Костеру и венгерскому химику Георгу фон Хевеши в 1923 году наконец удалось распознать спектр, предсказанный Нильсом Бором в образцах циркона из Норвегии и Гренландии. Сделав открытие в Копенгагене, они назвали 72-й элемент латинским названием этого города: hafnia, от которого он позже получил название «гафний».

Изоляция и производство

Однако отделить атомы гафния от атомов циркония оказалось непростой задачей, поскольку их размеры близки и они реагируют одинаково. Хотя в 1924 году был разработан метод фракционной перекристаллизации для получения тетрахлорида гафния, HfCl ₄ , голландские химики Антон Эдуард ван Аркель и Ян Хендрик де Бур восстановили его до металлического гафния.

Для этого HfCl ₄ подвергали восстановлению с использованием металлического магния (процесс Кролла):

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

С другой стороны, начиная с тетраиодида гафния, HfI ₄ , он испарялся , чтобы подвергнуться термическому разложению на раскаленной вольфрамовой нити, на которую был нанесен металлический гафний для получения стержня с поликристаллическим внешним видом (процесс кристаллического стержня или Аркеля-Де Бура):

HfI ₄ (1700 ° С) → Hf + 2 I ₂

Структура гафния

Атомы гафния, Hf, собираются вместе при атмосферном давлении в кристалле с компактной гексагональной структурой, hcp, как и металлы титан и цирконий. Этот кристалл ГПУ гафния становится его α-фазой, которая остается постоянной до температуры 2030 K, когда он претерпевает переход в β-фазу, с кубической структурой с центром в теле, ОЦК.

Это можно понять, если учесть, что тепло «расслабляет» кристалл, и поэтому атомы Hf стремятся расположить себя таким образом, чтобы уменьшить их уплотнение. Этих двух фаз достаточно, чтобы рассмотреть полиморфизм гафния.

Точно так же он представляет собой полиморфизм, который зависит от высоких давлений. Фазы α и β существуют при давлении 1 атм; в то время как ω-фаза, гексагональная, но даже более уплотненная, чем обычная ГПУ, появляется при давлении выше 40 ГПа. Интересно, что при дальнейшем увеличении давления снова появляется β-фаза, наименее плотная.

свойства

Внешность

Серебристо-белое твердое вещество, которое имеет темные тона, если на нем есть оксидное и нитридное покрытие.

Молярная масса

178,49 г / моль

Температура плавления

2233 ºC

Точка кипения

4603 ºC

плотность

При комнатной температуре: 13,31 г / см ³ , что в два раза плотнее циркония.

Прямо в точке плавления: 12 г / см ³

Теплота плавления

27,2 кДж / моль

Теплота испарения

648 кДж / моль

Электроотрицательность

1,3 по шкале Полинга

Энергии ионизации

Первый: 658,5 кДж / моль (Hf ⁺ газообразный)

Второй: 1440 кДж / моль ( газообразный Hf ²⁺ )

Третье: 2250 кДж / моль ( газообразный Hf ³⁺ )

Теплопроводность

23,0 Вт / (м · К)

Удельное электрическое сопротивление

331 нОм м

Твердость по Моосу

5,5

Реактивность

Если металл не полируется и не горит, давая искры при температуре 2000 ° C, он не подвержен ржавчине или коррозии, поскольку его защищает тонкий слой оксида. В этом смысле это один из самых стабильных металлов. На самом деле ни сильные кислоты, ни сильные основания не могут его растворить; За исключением плавиковой кислоты и галогенов, способных ее окислять.

Электронная конфигурация

Атом гафния имеет следующую электронную конфигурацию:

4ж ¹⁴ 5д ² 6с ²

Это совпадает с фактом принадлежности к группе 4 периодической таблицы вместе с титаном и цирконием, потому что он имеет четыре валентных электрона на орбиталях 5d и 6s. Также обратите внимание, что гафний не может быть лантаноидом, поскольку его 4f-орбитали полностью заполнены.

Числа окисления

Та же самая электронная конфигурация показывает, сколько электронов теоретически способен потерять атом гафния в составе соединения. Если предположить, что он потеряет свои четыре валентных электрона, он останется четырехвалентным катионом Hf ⁴⁺ (по аналогии с Ti ⁴⁺ и Zr ⁴⁺ ) и, следовательно, будет иметь степень окисления +4.

Фактически, это самая стабильная и распространенная из его степеней окисления. Другие менее актуальные: -2 (Hf ^2- ), +1 (Hf ⁺ ), +2 (Hf ²⁺ ) и +3 (Hf ³⁺ ).

Изотопы

Гафний встречается на Земле в виде пяти стабильных изотопов и одного радиоактивного с очень большим временем жизни:

- ¹⁷⁴ Hf (0,16%, при среднем сроке службы 2 · 10 ¹⁵ лет, поэтому считается практически стабильным)

- ¹⁷⁶ Hf (5,26%)

- ¹⁷⁷ Hf (18,60%)

- ¹⁷⁸ Hf (27,28%)

- ¹⁷⁹ Hf (13,62%)

- ¹⁸⁰ Hf (35,08%)

Обратите внимание, что как таковой изотоп не выделяется в большом количестве, и это отражено в средней атомной массе гафния, 178,49 а.е.м.

Из всех радиоактивных изотопов гафния, которые вместе с естественными изотопами составляют в общей сложности 34, ^{178 м2} Hf является наиболее спорным, поскольку при его радиоактивном распаде он выделяет гамма-излучение, поэтому эти атомы можно использовать в качестве оружия войны. ,

Приложения

Ядерные реакции

Гафний - это металл, устойчивый к влажности и высоким температурам, а также отличный поглотитель нейтронов. По этой причине он используется в реакторах с водой под давлением, а также в производстве регулирующих стержней для ядерных реакторов, в покрытиях которых они изготовлены из сверхчистого циркония, поскольку он должен пропускать через себя нейтроны. ,

сплавы

Атомы гафния могут объединять другие металлические кристаллы, давая начало различным сплавам. Они отличаются прочностью и термостойкостью, поэтому предназначены для использования в космосе, например, для изготовления сопел двигателей для ракет.

С другой стороны, некоторые сплавы и твердые соединения гафния обладают особыми свойствами; такие как его карбиды и нитриды, HfC и HfN, соответственно, которые являются сильно тугоплавкими материалами. Карбид тантала-гафния, Ta ₄ HfC ₅ , с температурой плавления 4215 ° C, является одним из самых тугоплавких материалов, когда-либо известных.

катализ

Металлоцены гафния используются в качестве органических катализаторов для синтеза полимеров, таких как полиэтилен и полистирол.

риски

На сегодняшний день неизвестно, какое влияние ионы Hf ⁴⁺ могут оказать на наш организм . С другой стороны, поскольку они встречаются в природе в минералах циркония, считается, что они не изменяют экосистему, высвобождая свои соли в окружающую среду.

Однако с соединениями гафния рекомендуется обращаться осторожно, как с токсичными, даже если нет медицинских исследований, доказывающих, что они вредны для здоровья.

Настоящая опасность гафния заключается в мелко измельченных частицах его твердого вещества, которые едва горят при контакте с кислородом воздуха.

Это объясняет, почему, когда он полируется, действие, которое царапает его поверхность и высвобождает частицы чистого металла, вызывает появление горящих искр с температурой 2000 ºC; то есть гафний проявляет пирофорность - единственное свойство, несущее риск возгорания или серьезных ожогов.

Ссылки

1. Шивер и Аткинс. (2008). Неорганическая химия . (Четвертое издание). Мак Гроу Хилл.
2. Wikipedia. (2020). Гафний. Получено с: en.wikipedia.org
3. Стив Ганьон. (SF). Элемент Гафний. Ресурсы лаборатории Джефферсона. Получено с: education.jlab.org
4. Редакторы энциклопедии Британника. (18 декабря 2019 г.). Гафний. Encyclopdia Britannica. Получено с: britannica.com
5. Доктор Дуг Стюарт. (2020). Факты об элементе гафния. Получено с: chemicool.com
6. Национальный центр биотехнологической информации. (2020). Гафний. База данных PubChem, AtomicNumber = 72. Получено с: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
7. K. Pandey et al. (SF). Повторное исследование полиморфизма высокого давления в металлическом гафнии. Получено с: arxiv.org
8. Эрик Шерри. (1 сентября 2009 г.). Гафний. Химия в ее элементах. Получено с: chemistryworld.com