HAFNIS: ATRADIMAS, STRUKTŪRA, SAVYBĖS, PANAUDOJIMAS, RIZIKA - CHEMIJA - 2025

Hafnio yra pereinamasis metalas, kurio cheminis simbolis yra HF ir turi atominį skaičių 72. Tai yra trečiasis elementas 4 grupės periodinės lentelės, yra giminingo junginio titano ir cirkonio. Su pastaruoju jis pasižymi daugeliu cheminių savybių, nes yra kartu su žemės plutos mineralais.

Ieškodamas hafnio ieško, kur yra cirkonis, nes tai yra šalutinis jo ekstrahavimo produktas. Šio metalo pavadinimas kilęs iš lotyniško žodžio „hafnia“, kuris reiškia Kopenhagos, miesto, kuriame jis buvo rastas cirkono mineralu, pavadinimą ir baigėsi ginčai dėl tikrosios jo cheminės prigimties.

Metalinio hafnio mėginys. Šaltinis: Hi-Res vaizdai iš cheminių elementų

Hafnis yra metalas, nepastebimas bendro intelekto, tiesą sakant, nedaugelis žmonių apie tai net anksčiau yra girdėję. Netgi tarp kai kurių chemikalų tai nedažnas elementas, iš dalies dėl jo didelių gamybos sąnaudų, nes daugeliu atvejų cirkonis jį gali pakeisti be jokių problemų.

Šis metalas išsiskiria tuo, kad yra paskutinis iš stabiliausių elementų, atrastų čia Žemėje; Kitaip tariant, kiti atradimai sudarė ypač daug sunkių, radioaktyvių elementų ir (arba) dirbtinių izotopų.

Hafnio junginiai yra analogiški titano ir cirkonio junginiams, kuriuose vyrauja +4 oksidacijos skaičius, tokie kaip HfCl ₄ , HfO ₂ , HfI ₄ ir HfBr ₄ . Kai kurie iš jų yra populiariausių ugniai atsparių medžiagų, taip pat lydinių, pasižyminčių dideliu šiluminiu pasipriešinimu, sąrašą ir yra puikūs neutronų absorberiai.

Dėl šios priežasties hafnis aktyviai dalyvauja branduolinėje chemijoje, ypač suslėgto vandens reaktoriuose.

Atradimas

Pereinamasis arba retųjų žemių metalas

Hafnio atradimas buvo apsuptas ginčų, nepaisant to, kad jo egzistavimas buvo prognozuojamas jau nuo 1869 m., Mendelejevo periodinės lentelės dėka.

Problema buvo ta, kad jis buvo pastatytas žemiau cirkonio, bet sutapo tuo pačiu laikotarpiu su retųjų žemių elementais: lantanoidais. Tuo metu chemikai nežinojo, ar tai pereinamasis metalas, ar retųjų žemių metalas.

Prancūzijos chemikas Georgesas Urbainas, liutecio, kaimyninio hafnio metalo, atradėjas, 1911 m. Tvirtino atradęs elementą 72, kurį jis pavadino celiumu ir paskelbė, kad tai yra reto žemės metalo metalas. Tačiau po trejų metų buvo padaryta išvada, kad jo rezultatai buvo klaidingi ir kad jis išskyrė tik lantanoidų mišinį.

Aplinka tarp liutecio ir elemento 72 buvo įrodyta, kol elementai buvo suskirstyti pagal jų atominius numerius 1914 m., Todėl buvo sutvirtinta Mendelejevo prognozė, kada šis paskutinis elementas buvo ta pati grupė kaip metalai titanas ir cirkonis.

Aptikimas Kopenhagoje

1921 m. Atlikus Nielso Bohro atominės struktūros tyrimus ir numatant 72 elemento rentgeno spinduliuotės spektrą, šio metalo paieška retųjų žemių mineraluose buvo nutraukta; Vietoje to, jis daugiausia dėmesio skyrė cirkonio mineralams, nes abu elementai turėjo turėti skirtingas chemines savybes.

Danų chemikui Dirkui Costeriui ir vengrų chemikui Georgui von Hevesy 1923 m. Pagaliau pavyko atpažinti Nielso Bohro numatytą spektrą cirkonio mėginiuose iš Norvegijos ir Grenlandijos. Atradę Kopenhagoje, jie pavadino elementą 72 lotynišku šio miesto pavadinimu: hafnia, iš kurios vėliau ji buvo išvesta „hafnium“.

Izoliacija ir gamyba

Tačiau atskirti hafnio atomus nuo cirkonio atomų nebuvo lengva, nes jų dydžiai yra panašūs ir jie reaguoja vienodai. Nors 1924 m. Buvo sukurtas frakcinis perkristalinimo metodas hafnio tetrachloridui HfCl _{4 gauti} , olandų chemikai Antonas Eduardas van Arkelis ir Janas Hendrik de Boeris jį sumažino iki metalo hafnio.

Tam HfCl ₄ buvo redukuotas naudojant metalinį magnį (Kroll procesas):

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

Kita vertus, pradedant nuo hafnio tetraiodido, HfI ₄ , jis buvo išgarinamas, kad būtų termiškai suskaidomas ant kaitrinės volframo gijos, ant kurios nusodinamas metalinis hafnis, kad būtų gauta polikristalinio pavidalo juosta (kristalinio strypo procesas arba Arkel-De Boer procesas):

HfI ₄ (1700 ° C) → Hf + 2 I ₂

Hafnio struktūra

Hafnio atomai, Hf, susilydo aplinkos slėgyje su kompaktiškos šešiakampės struktūros kristalais, hcp, kaip ir titano ir cirkonio metalai. Šis hcp hafnio kristalas tampa jo α faze, kuri išlieka pastovi iki 2030 K temperatūros, kai pereinama į β fazę, kubo kūne struktūra yra centre, BCC.

Tai suprantama, jei laikoma, kad šiluma „atpalaiduoja“ kristalą, todėl Hf atomai siekia išsidėstyti taip, kad sumažėtų jų sutankėjimas. Šių dviejų fazių pakanka hafnio polimorfizmui įvertinti.

Taip pat jis pateikia polimorfizmą, kuris priklauso nuo aukšto slėgio. Α ir β fazės egzistuoja esant 1 atm slėgiui; o ω fazė, šešiakampė, bet dar labiau sutankinta nei įprasta Hcp, atsiranda, kai slėgis viršija 40 GPa. Įdomu tai, kad kai slėgis ir toliau didėja, vėl atsiranda mažiausiai tanki β fazė.

Savybės

Fizinė išvaizda

Sidabriškai balta kieta medžiaga, parodanti tamsius tonus, jei ji turi oksido ir nitrido dangą.

Molinė masė

178,49 g / mol

Lydymosi temperatūra

2233 ºC

Virimo taškas

4603 ºC

Tankis

Kambario temperatūroje: 13,31 g / cm ³ , dvigubai tankesnio už cirkonį

Teisė lydymosi vietoje: 12 g / cm ³

Lydymosi šiluma

27,2 kJ / mol

Garinimo šiluma

648 kJ / mol

Elektronegatyvumas

1.3 pagal Paulingo skalę

Jonizacijos energijos

Pirma: 658,5 kJ / mol (Hf ⁺ dujinis)

Antra: 1440 kJ / mol (Hf ²⁺ dujinis)

Trečia: 2250 kJ / mol (Hf ³⁺ dujinis)

Šilumos laidumas

23,0 W / (mK)

Elektrinė varža

331 nΩ m

Mocso kietumas

5.5

Reaktyvumas

Jei metalas nėra šlifuotas ir nedega, išsiskirdamas kibirkštis 2000 ° C temperatūroje, jis nėra jautrus rūdijimui ar korozijai, nes plonas jo oksido sluoksnis apsaugo. Šia prasme tai yra vienas stabiliausių metalų. Iš tikrųjų nei stiprios rūgštys, nei stiprios bazės negali jos ištirpinti; Išskyrus vandenilio fluoridą ir halogenus, galinčius ją oksiduoti.

Elektroninė konfigūracija

Hafnio atomas turi tokią elektroninę konfigūraciją:

4f ¹⁴ 5d ² 6s ²

Tai sutampa su priklausymu periodinės lentelės 4 grupei kartu su titanu ir cirkoniu, nes ji turi keturis valentinius elektronus 5d ir 6s orbitose. Taip pat atkreipkite dėmesį, kad hafnis negali būti lantanoidas, nes jo 4f orbitalės yra visiškai užpildytos.

Oksidacijos skaičiai

Ta pati elektronų konfigūracija atskleidžia, kiek elektronų hafnio atomas teoriškai gali prarasti kaip junginio dalį. Darant prielaidą, kad jis praranda keturis valentinius elektronus, jis liktų kaip tetravalentinis katijonas Hf ⁴⁺ (analogiškai Ti ⁴⁺ ir Zr ⁴⁺ ), todėl jo oksidacijos skaičius būtų +4.

Iš tikrųjų tai yra pats stabiliausias ir labiausiai paplitęs jos oksidacijos skaičius. Kiti mažiau svarbūs yra: -2 (Hf ^2- ), +1 (Hf ⁺ ), +2 (Hf ²⁺ ) ir +3 (Hf ³⁺ ).

Izotopai

Hafnis atsiranda žemėje kaip penki stabilūs izotopai ir vienas radioaktyvusis, kurio eksploatavimo laikas labai ilgas:

- ¹⁷⁴ Hf (0,16%, kai vidutinis gyvenimo laikas yra 2 · 10 ¹⁵ metų, todėl jis laikomas praktiškai stabiliu)

- ¹⁷⁶ Hf (5,26%)

- ¹⁷⁷ Hf (18,60%)

- ¹⁷⁸ Hf (27,28%)

- ¹⁷⁹ Hf (13,62%)

- ¹⁸⁰ Hf (35,08%)

Atkreipkite dėmesį, kad nėra jokio izotopo, kuris išsiskirtų gausa, ir tai atsispindi vidutinėje hafnio atominėje masėje, 178,49 amu.

Iš visų radioaktyviųjų hafnio izotopų, kurie kartu su natūraliaisiais sudaro iš viso 34, ^178m2 Hf yra kontroversiškiausias, nes dėl savo radioaktyvaus skilimo jis skleidžia gama spinduliuotę, todėl šie atomai galėtų būti naudojami kaip karo ginklas .

Programos

Branduolinės reakcijos

Hafnis yra metalas, atsparus drėgmei ir aukštai temperatūrai, taip pat puikus neutronų sugertis. Dėl šios priežasties jis naudojamas slėginio vandens reaktoriuose, taip pat gaminant kontrolinius strypus branduoliniams reaktoriams, kurių dangos pagamintos iš ypač gryno cirkonio, nes jis turi gebėti per jį perduoti neutronus. .

Lydiniai

Hafnio atomai gali integruoti kitus metalo kristalus, kad susidarytų skirtingi lydiniai. Jie pasižymi tvirtumu ir atsparumu šilumai, todėl jie yra skirti naudoti kosmose, pavyzdžiui, statant raketų variklių purkštukus.

Kita vertus, kai kurie lydiniai ir kieti hafnio junginiai turi ypatingų savybių; tokie kaip jo karbidai ir nitridai, atitinkamai HfC ir HfN, kurios yra labai ugniai atsparios medžiagos. Tantalo hafnio karbidas, Ta ₄ HfC ₅ , kurio lydymosi temperatūra yra 4215 ° C, yra viena iš ugniai atspariausių medžiagų, kokia buvo kada nors žinoma.

Katalizė

Hafnio metalocenai naudojami kaip organiniai katalizatoriai polimerų, tokių kaip polietilenas ir polistirenas, sintezei.

Pavojai

Iki šiol nežinoma, kokį poveikį Hf ⁴⁺ jonai gali turėti mūsų organizmui . Kita vertus, kadangi gamtoje randama cirkonio mineralų, manoma, kad jie nepakeičia ekosistemos, išleisdami į aplinką savo druskas.

Tačiau su hafnio junginiais rekomenduojama elgtis atsargiai, tarsi jie būtų toksiški, net kai nėra medicininių tyrimų, įrodančių, kad jie kenksmingi sveikatai.

Tikrasis hafnio pavojus slypi smulkiai supjaustytose kietosiose dalelėse, kurios vos gali sudegti, kai jos liečiasi su deguonimi ore.

Tai paaiškina, kodėl po poliravimo veikimas, kuris subraižo jo paviršių ir išskiria gryno metalo daleles, dega kibirkštys, kurių temperatūra yra 2000 ºC; ty hafnis pasižymi piroforiškumu, vienintele savybe, keliančia gaisro ar rimtų nudegimų pavojų.

Nuorodos

1. Šiveris ir Atkinsas. (2008). Neorganinė chemija. (Ketvirtasis leidimas). Mc Graw Hill.
2. Vikipedija. (2020). Hafnis. Atkurta iš: en.wikipedia.org
3. Steve'as Gagnonas. (sf). Elementas Hafnis. „Jefferson Lab“ ištekliai. Atkurta iš: education.jlab.org
4. Enciklopedijos „Britannica“ redaktoriai. (2019 m. Gruodžio 18 d.). Hafnis. „Encyclopædia Britannica“. Atkurta iš: britannica.com
5. Dr Doug Stewart. (2020). Hafnio elemento faktai. Atkurta iš: chemicool.com
6. Nacionalinis biotechnologijų informacijos centras. (2020). Hafnis. „PubChem“ duomenų bazė, „AtomicNumber“ = 72. Atkurta iš: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
7. K. Pandey ir kt. (sf). Hafnio metalo aukšto slėgio polimorfizmo pakartotiniai tyrimai. Atkurta iš: arxiv.org
8. Erikas Sceris. (2009 m. Rugsėjo 1 d.). Hafnis. Chemija jos elementuose. Atkurta iš: chemistryworld.com