HAFNIUM: UPPTÄCKT, STRUKTUR, EGENSKAPER, ANVÄNDNINGAR, RISKER - KEMI - 2026

Den hafnium är en övergångsmetall vars kemiska symbol är Hf och har ett atomnummer 72. Det är det tredje elementet i grupp 4 i det periodiska systemet, som är kongen titan och zirkonium. Med det sistnämnda delar det många kemiska egenskaper och ligger tillsammans i mineraler i jordskorpan.

Letar du efter hafnium letar du till var zirkoniet är, eftersom det är en biprodukt av dess extraktion. Namnet på denna metall kommer från det latinska ordet 'hafnia', vars betydelse kommer att vara namnet Köpenhamn, en stad där den upptäcktes i zirkonmineraler och kontroversen om dess verkliga kemiska natur slutade.

Metalliskt hafniumprov. Källa: Hi-Res Images of Chemical Elements

Hafnium är en metall som går obemärkt i det allmänna intellektet, faktiskt har få människor till och med hört talas om det tidigare. Även bland vissa kemikalier är det ett sällsynt element, delvis på grund av dess höga produktionskostnad, eftersom zirkonium i de flesta tillämpningar kan ersätta det utan problem.

Denna metall bär distinktionen av att vara den sista av de mest stabila elementen som upptäckts här på jorden; Med andra ord har de andra upptäckterna utgjort en serie ultratunga, radioaktiva element och / eller konstgjorda isotoper.

Hafniumföreningar är analoga med de av titan och zirkonium, med en oxidation antal fyra dominerande, såsom HfCl ₄ , HfO ₂ , HFI ₄ och HFBR ₄ . Några av dem är topplistan över de mest eldfasta material som någonsin har skapats, liksom legeringar med stor termisk motståndskraft och som också fungerar som utmärkta absorberare av neutroner.

Av denna anledning har hafnium mycket deltagande i kärnkemi, särskilt när det gäller trycksatta vattenreaktorer.

Upptäckt

Övergång eller sällsynt jordartsmetall

Upptäckten av hafnium omgavs av kontroverser, trots att dess existens redan hade förutses sedan 1869 tack vare Mendeleevs periodiska tabell.

Problemet var att det var placerat under zirkonium, men det sammanföll under samma period av de sällsynta jordartselementen: lanthanoiderna. Kemister visste då inte om det var en övergångsmetall eller en sällsynt jordartsmetall.

Den franska kemisten Georges Urbain, upptäcker av lutetium, en angränsande metall av hafnium, hävdade 1911 att ha upptäckt element 72, som han kallade celtium och förklarade att det var en sällsynt jordartsmetall. Men tre år senare drogs slutsatsen att hans resultat var fel, och att han bara hade isolerat en blandning av lantanoider.

Det var inte förrän elementen beställdes av deras atomnummer, tack vare Henry Moseleys arbete 1914, som grannskapet mellan lutetium och element 72 bevisades, vilket stämmer med Mendeleevs förutsägelser när det senare elementet låg i samma grupp som titan och zirkoniummetaller.

Upptäckt i Köpenhamn

1921, efter Niels Bohrs studier av atomstrukturen och hans förutsägelse av röntgenstrålningsspektrumet för element 72, avbröts sökningen efter denna metall i sällsynta jordartsmineraler; Istället fokuserade han sin sökning på zirkoniummineraler, eftersom båda elementen måste ha delat olika kemiska egenskaper.

Den danska kemisten Dirk Coster och den ungerska kemisten Georg von Hevesy 1923 lyckades äntligen känna igen det spektrum som Niels Bohr förutspådde i zirkonprover från Norge och Grönland. Efter att ha upptäckt i Köpenhamn, kallade de element 72 med det latinska namnet på denna stad: hafnia, från vilket det senare härleddes 'hafnium'.

Isolering och produktion

Det var emellertid inte en lätt uppgift att skilja hafniumatomerna från zirkonium, eftersom deras storlekar är lika och de reagerar på samma sätt. Även om en fraktionerad omkristallisationsmetod hade utformats 1924 för att erhålla hafnium tetraklorid, HfCl ₄ , var det de holländska kemisterna Anton Eduard van Arkel och Jan Hendrik de Boer som reducerade den till hafniummetall.

För detta, den HfCl ₄ utsattes för en reduktion med användning av metalliskt magnesium (Kroll-processen):

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

Å andra sidan, utgående från hafnium -tetrajodid, HFI ₄ , detta förångades att genomgå termisk sönderdelning på en glödvolframtråd, på vilken metalliskt hafnium avsattes för att producera en bar med en polykristallin utseende (process av den kristallina bar eller Arkel-De Boer-processen):

HFI ₄ (1700 ° C) → Hf + 2 I ₂

Hafnium struktur

Hafnium-atomerna, Hf, klumpar samman vid omgivningstryck i en kristall med en kompakt hexagonal struktur, hcp, liksom metallerna titan och zirkonium. Denna hcp hafniumkristall blir dess a-fas, som förblir konstant upp till en temperatur på 2030 K, när den genomgår en övergång till p-fasen, med en kubisk struktur centrerad i kroppen, bcc.

Detta förstås om man anser att värmen "slappnar av" kristallen och därför försöker Hf-atomerna att positionera sig på ett sådant sätt att de minskar kompakteringen. Dessa två faser är tillräckliga för att ta hänsyn till hafniums polymorfism.

På samma sätt presenterar den en polymorfism som beror på högt tryck. A- och p-faserna existerar vid ett tryck av 1 atm; medan ω-fasen, hexagonal men ännu mer komprimerad än vanlig hcp, visas när trycket överstiger 40 GPa. Intressant nog, när trycket fortsätter att öka, återkommer p-fasen, den minst täta, igen.

Egenskaper

Fysiskt utseende

Silvvitt fast ämne, som visar mörka toner om det har en oxid- och nitridbeläggning.

Molmassa

178,49 g / mol

Smältpunkt

2233 ºC

Kokpunkt

4603 ºC

Densitet

Vid rumstemperatur: 13,31 g / cm ^{^} , som är dubbelt så tät som zirkonium

Rätt vid smältpunkten: 12 g / cm ³

Smältvärme

27,2 kJ / mol

Förångningsvärme

648 kJ / mol

Elektronnegativitet

1.3 på Pauling-skalan

Ioniseringsenergier

Först: 658,5 kJ / mol (Hf ⁺ gasformig)

Andra: 1440 kJ / mol (Hf ²⁺ gasformig)

Tredje: 2250 kJ / mol (Hf ³⁺ gasformig)

Värmeledningsförmåga

23,0 W / (mK)

Elektrisk resistans

331 nm

Mohs hårdhet

5,5

Reaktivitet

Om inte metallen är polerad och brinner och avger gnistor vid en temperatur på 2000 ° C, har den ingen känslighet för rost eller korrodering, eftersom ett tunt lager av dess oxid skyddar den. I detta avseende är det en av de mest stabila metallerna. I själva verket kan varken starka syror eller starka baser lösa upp det; Med undantag av fluorvätesyra och halogener som kan oxidera den.

Elektronisk konfiguration

Hafnium-atomen har följande elektroniska konfiguration:

4f ¹⁴ 5d ² 6s ²

Detta sammanfaller med det faktum att de tillhör gruppen 4 i det periodiska systemet, tillsammans med titan och zirkonium, eftersom det har fyra valenselektroner i 5d- och 6-orbitalerna. Observera också att hafnium inte kunde vara en lanthanoid, eftersom den har sina fyra orbital helt fyllda.

Oxidationsnummer

Samma elektronkonfiguration avslöjar hur många elektroner en hafniumatom teoretiskt kan förlora som en del av en förening. Förutsatt att den förlorar sina fyra valenselektroner skulle den förbli som en tetravalent katjon Hf ⁴⁺ (i analogi med Ti ⁴⁺ och Zr ⁴⁺ ), och därför skulle ha ett oxidationsnummer på +4.

Detta är faktiskt det mest stabila och vanliga av dess oxidationsnummer. Andra mindre relevanta är: -2 (Hf ^2- ), +1 (Hf ⁺ ), +2 (Hf ²⁺ ) och +3 (Hf ³⁺ ).

isotoper

Hafnium förekommer på jorden som fem stabila isotoper och en radioaktiv med en mycket lång livslängd:

- ¹⁷⁴ Hf (0,16%, med en medeltid på 2 · 10 ¹⁵ år, så det anses vara praktiskt stabilt)

- ¹⁷⁶ Hf (5,26%)

- ¹⁷⁷ Hf (18,60%)

- ¹⁷⁸ Hf (27,28%)

- ¹⁷⁹ Hf (13,62%)

- ¹⁸⁰ Hf (35,08%)

Observera att det som sådan inte finns någon isotop som sticker ut i överflöd, och detta återspeglas i den genomsnittliga atommassan i hafnium, 178,49 amu.

Av alla radioaktiva isotoper i hafnium, som tillsammans med de naturliga utgör sammanlagt 34, är ^178m2 Hf den mest kontroversiella eftersom den i sitt radioaktiva förfall frigör gammastrålning, varför dessa atomer kan användas som ett krigsvapen .

tillämpningar

Kärnreaktioner

Hafnium är en metallbeständig mot luftfuktighet och höga temperaturer, samt är en utmärkt absorberare av neutroner. Av detta skäl används det i reaktorer under tryckvatten såväl som vid tillverkning av styrstavar för kärnreaktorer, vars beläggningar är tillverkade av ultrat rent zirkonium, eftersom det måste kunna överföra neutroner genom det. .

Alloys

Hafnium atomer kan integrera andra metalliska kristaller för att ge upphov till olika legeringar. Dessa kännetecknas av att de är tuffa och värmebeständiga, varför de är avsedda för rymdapplikationer, till exempel vid konstruktion av motordysor för raketer.

Å andra sidan har vissa legeringar och fasta hafniumföreningar speciella egenskaper; såsom dess karbider och nitrider, HfC respektive HfN, som är mycket eldfasta material. Tantal hafniumkarbid, Ta ₄ HfC ₅ , med en smältpunkt på 4215 ° C, är ett av de mest eldfasta materialen som någonsin är kända.

Katalys

Hafnium metallocener används som organiska katalysatorer för syntes av polymerer såsom polyeten och polystyren.

risker

Det är okänt hittills vilken inverkan Hf ⁴⁺ joner kan ha på vår kropp . Å andra sidan, eftersom de finns i naturen i zirkoniummineraler, tros de inte förändra ekosystemet genom att släppa ut sina salter i miljön.

Det rekommenderas dock att hantera hafniumföreningar med försiktighet, som om de var giftiga, även om det inte finns några medicinska studier som bevisar att de är skadliga för hälsan.

Den verkliga faran för hafnium ligger i de finmalda partiklarna i dess fasta substans, som knappt kan brinna när de kommer i kontakt med syre i luften.

Detta förklarar varför när det är polerat, en handling som skrapar ytan och frigör partiklar av ren metall, frigörs brinnande gnistor med en temperatur på 2000 ºC; det vill säga hafnium uppvisar pyroforicitet, den enda egenskapen som medför risk för brand eller allvarliga brännskador.

referenser

1. Shiver & Atkins. (2008). Oorganisk kemi . (Fjärde upplagan). Mc Graw Hill.
2. Wikipedia. (2020). Hafnium. Återställd från: en.wikipedia.org
3. Steve Gagnon. (Sf). Elementet Hafnium. Jefferson Lab Resources. Återställd från: utbildning.jlab.org
4. Redaktörerna för Encyclopaedia Britannica. (18 december 2019). Hafnium. Encyclopædia Britannica. Återställd från: britannica.com
5. Dr Doug Stewart. (2020). Hafnium Element Facts. Återställd från: chemicool.com
6. National Center for Biotechnology Information. (2020). Hafnium. PubChem-databas, AtomicNumber = 72. Återställd från: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
7. K. Pandey et al. (Sf). Återundersökning av högtryckspolymorfism i Hafnium-metall. Återställd från: arxiv.org
8. Eric Scerri. (1 september 2009). Hafnium. Kemi i dess element. Återställd från: chemistryworld.com