Гафний в честь чего

Гафний

Гафний
Серебристый ковкий металл
Название, символ, номер	Гафний / Hafnium (Hf), 72
Атомная масса (молярная масса)	178,49(2) а. е. м. (г/моль)
Электронная конфигурация	[Xe]4f 14 5d 2 6s 2
Радиус атома	167 пм
Ковалентный радиус	144 пм
Радиус иона	(+4e) 78 пм
Электроотрицательность	1,3 (шкала Полинга)
Электродный потенциал	0
Степени окисления	0, 2, 3, 4
Энергия ионизации (первый электрон)	575,2 (5,96) кДж/моль (эВ)
Плотность (при н. у.)	13,31 г/см³
Температура плавления	2506 K (2233 °C, 4051 °F)
Температура кипения	4876 K (4603 °C, 8317 °F)
Уд. теплота плавления	25,1 кДж/моль
Уд. теплота испарения	575 кДж/моль
Молярная теплоёмкость	25,7 Дж/(K·моль)
Молярный объём	13,6 см³/моль
Структура решётки	гексагональная
Параметры решётки	a =3,196 нм; c =5,051 нм
Отношение c/a	1,580
Теплопроводность	(300 K) 23,0 Вт/(м·К)
Номер CAS	7440-58-6

Гафний — химический элемент 4-й группы длиннопериодной формы периодической системы Д. И. Менделеева (по короткой форме периодической системы — побочной подгруппы IV группы), шестого периода, с атомным номером 72. Обозначается символом Hf (лат. Hafnium ). Простое вещество — тяжёлый тугоплавкий серебристо-белый металл.

Гафний имеет две модификации. При комнатной температуре гафний обладает гексагональной плотноупакованной кристаллической решёткой. При температуре, равной 2016 К, гафний претерпевает аллотропическое превращение — гексагональная решётка переходит в объёмноцентрированную кубическую решётку.

Содержание

История открытия и происхождение названия

Элемент был открыт в 1923 году.

Гафний искали среди редкоземельных элементов, так как не было выяснено строение 6-го периода системы Д. И. Менделеева. В 1911 году французский химик Ж. Урбен объявил об открытии нового элемента, названного им кельтием. В действительности он получил смесь, состоящую из иттербия, лютеция и небольшого количества гафния. И только после того, как Н. Бор на основании квантовомеханических расчётов показал, что последним редкоземельным элементом является элемент с номером 71, стало ясно, что гафний — аналог циркония.

Базируясь на выводах Бора, который предсказал его свойства и валентность, в 1923 году Дирк Костер и Дьёрдь де Хевеши систематически проанализировали рентгеноспектральным методом норвежские и гренландские цирконы. Совпадение линий рентгенограмм остатков после выщелачивания циркона кипящими растворами кислот с вычисленными по закону Мозли для 72-го элемента позволило исследователям объявить об открытии элемента, который они назвали гафнием в честь города, где было сделано открытие (лат. Hafnia — латинское название Копенгагена). Начавшийся после этого спор о приоритете между Ж. Урбеном, Н. Костером и Д. Хевеши продолжался длительное время. В 1949 году название элемента «гафний» было утверждено Международной комиссией и принято всюду.

Получение

Среднее содержание гафния в земной коре — около 4 г/т. Ввиду отсутствия у гафния собственных минералов и постоянного сопутствия его цирконию, его получают путём переработки циркониевых руд, где он содержится в количестве 2,5 % от веса циркония (циркон содержит 4 % HfO₂, бадделеит — 4—6 % HfO₂). В мире в год в среднем добывается около 70 тонн гафния, и объёмы его добычи пропорциональны объёмам добычи циркония. Интересна особенность скандиевого минерала — тортвейтита: в нём содержится гафния в процентном отношении гораздо больше, чем циркония, и это обстоятельство очень важно при переработке тортвейтита на скандий и концентрировании гафния из него.

Мировые ресурсы гафния

Мировые ресурсы гафния в пересчёте на двуокись гафния несколько превышают 1 миллион тонн. Структура распределения этих ресурсов выглядит приблизительно следующим образом:

Подавляющая часть сырьевой базы гафния в зарубежных странах представлена цирконом прибрежных морских россыпей.

Запасы гафния в России и СНГ, по оценкам независимых специалистов, весьма велики и в этом отношении при развитии гафниевой промышленности Россия способна стать безусловным лидером на мировом рынке гафния. Стоит также в связи с этим упомянуть весьма значительные ресурсы гафния на Украине. Основные гафнийсодержащие минералы в России и СНГ представлены лопаритом, цирконом, бадделеитом, редкометалльными щелочными гранитами.

Физические свойства

Температурная зависимость теплоёмкости гафния (аналогично теплоёмкости германия — Ge) имеет аномальный вид — на кривой теплоёмкости в диапазоне температур 60—80 К наблюдается пик, который не может быть объяснён никакой теорией, предполагающей гуковский закон сил, так как никакая суперпозиция эйнштейновских функций не даёт кривой с максимумом. В данном случае аномальный вид кривой теплоёмкости определяется суперпозицией колебательной (дебаевской) и диффузионной (больцмановской) компонент поглощения тепла кристаллической решеткой.

Изотопы гафния

Известно более 30 изотопов гафния с массовыми числами от 153 до 188 (количество протонов 72, нейтронов от 81 до 116), и 26 ядерных изомеров. 5 изотопов стабильны и встречаются в природе ( 176 Hf, 177 Hf, 178 Hf, 179 Hf, 180 Hf). Благодаря огромному периоду полураспада (период полураспада 2×10 15 лет) в природе встречается один нестабильный изотоп, 174 Hf.

Химические свойства

Гафний, как и тантал, — достаточно инертный материал из-за образования тонкой пассивной плёнки оксидов на поверхности. В целом химическая стойкость гафния гораздо больше, чем у его аналога — циркония.

Лучшим растворителем гафния является фтороводородная кислота (HF) или смесь фтороводородной и азотной кислот, а также царская водка.

При высоких температурах (свыше 1000 К) гафний окисляется на воздухе, а в кислороде сгорает. Реагирует с галогенами. По стойкости к кислотам подобен стеклу. Так же, как и цирконий, обладает гидрофобными свойствами (не смачивается водой).

Важнейшие химические соединения

Соединения двухвалентного гафния

Соединения трёхвалентного гафния

Соединения четырёхвалентного гафния

Применение

Основные области применения металлического гафния — производство сплавов для аэрокосмической техники, атомная промышленность, специальная оптика.

Биологическая роль

Гафний не играет никакой биологической роли в организме.

Источник

Гафний

Га́фний / Hafnium (Hf), 72

Га́фний — тяжёлый тугоплавкий серебристо-белый металл, 72 элемент периодической системы.

Содержание

История открытия и происхождение названия

Элемент был открыт в 1923 г.

Гафний искали среди редкоземельных элементов, так как не было выяснено строение 6-го периода системы Д. И. Менделеева. В 1911 г. французский химик Ж. Урбен объявил об открытии нового элемента, названного им кельтием. В действительности он получил смесь, состоящую из иттербия и лютеция и небольшого количества гафния. И только после того, как Н. Бор на основании квантовомеханических расчётов показал, что последним редкоземельным элементом является элемент с номером 71, стало ясно, что гафний — аналог циркония.

Базируясь на выводах Бора, который предсказал его свойства и валентность, в 1923 Дирк Костер и Дьёрдь де Хевеши систематически проанализировали рентгеноспектральным методом норвежские и гренландские цирконы. Совпадение линий рентгенограмм остатков после выщелачивания циркона кипящими растворами кислот с вычисленными по закону Мозли для 72-го элемента позволило исследователям объявить об открытии элемента, который они назвали гафнием в честь города, где было сделано открытие (лат. Hafnia — латинское название Копенгагена). Начавшийся после этого спор о приоритете между Ж. Урбеном, Н. Костером и Д. Хевеши продолжался длительное время. В 1949 г. название элемента «гафний» было утверждено Международной комиссией и принято всюду.

Получение

Среднее содержание гафния в земной коре около 4 г/т. Ввиду отсутствия у гафния собственных минералов и постоянного сопутствия его цирконию, его получают путём переработки циркониевых руд, где он содержится в количестве 2,5 % от веса циркония (циркон содержит 4 % HfO₂, бадделеит — 4-6 % HfO₂). В мире в год в среднем добывается около 70 тонн гафния, и объёмы его добычи пропорциональны объёмам добычи циркония. Интересна особенность скандиевого минерала — тортвейтита: в нём содержится гафния в процентном отношении гораздо больше, чем циркония, и это обстоятельство очень важно при переработке тортвейтита на скандий и концентрировании гафния из него.

Мировые ресурсы гафния

Мировые ресурсы гафния в пересчете на двуокись гафния несколько превышают 1 миллион тонн. Структура распределения этих ресурсов выглядит приблизительно следующим образом:

Подавляющая часть сырьевой базы гафния в зарубежных странах представлена цирконом прибрежных морских россыпей.

Запасы гафния в России и СНГ, по оценкам независимых специалистов, весьма велики и в этом отношении при развитии гафниевой промышленности Россия способна стать безусловным лидером на мировом рынке гафния. Стоит также, в связи с этим, упомянуть весьма значительные ресурсы гафния на Украине. Основные гафнийсодержащие минералы в России и СНГ представлены лопаритом, цирконом, бадделеитом, редкометалльными щелочными гранитами.

Физические свойства

Гафний обладает высоким сечением захвата тепловых нейтронов — (115 барн у естественной смеси изотопов [3] ), тогда как у его химического аналога, циркония, сечение захвата на 3 порядка меньше, около 2·10 −1 барн. В связи с этим цирконий, используемый для создания реакторных ТВЭЛов, должен быть тщательно очищен от гафния. Один из редких природных изотопов гафния, 174 Hf, проявляет слабую альфа-активность (период полураспада 2·10 15 лет).

Химические свойства

Гафний, как и тантал, достаточно инертный материал из-за образования тонкой пассивной плёнки оксидов на поверхности. В целом, химическая стойкость гафния гораздо больше, чем у его аналога — циркония.

Лучшим растворителем гафния является фтороводородная кислота (HF), или смесь фтороводородной и азотной кислот, а также царская водка.

При высоких температурах (свыше 1000 К) гафний окисляется на воздухе, а в кислороде сгорает. Реагирует с галогенами. По стойкости к кислотам подобен стеклу. Также как и цирконий, обладает гидрофобными свойствами (не смачивается водой).

Важнейшие химические соединения

Соединения двухвалентного гафния

Соединения трёхвалентного гафния

Соединения четырёхвалентного гафния

Применение

Основные области применения металлического гафния — производство сплавов для аэрокосмической техники, атомная промышленность, специальная оптика.

Перспективные области применения

Мирное применение этого ядерного изотопа интересно тем, что он может быть использован как мощный источник гамма-лучей, допускающий регулировку дозы излучения (дефектоскопия), источник энергии для транспорта, очень ёмкий аккумулятор энергии (1 килограмм примерно эквивалентен 4,35 тонны бензина).

Основной проблемой использования гафния-178m2 является трудность наработки этого ядерного изомера. В то же время он является обычным продуктом (отходом) атомной электростанции (отработанные поглотительные гафниевые стержни). Эксплуатация так называемого «гафниевого цикла» и расширение сектора применения гафния будет возрастать по мере увеличения использования гафния для регулировки реакторов. По мере накопления изомера в странах с развитой атомной промышленностью произойдет и становление «гафниевой энергетики».

Источник

Гафний – стратегический металл со светлым будущим

Биологического значения для человека этот элемент не имеет. Однако без него невозможно создание космической техники, компьютеров, оптики. Гафний признан стратегическим материалом.

Что представляет собой

Гафний – это элемент №72 таблицы Менделеева.

В чистом виде – блестящий белый с серебристостью металл. В порошке – серый до черноты, матовый.

Его особенность – модификация кристаллической решетки:

Выявлено три десятка изотопов вещества. Шесть из них природные: пять стабильных плюс один радиоактивный. Однако период его полураспада – два квадриллиона (1015) лет.

Международное обозначение химического элемента – Hf (Hafnium).

Как был открыт и назван

То, что гафний существует как химический элемент, утверждал еще Менделеев в 1870 году.

Догадка подтвердилась спустя полвека, к 1923 году:

В середине ХХ века название элемента закрепилось решением IUPAC (Международного союза теоретической и прикладной химии).

Как представлен в природе

Месторождений руд гафния на планете не обнаружено.

Он представлен двумя видами:

Доля гафния в них исчисляется единичными процентами.

Глобальные резервы чистого металла оцениваются 600 тысячами тонн.

Месторождения, добыча и получение

Мировые ресурсы гафния распределены по следующим странам (%):

Запасы выявлены и у России.

Тонна земной коры содержит 4 грамма гафния.

Ежегодный глобальный объем добычи – 68-69 тонн.

Он – постоянный « сосед » циркония, добывается переработкой циркониевого сырья. Гафния не более трех процентов, поэтому руду обогащают.

Далее выделяют гафний. Процесс получения технологически сложен, трудоемок, затратен.

Физико-химические характеристики

На практике интерес представляют следующие характеристики металла:

Кубик из гафния с ребром 1 см весит 13,09 грамма.

Зависимость теплоемкости элемента от температуры ученые объяснить не могут: она не подчиняется известным физическим законам.

Это аналог циркония (например, не смачивается водой), но отличия существенны:

Последнее свойство делает элемент желанным для атомщиков.

Топливные стержни атомных объектов делают из циркония, регулирующие – из гафния.

Где и как используется

Для практических целей применяются соединения и сплавы гафния.

Применение соединений

Главные сферы применения материала – атомный, космический сегменты, металлургия, специальная оптика:

Самый известный аппарат, детали которого изготовлены из карбида гафния, – американский модуль-луноход.

Двойной борид элемента плюс никель – апробированный композит. Диоксид и силицид используются корпорацией Intel.

Тигель с гафнием

Использование сплавов

Гафний как металл нашел применение в качестве легирующей добавки и полноценного компонента сплавов:

Сплав карбидов тантала и гафния (4:1) – самый тугоплавкий. Микродобавка карбида титана поднимает температуру его плавления еще на 180 единиц, до 4400°С.

Одного процента гафния достаточно, чтобы сплавы алюминия стали сверхпрочными. Попутно повышается стойкость к вибрации, порог прочности при деформации.

Перспективы

Диэлектрики на основе оксида гафния в первой трети века вытеснят из сегмента микроэлектроники оксид кремния.

Чипы станут более емкими. А Кремниевую долину, возможно, переименуют в Гафниевую.

Металл как объект инвестирования

Гафний признан незаменимым в топовых отраслях промышленности.

Малые объемы добычи, трудности производства уравнивают его по ценности с золотом и платиной. Финансисты советуют вкладываться в металл.

Металл признан стратегическим, замены в обозримом будущем не предвидится, вложения надежны.

Конспирология

В разгар «холодной войны» (1960-е годы) прошлого столетия ученые двух супердержав – США и СССР – трудились над созданием «гафниевой бомбы».

Исходили из процессов, используемых производителями лазеров:

Например, в атоме гафния (изотоп Hf176). Вычислили, что грамм такого вещества заменяет 50 кг тротила.

Однако технология оказалась нерентабельной. Создание «супероружия» свернули (по официальной версии).

Стоимость

На российском рынке предлагают купить металл (пруток, слитки, проволоку), порошок, соединения.

Ценятся все виды гафниевого материала. Можно заработать, сдавая отслужившие мониторы, телевизоры, радиодетали.

Источник

Гафний. Происхождение гафния. Свойства гафния

Гафний химический элемент был открыт относительно недавно. В начале двадцатого века Дирк Костер и Дьёрдь Хевеши были заняты поиском циркония и близких к нему элементов. Именно они в 1923 году открыли гафний и добыли первый его образец высокой чистоты. Что же это за элемент и зачем он нужен?

Описание и свойства гафния

Элемент гафний принадлежит VI группе периодической системы Менделеева и расположен под номером 72, имеет массовое число 178. Исходя из этого можно сказать какое гафний имеет строение атома: 72 электрона, а в ядре столько же протонов и 106 нейтронов.

В чистом цельном виде гафний представляет собой металл серебристо-белого цвета с характерным блеском, в порошке – матовый и серый, практически чёрный. Теплопроводность составляет 22 Вт/ (м*К) при условии температуры 100° C. Металл очень твёрдый и не менее тугоплавкий.

Механические свойства. Они у гафния имеют сильную зависимость от чистоты и того, как он был обработан. Если в металле присутствуют примеси кислорода, углерода или азота, он приобретает хрупкость.

Восстановить первоначальные свойства помогает обжиг. В норме модуль упругости составляет 137 ГПа, коэффициент сжимаемости – 1,18 ГПа, твёрдость – 1,1-1,2 ГПа.

Химически цирконий и гафний похожи. Выплавленный в кусок металл не взаимодействует с водой, если давление не превышает 25 МПа, а температура не выше 400°С. При трёхстах градусах начинает взаимодействовать с водяными парами.

Диоксиды гафния выглядят как кристаллы или гелеобразно. Типовая формула для этих соединений – НfO₂*хН₂О. Определяющее свойство – амфотерность, также плохо растворяются в воде и подвержены поликонденсации со временем.

В растворах щелочей гафний тоже устойчив, при температуре ниже ста градусов не начинает реагировать с соляной, серной и азотной кислотами. Может вступать в реакцию с:

Смесями минеральных кислот;

Смесью плавиковой и азотной;

Лучше всего расстворяют гафний последние две. Стойкость к действию минеральных кислот снижают аммоний и фториды щелочных металлов.

Происхождение и получение гафния

Руда гафния в классическом понимании не существует, этот элемент редко втречающийся и рассеянный. Такими считаются те, которые имеют кларк, то есть содержание в земной коре, меньше 0,01-0,001%.

Гафний встречается в природе только вместе с цирконием, его даже называют «тенью», в связи с этим металл присутствует во всех минералах циркония. Минерал руда гафния в промышленности — циркон ZrSiO₄ из-за высокой степени замещения атомов циркония гафнием (0,5…2%).

Сложность выделения гафния в его сходстве с цирконием. Промышленный способ выделения гафния состоит из нескольких этапов:

Циркон измельчают, смешивают с графитом и помещают в дуго плавильную печь. Туда не поступает воздух, а температура поднимается до 1800°С. Образуются карбиды циркония и гафния, кремний улетучивается.

Карбиды разбивают на куски, и в шахтной печи при 500°С они реагируют с хлором в виде газа. Образуются тетрахлориды.

Дальше два варианта: выделение при помощи метилизобутилкетона или трибутилфосфата, или дробная кристаллизация комплексных фторидов.

Ресурсы гафния во всём мире, если пересчитать их на двуокись металла, составляют всего немногим более 1 млн. тонн. Самая большая их часть находится в Австралии, около 630 тысяч т.

Также крупными запасами обладают ЮАР, США, Индия и Бразилия. Как правило, промышленные запасы – это циркон из прибрежных морских россыпей.

Применение гафния

Главная сфера применения этого металла – регулирующие стержни для ядерных реакторов. Впервые его попробовали в этой сфере в начале 1950-х годов.

Главная причина, по которой гафний применяют в атомной промышленности, – эффективность стержней из него практически не ухудшается с течением времени. Также большую роль играет высокая стойкость к коррозии в воде при высокой температуре, на неё не влияет даже радиационный фон.

Эти свойства, как и прочность с термостойкостью, могут быть увеличены при сплавлении гафния и, например, циркония. Другим сферам, которые используют этот металл, он достаётся в очень малом количестве. Атомная отрасль забирает больше 90% гафния, хотя радиоактивен только один его изотоп.

Этот металл используют в сплавах и металлурги, но не в виде основного материала, а в качестве добавки. Гафний улучшает физические и механические свойства остальных металлов. Ещё одна важная сфера применения гафния – производство деталей в ракетостроении.

В этой сфере он ценится за высокую тугоплавкость и способность к быстрому поглощению и отдаче тепла. В сплаве тантала он не окисляется, если температура не превышает 1650°С.

Из-за высокой устойчивости гафния практически ко всем веществам, им покрывают аппараты для химической промышленности. Также его используют в радиотехнике, изготовлении деталей электронных пушек и радиоламп.

В оптике применяют оксид гафния из-за его высокого показателя преломления, покрывают металлом зеркала для тепловизоров и приборов для видения в темноте.

Одна из сфер применения – сверхмощные магниты, они делаются из сплава гафния с другими редкоземельными металлами. Ещё одна интересная сфера, в которой используется этот редкий металл, — это ювелирное дело.

Цена гафния

Так, даже металлические отходы металла стоили 176–198 долларов за кг. Различные сплавы оценивались в 50– 150 долларов/кг, гафниевая губка 165–209 долларов/кг, оксид в 150, кристаллические стержни от 220.

Гафний самой высокой степени очистки стоил до 330 долларов за кг. Сейчас его стоимость гораздо выше с учётом прошедшего времени, инфляции и увеличения потребления металла.

Подводя итог, можно сказать, что гафний металл достаточно редкий и дорогой. В широком доступе его достаточно сложно найти. Это связано с достаточно специфическими сферами применения. Несмотря на всё это, он достаточно популярен и в менее высокотехнологичных сферах.

Источник