Hafniu
Hafniu | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Aspect | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Generalitate | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Numele, simbolul, numărul atomic | hafniu, Hf, 72 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Serie | metale de tranziție | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Grup , punct , bloc | 4 , 6 , d | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Densitate | 13 310 kg / m³ | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Duritate | 5.5 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Configurare electronică | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Termen spectroscopic | 3 F 2 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Proprietăți atomice | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Greutate atomica | 178,49 u | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Raza atomică (calc.) | 172 pm | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Raza covalentă | 150 pm | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Raza Van der Waals | 161 pm [1] | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Configurare electronică | [ Xe ] 4f 14 5d 2 6s 2 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
și - după nivelul de energie | 2, 8, 18, 32, 10, 2 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Stări de oxidare | 4 ( amfoteric ) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Structură cristalină | hexagonal | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Proprietăți fizice | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Stare a materiei | solid | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Punct de fuziune | 2 506 K (2 233 ° C ) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Punct de fierbere | 4 876 K (4 603 ° C) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Volumul molar | 1,344 × 10 −5 m³ / mol | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Entalpia vaporizării | 575 kJ / mol | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Căldura de fuziune | 24,06 kJ / mol | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Presiunea de vapori | 1,12 × 10 −3 Pa a 2 500 K | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Viteza sunetului | 1 590 m / s în 293,15 K | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Alte proprietăți | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
numar CAS | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Electronegativitate | 1.3 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Căldura specifică | 140 J / (kg K) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Conductibilitate electrică | 3,12 × 10 6 / m Ω | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Conductivitate termică | 23 W / (m K) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Energia primei ionizări | 658,5 kJ / mol | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
A doua energie de ionizare | 1 440 kJ / mol | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
A treia energie de ionizare | 2 250 kJ / mol | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Izotopi mai stabili | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Pentru a afla mai multe, consultați intrarea Izotopi de hafniu . | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
iso: izotop NA: abundență în natură TD: timpul de înjumătățire DM: modul de descompunere DE: energia de descompunere în MeV DP: produs de descompunere |
Hafniu este elementul chimic cu număr atomic 72 și simbolul său este Hf .
Este un metal de tranziție cu aspect strălucitor și o culoare argintie; chimic seamănă cu zirconiul și se găsește adesea în mineralele de zirconiu. Hafnium este utilizat într-un aliaj cu tungsten în filamente și electrozi și este utilizat ca absorbant de neutroni în tijele de control ale reactorului nuclear .
Istorie
Hafnium (din latinescul Hafnia , acum „ Copenhaga ”) a fost descoperit de Dirk Coster și George Charles de Hevesy în 1923 la Copenhaga, Danemarca .
Deja în Tabelul periodic al elementelor elaborate de Dmitrij Mendeleev în 1869 era prevăzut un corespondent mai greu decât titanul și zirconiul, chiar dacă Mendeleev plasase lantanul imediat sub zirconiu pe măsură ce își baza considerațiile pe greutatea atomică și nu pe numărul atomic . [2]
Când s-a realizat că după lantan exista un grup de elemente cu proprietăți similare , a început căutarea elementelor lipsă cu numerele atomice 43, 61, 72 și 75. [3] Georges Urbain a susținut că a izolat elementul 72 pe pământ. rar și a publicat în 1911 rezultatele cercetărilor sale asupra elementului numit celtium . [4] Cu toate acestea, nici spectrele, nici caracteristicile chimice nu s-au potrivit cu așteptările, astfel încât, după o intensă dezbatere, descoperirea sa a fost respinsă. [5]
La începutul anului 1923 unii chimiști și fizicieni, printre care Niels Bohr [6] și Charles R. Bury, [7] au propus ca elementul 72 să semene cu zirconiul și, prin urmare, să nu facă parte din pământurile rare. Aceste considerații s-au bazat pe teoria atomică a lui Bohr, spectroscopia cu raze X a lui Mosley și argumentele chimice ale lui Friedrich Paneth . [8] [9]
Pe baza acestor considerații, Dirk Coster și George Charles de Hevesy au început să caute elementul 72 din mineralele de zirconiu [10] până la descoperirea hafniului în 1923 la Copenhaga. [11] [12] Numele elementului a fost derivat din Hafnia , denumirea latină a orașului Copenhaga, orașul Niels Bohr. [13] Din acest motiv, o imagine stilizată a hafniului apare în sigiliul Facultății de Științe a Universității din Copenhaga . [14]
Hafniu a fost identificat definitiv prin analiza cu raze X în cristale de zircon din Norvegia. [15]
Hafniul a fost separat de zirconiu prin recristalizări repetate de fluoruri de amoniu sau potasiu din Jantzen și von Hevesey. [16] Hafniu metalic a fost preparat pentru prima dată în 1924 de Anton Eduard van Arkel și Jan Hendrik de Boer, trecând vaporii tetraiodurii sale peste un filament de tungsten încălzit. [17] [18] Acest proces de purificare diferențiată a zirconiului și hafniului este încă în uz astăzi. [19]
Caracteristici
Acest metal argintiu este ductil și rezistent la coroziune . Proprietățile hafniului sunt puternic influențate de impuritățile zirconiului și aceste două elemente sunt printre cele mai dificil de separat. Singura diferență importantă dintre cele două este densitatea : cea a zirconiului este aproximativ jumătate din cea a hafniului.
Carbura de hafniu este cel mai refractar compus binar cunoscut (se topește a 4 150 ° C ) și nitrura de hafniu, cu un punct de topire de 3 310 ° C, este cea mai refractară dintre toate nitrurile metalice. Acest metal este rezistent la alcalii concentrați, în timp ce halogenii reacționează cu acesta pentru a forma tetrahaluri de hafniu. La temperaturi ridicate, hafniul reacționează cu oxigen , azot , carbon , bor , sulf și siliciu .
Izomerul nuclear Hf-178-2m este utilizat ca sursă de raze gamma și se studiază utilizarea sa ca sursă de energie în laserele cu raze gamma.
Dintre cei șase izotopi care alcătuiesc hafniu natural, hafniu-174 are cea mai mare secțiune transversală pentru neutroni termici. Avantajul hafniului față de alți absorbanți de neutroni este că reacția de absorbție nu produce heliu . [20] În plus, rezistența sa la coroziune în apă este mai mare decât aliajele de zirconiu învelite, prin urmare face posibilă utilizarea acestuia fără înveliș, [20] în cele din urmă are o bună stabilitate și menținerea proprietăților mecanice la radiații. Durata de viață a barelor de hafniu poate depăși 10 ani. [20]
Hafniu solid suferă o transformare polimorfă la 1 700-2 000 ° C, este un puternic substrator de oxigen și azot chiar și la o presiune foarte mică ( 0,1–1,0 mPa ) și este utilizat în general în analiza proprietăților termice ale materialelor. Oxigenul și azotul se dizolvă în hafniu, stabilizează faza α prin creșterea temperaturii de tranziție, a cărei valoare cea mai fiabilă este 1 742 ° C. Cele mai fiabile rezultate provin din experimente cu probe mari, vid mare și durată scurtă. [21] [22]
Abundență și disponibilitate
Hafniul apare în natură combinat cu compuși de zirconiu și nu există ca element liber. Mineralele care conțin zirconiu, cum ar fi alvit [(Hf, Th , Zr ) Si O 4 H 2 O ], tortveitit și zircon (ZrSiO 4 ) conțin 1 până la 5% hafniu.
Izotopi
Metode de preparare
Aproximativ jumătate din hafniu metalic este produs prin rafinarea zirconiului. Acest proces se realizează prin reducerea tetraclorurii de hafniu cu magneziu sau sodiu în procesul Kroll sau prin procesul mai puțin eficient van Arkel-de Boer .
Aplicații
Hafnium este utilizat pentru fabricarea tijelor de control în reactoarele nucleare datorită capacității sale ridicate de absorbție a neutronilor: este capabil să absoarbă neutronii energetici de 600 de ori mai eficient decât zirconiul; în plus, are caracteristici mecanice excelente și rezistență excepțională la coroziune.
Alte utilizări sunt:
- în lămpi cu incandescență ,
- pentru a captura reziduurile de oxigen și azot,
- ca electrod în tăierea plasmei datorită capacității sale de emisie de electroni,
- aliaj cu fier , titan , niobiu , tantal și alte metale.
- dioxidul de hafniu va fi utilizat în izolatoarele de poartă High-K ( constantă dielectrică ridicată) în ultimele generații de circuite integrate . [23] [24]
Intel a introdus tehnologia tranzistorului pentru procesoarele sale de 45nm , care folosește hafnium.
Precauții
Simboluri de pericol chimic | |
---|---|
Pericol | |
fraze H | 250 - 251 |
Expresii R. | R 17 |
sfat P | 210 - 222 - 235 + 410 - 280 - 420 - 422 [25] [26] |
Fraze S. | S 2-7 / 8-43 |
Produsele chimice trebuie manipulat cu precauție | |
Avertizări |
Hafnium trebuie tratat cu grijă, deoarece atunci când este pulbere este piroforic, adică se aprinde spontan în contact cu aerul. Compușii care conțin acest metal vin rar în contact cu oamenii, iar metalul pur nu este toxic, dar toți compușii săi trebuie tratați ca toxici. Expunerea la hafniu și compușii săi nu trebuie să depășească TLV-TWA egal cu 0,5 mg / m³ , valoare limită ponderată de 8 ore pe zi.
Notă
- ^ Hafniu , pe lenntech.it. Adus pe 27 aprilie 2013 .
- ^ Masanori Kaji, conceptul lui DI Mendeleev de elemente chimice și Principiile chimiei ( PDF ), în Buletin pentru istoria chimiei , vol. 27, 2002, p. 4. Adus la 20 august 2008 (arhivat din original la 17 decembrie 2008) . .
- ^ John L. Heilbron, The Work of HGJ Moseley , în Isis , vol. 57, nr. 3, 1966, p. 336, DOI : 10.1086 / 350143 . .
- ^ MG Urbain, Sur un nouvel élément here accompains the lutécium et le scandium dans les terres de la gadolinite: le celtium , in Comptes rendus , 1911, p. 141. Accesat la 10 septembrie 2008 .
- ^ VP Mel'nikov,Some Details in the Prehistory of the Discovery of Element 72 , în Centaurus , vol. 26, n. 3, 1982, p. 317, Bibcode : 1982Cent ... 26..317M , DOI : 10.1111 / j.1600-0498.1982.tb00667.x .
- ^ Niels Bohr, Theory of Spectra and Atomic Constitution: Three Essays , p. 114, ISBN 1-4365-0368-X .
- ^ Charles R. Bury, Teoria aranjării electronilor în atomi și molecule a lui Langmuir , în J. Amer. Chem. Soc. , Vol. 43, nr. 7, 1921, p. 1602, DOI : 10.1021 / ja01440a023 .
- ^ ( DE ) FA Paneth, Das periodische System (The periodic system) , în Ergebnisse der Exakten Naturwissenschaften 1 , 1922, p. 362.
- ^ WC Fernelius, hafniu (PDF) [ link rupt ] , în Journal of Chemical Education , 1982, p. 242.
- ^ ( FR ) MG Urbain, Sur les séries L du lutécium et de l'ytterbium et sur l'identification d'un celtium avec l'élément de nombre atomique 72 , în Comptes rendus , vol. 174, 1922, p. 1347. Adus la 30 octombrie 2008 .
- ^ D. Coster, Hevesy, G., Despre elementul lipsă al numărului atomic 72 , în Nature , vol. 111, nr. 2777, 1923, p. 79, Bibcode : 1923 Nat. 111 ... 79C , DOI : 10.1038 / 111079a0 .
- ^ G. Hevesy, The Discovery and Properties of Hafnium , în Chemical Reviews , vol. 2, 1925, p. 1, DOI : 10.1021 / cr60005a001 .
- ^ Eric R. Scerri, Predicția naturii hafniului din chimie, teoria lui Bohr și teoria cuantică , în Annals of Science , vol. 51, nr. 2, 1994, p. 137, DOI : 10.1080 / 00033799400200161 .
- ^ University Life 2005 ( PDF ), pe publikationer.ku.dk , University of Copenghagen, p. 43. Accesat la 2 noiembrie 2008 (arhivat din original la 25 august 2011) .
- ^ Georg von Hevesy, Über die Auffindung des Hafniums und den gegenwärtigen Stand unserer Kenntnisse von diesem Element , în Berichte der deutschen chemischen Gesellschaft (Seria A și B) , vol. 56, nr. 7, 1923, p. 1503, DOI : 10.1002 / cber . 19230560702 . .
- ^ ( DE ) AE van Arkel, de Boer, JH, Die Trennung von Zirkonium und Hafnium durch Kristallisation ihrer Ammoniumdoppelfluoride (Separarea zirconiului și hafniului prin cristalizarea fluorurilor de amoniu dublu) , în Zeitschrift für anorganische und allgemeine Chemie ,. 141, 1924, p. 284, DOI : 10.1002 / zaac.19241410117 . .
- ^ ( DE ) AE van Arkel, de Boer, JH, Die Trennung des Zirkoniums von anderen Metallen, einschließlich Hafnium, durch fraktionierte Distillation (The Separation of zirconium and hafnium by fractionated distillation) , în Zeitschrift für anorganische und allgemeine Chemie , vol. 141, 1924, p. 289, DOI : 10.1002 / zaac.19241410118 .
- ^ ( DE ) AE van Arkel, de Boer, JH, Darstellung von reinem Titanium-, Zirkonium-, Hafnium- und Thoriummetall (Production of pure titanium, zirconium, hafnium and Thorium metal) , în Zeitschrift für anorganische und allgemeine Chemie , vol. 148, 1925, p. 345, DOI : 10.1002 / zaac.19251480133 .
- ^ JH Schemel, ASTM Manual on Zirconium and Hafnium , ASTM International, 1977, pp. 1-5, ISBN 978-0-8031-0505-8 .
- ^ a b c Proprietăți termofizice ale materialelor pentru ingineria nucleară: un tutorial și culegere de date ( PDF ), p. 145. Accesat la 26 noiembrie 2013 .
- ^ Baza de date a proprietăților termofizice a materialelor pentru LWR și HWR ( PDF ), p. 296. Accesat la 26 noiembrie 2013 .
- ^ Cele mai fiabile și recomandate date despre expansiunea termică, entalpia, căldura specifică și emisivitatea hafniului și dioxidului de hafniu sunt furnizate în baza de date a proprietăților termofizice a materialelor pentru LWR și HWR
- ^ Intel va folosi hafnium ca izolator , pe macitynet.it . Adus la 29 ianuarie 2007 (arhivat din original la 3 februarie 2007) .
- ^ Intel: cheia este hafnium , pe punto-informatico.it , Punto Informatico, 16 noiembrie 2007. Accesat la 16 noiembrie 2007 .
- ^ Depozitați sub gaz inert.
- ^ Foaie de pulbere de hafniu pe IFA-GESTIS , pe gestis-en.itrust.de . Adus la 3 iunie 2021 (Arhivat din original la 16 octombrie 2019) .
Bibliografie
- Francesco Borgese, Elementele tabelului periodic. Descoperire, proprietăți, utilizări. Manual chimic, fizic, geologic , Roma, CISU, 1993, ISBN 88-7975-077-1 .
- R. Barbucci, A. Sabatini și P. Dapporto, Tabel periodic și proprietăți ale elementelor , Florența, Edizioni V. Morelli, 1998 (arhivat din original la 22 octombrie 2010) .
Elemente conexe
Alte proiecte
- Wikționarul conține dicționarul lema « hafnium »
- Wikimedia Commons conține imagini sau alte fișiere pe hafnium
linkuri externe
- Hafnius , pe Treccani.it - Enciclopedii online , Institutul Enciclopediei Italiene .
- ( EN ) Hafnius , în Encyclopedia Britannica , Encyclopædia Britannica, Inc.
- (EN) Hafnium , pe periodic.lanl.gov, Laboratorul Național Los Alamos . Adus la 19 decembrie 2004 (arhivat din original la 2 iunie 2008) .
- (RO) hafniu , pe WebElements.com.
- (EN) Hafnium , pe EnvironmentalChemistry.com.
Controlul autorității | LCCN (EN) sh85058238 · GND (DE) 4158734-0 · NDL (EN, JA) 00.562.767 |
---|