De hafnium het is een overgangsmetaal waarvan het chemische symbool Hf is en atoomnummer 72 heeft. Het is het derde element van groep 4 van het periodiek systeem, omdat het een verwant is van titanium en zirkonium. Met de laatste deelt het veel chemische eigenschappen, omdat het zich samen bevindt in mineralen van de aardkorst.
Op zoek naar hafnium is kijken naar waar het zirkonium is, aangezien het een bijproduct is van de extractie. De naam van dit metaal komt van het Latijnse woord 'hafnia', waarvan de betekenis de naam Kopenhagen wordt, een stad waar het werd ontdekt in zirkoonmineralen en de controverse over de ware chemische aard ervan eindigde..
Hafnium is een metaal dat onopgemerkt blijft in het algemene intellect, in feite hebben maar weinig mensen er ooit van gehoord. Zelfs bij sommige chemicaliën is het een ongebruikelijk element, deels vanwege de hoge productiekosten en vanwege het feit dat zirkonium het in de meeste van zijn toepassingen zonder enig probleem kan vervangen..
Dit metaal draagt de onderscheiding dat het de laatste van de meest stabiele elementen is die hier op aarde zijn ontdekt; dat wil zeggen, de andere ontdekkingen hebben een reeks ultrazware, radioactieve elementen en / of kunstmatige isotopen gevormd.
Hafniumverbindingen zijn analoog aan die van titanium en zirkonium, met een overheersend oxidatiegetal van +4, zoals HfCl4, HfOtwee, HfI4 en HfBr4. Sommigen van hen staan bovenaan de lijst van de meest vuurvaste materialen die ooit zijn gemaakt, evenals legeringen met een hoge thermische weerstand en die ook dienen als uitstekende absorptiemiddelen voor neutronen..
Om deze reden neemt hafnium veel deel aan de nucleaire chemie, vooral met betrekking tot drukwaterreactoren..
Artikel index
De ontdekking van hafnium was omgeven door controverse, ondanks het feit dat het bestaan ervan al sinds 1869 was voorspeld dankzij het periodiek systeem van Mendelejev..
Het probleem was dat het zich onder het zirkonium bevond, maar samenviel in dezelfde periode van de zeldzame aardelementen: de lanthanoïden. Chemici wisten destijds niet of het een overgangsmetaal of een zeldzaam aardmetaal was..
De Franse chemicus Georges Urbain, ontdekker van lutetium, een naburig metaal van hafnium, beweerde in 1911 element 72 te hebben ontdekt, dat hij celtium noemde, en verklaarde dat het een zeldzaam aardmetaal was. Maar drie jaar later werd geconcludeerd dat zijn resultaten verkeerd waren en dat hij alleen een mengsel van lanthanoïden had geïsoleerd.
Pas toen de elementen werden gerangschikt op atoomnummer, dankzij het werk van Henry Moseley in 1914, werd de buurt tussen lutetium en element 72 zichtbaar gemaakt, in overeenstemming met de voorspellingen van Mendelejev toen het laatste element zich in dezelfde groep bevond. als metalen titanium en zirkonium.
In 1921, na Niels Bohr's studie van de atoomstructuur en zijn voorspelling van het röntgenemissiespectrum voor element 72, werd de zoektocht naar dit metaal in zeldzame aardmetalen stopgezet; In plaats daarvan concentreerde hij zijn zoektocht op zirkoniummineralen, aangezien beide elementen verschillende chemische eigenschappen moeten delen..
De Deense chemicus Dirk Coster en de Hongaarse chemicus Georg von Hevesy slaagden er in 1923 eindelijk in om het spectrum te herkennen dat door Niels Bohr werd voorspeld in zirkoonmonsters uit Noorwegen en Groenland. Nadat ze de ontdekking in Kopenhagen hadden gedaan, noemden ze element 72 met de Latijnse naam van deze stad: hafnia, waarvan het later werd afgeleid 'hafnium'.
Het was echter geen gemakkelijke taak om de hafniumatomen te scheiden van die van het zirkonium, aangezien hun afmetingen vergelijkbaar zijn en ze op dezelfde manier reageren. Hoewel in 1924 een fractionele herkristallisatiemethode was bedacht om hafniumtetrachloride te verkrijgen, kon HfCl4, het waren de Nederlandse chemici Anton Eduard van Arkel en Jan Hendrik de Boer die het reduceerden tot metallic hafnium.
Om dit te doen, HfCl4 onderging reductie met behulp van metallisch magnesium (Kroll-proces):
HfCl4 + 2 Mg (1100 ° C) → 2 MgCltwee + Hf
Aan de andere kant, uitgaande van hafniumtetrajodide, HfI4, Dit werd verdampt om thermische ontleding te ondergaan op een gloeiend wolfraamfilament, waarop het metallische hafnium werd afgezet om een polykristallijn ogende staaf te produceren (kristallijn staafproces of Arkel-De Boer-proces):
HfI4 (1700 ° C) → Hf + 2 Itwee
De hafniumatomen, Hf, groeperen zich bij omgevingsdruk in een kristal met een compacte hexagonale structuur, hcp, evenals de metalen titanium en zirkonium. Dit hcp-hafniumkristal wordt zijn α-fase, die constant blijft tot een temperatuur van 2030 K, wanneer het een overgang ondergaat naar de β-fase, met een kubische structuur gecentreerd in het lichaam, bcc.
Dit wordt begrepen als men bedenkt dat de warmte het kristal "ontspant" en daarom proberen de Hf-atomen zichzelf zo te positioneren dat hun verdichting wordt verminderd. Deze twee fasen zijn voldoende om het hafniumpolymorfisme te beschouwen.
Evenzo vertoont het een polymorfisme dat afhankelijk is van hoge drukken. De α- en β-fasen bestaan bij een druk van 1 atm; terwijl de ω-fase, hexagonaal maar zelfs meer verdicht dan gewone hcp, verschijnt wanneer de drukken hoger zijn dan 40 GPa. Interessant is dat wanneer de druk blijft toenemen, de minder dichte β-fase opnieuw verschijnt.
Zilverachtig witte vaste stof, die donkere tinten vertoont als deze een oxide- en nitridelaag heeft.
178,49 g / mol
2233 ºC
4603 ºC
Bij kamertemperatuur: 13,31 g / cm3, twee keer zo dicht als zirkonium
Precies op het smeltpunt: 12 g / cm3
27,2 kJ / mol
648 kJ / mol
1.3 op de Pauling-schaal
Ten eerste: 658,5 kJ / mol (Hf+ gasvormig)
Ten tweede: 1440 kJ / mol (Hftwee+ gasvormig)
Ten derde: 2250 kJ / mol (Hf3+ gasvormig)
23,0 W / (mK)
331 nΩ m
5.5
Tenzij het metaal gepolijst en verbrand is en vonken afgeeft bij een temperatuur van 2000 ° C, is het niet vatbaar voor roest of corrosie, aangezien een dun laagje oxide het beschermt. In die zin is het een van de meest stabiele metalen. In feite kunnen noch sterke zuren noch sterke basen het oplossen; behalve fluorwaterstofzuur en halogenen die het kunnen oxideren.
Het hafnium-atoom heeft de volgende elektronische configuratie:
[Xe] 4f14 5 dtwee 6stwee
Dit valt samen met het feit dat het samen met titanium en zirkonium tot groep 4 van het periodiek systeem behoort, omdat het vier valentie-elektronen heeft in de 5d- en 6s-orbitalen. Merk ook op dat hafnium geen lanthanoïde kan zijn, omdat het zijn 4f-orbitalen volledig gevuld heeft.
Dezelfde elektronenconfiguratie laat zien hoeveel elektronen een hafniumatoom theoretisch kan verliezen als onderdeel van een verbinding. Ervan uitgaande dat het zijn vier valentie-elektronen verliest, zou het een vierwaardig kation Hf zijn4+ (naar analogie met Ti4+ en Zr4+), en zou daarom een oxidatiegetal hebben van +4.
Dit is in feite de meest stabiele en meest voorkomende van zijn oxidatiegetallen. Andere minder relevante zijn: -2 (Hftwee-), +1 (Hf+), +2 (Hftwee+) en +3 (Hf3+.
Hafnium komt op aarde voor als vijf stabiele isotopen en één radioactief met een zeer lange levensduur:
-174Hf (0,16%, met een halfwaardetijd van 2 10vijftien jaar, dus het wordt als praktisch stabiel beschouwd)
-176Hf (5,26%)
-177Hf (18,60%)
-178Hf (27,28%)
-179Hf (13,62%)
-180Hf (35,08%)
Merk op dat er als zodanig geen isotoop is die in overvloed opvalt, en dit wordt weerspiegeld in de gemiddelde atoommassa van hafnium, 178,49 amu..
Van alle radioactieve isotopen van hafnium, die samen met de natuurlijke in totaal 34 zijn, 178m2Hf is het meest controversieel omdat het in zijn radioactieve verval gammastraling afgeeft, dus deze atomen zouden als oorlogswapen kunnen worden gebruikt.
Hafnium is een metaal dat bestand is tegen vocht en hoge temperaturen en tevens een uitstekende neutronenabsorbeerder is. Om deze reden wordt het gebruikt in drukwaterreactoren, evenals bij de vervaardiging van regelstaven voor kernreactoren, waarvan de coatings zijn gemaakt van ultrapuur zirkonium, omdat dit neutronen er doorheen moet kunnen sturen..
Hafnium-atomen kunnen andere metallische kristallen integreren om verschillende legeringen te doen ontstaan. Deze kenmerken zich doordat ze taai en thermisch bestendig zijn, daarom zijn ze bedoeld voor ruimtevaarttoepassingen, zoals bij de constructie van motormondstukken voor raketten..
Aan de andere kant hebben sommige legeringen en vaste hafniumverbindingen speciale eigenschappen; zoals zijn carbiden en nitriden, respectievelijk HfC en HfN, die zeer vuurvaste materialen zijn. Tantaalcarbide en hafnium, Ta4HfC5, Met een smeltpunt van 4215 ° C is het een van de meest vuurvaste materialen ooit gekend..
Hafnium metallocenen worden gebruikt als organische katalysatoren voor de synthese van polymeren zoals polyethyleen en polystyreen.
Het is tot op heden niet bekend welke impact Hf-ionen op ons lichaam zouden kunnen hebben4+. Aan de andere kant, omdat ze in de natuur worden aangetroffen in zirkoniummineralen, wordt niet aangenomen dat ze het ecosysteem veranderen door hun zouten in het milieu af te geven..
Het wordt echter aanbevolen om voorzichtig met hafniumverbindingen om te gaan, alsof ze giftig zijn, zelfs als er geen medische onderzoeken zijn die aantonen dat ze schadelijk zijn voor de gezondheid..
Het echte gevaar van hafnium schuilt in de fijngemalen deeltjes van zijn vaste stof, die nauwelijks kunnen verbranden als ze in contact komen met zuurstof in de lucht..
Dit verklaart waarom wanneer het wordt gepolijst, een actie die het oppervlak schraapt en deeltjes van puur metaal vrijgeeft, brandende vonken vrijkomen bij een temperatuur van 2000 ºC; dat wil zeggen, hafnium heeft pyroforiciteit, de enige eigenschap die het risico op brand of ernstige brandwonden met zich meebrengt.
Niemand heeft nog op dit artikel gereageerd.