Гафний

Га́фний / Hafnium (Hf)
Атомный номер 72
Внешний вид серебристый ковкий
металл
Свойства атома
Атомная масса
(молярная масса)
178,49 а. е. м. (г/моль)
Радиус атома 167 пм
Энергия ионизации
(первый электрон)
575,2 (5,96) кДж/моль (эВ)
Электронная конфигурация [Xe] 4f14 5d2 6s2
Химические свойства
Ковалентный радиус 144 пм
Радиус иона (+4e) 78 пм
Электроотрицательность
(по Полингу)
1,3
Электродный потенциал 0
Степени окисления 4
Термодинамические свойства
Плотность 13,31 г/см³
Удельная теплоёмкость 0,146 Дж/(K·моль)
Теплопроводность 23,0 Вт/(м·K)
Температура плавления 2 503 K
Теплота плавления (25,1) кДж/моль
Температура кипения 5 470 K
Теплота испарения 575 кДж/моль
Молярный объём 13,6 см³/моль
Кристаллическая решётка
Структура решётки гексагональная
Период решётки 3,200 Å
Отношение c/a 1,582
Температура Дебая n/a K

Содержание

История открытия и происхождение названия

Открыт в 1923 г. Гафний искали среди редкоземельных элементов, так как не было выяснено строение 6-ого периода системы Д. И. Менделеева. В 1911 г. французский химик Г. 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 Дик Костер и Гьердь Хевеши систематически проанализировали рентгеноспектральным методом норвежские и гренландские цирконы. Совпадение линий рентгенограмм остатков после выщелачивания циркона кипящими растворами кислот с вычисленными по закону Г. Мозли для 72-ого элемента позволило исследователям объявить об открытии элемента, который они назвали гафнием в честь города, где было сделано открытие (Hafnia — латинское название Копенгагена). Начавшийся после этого спор о приоритете между Г. Урбеном, Д. Костером и Г. Хевенши продолжался длительное время. В 1949 г. название элемента «гафний» было утверждено Международной комиссией и принято всюду.

Получение

Ввиду отсутствия у гафния собственных минералов, и постоянного сопутствия его цирконию, его получение производят путем переработки циркониевых руд(где он содержится в виде примеси 2,5% от веса циркония). В мире в год в среднем добывается около 70 тонн гафния, и объемы его добычи пропорциональны добыче циркония и зависят от ее объемов. Важной особенностью обнаруженной в минералах содержащих в той или иной степени гафний, является интересная особенность скандиевого минерала - тортвейтита. Так в нем содержится гафния в процентном отношении гораздо больше чем циркония и это обстоятельство очень интересно и практически важно при переработке тортвейтита на скандий и концентрирования гафния из него.


МИРОВЫЕ РЕСУРСЫ ГАФНИЯ

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

  • Австралия – более 630 тысяч тонн,
  • ЮАР – почти 287 тысяч тонн,
  • США – чуть более 105 тысяч тонн,
  • Индия – около70 тысяч тонн,
  • Бразилия – 9,88 тысяч тонн.

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 так же упомянуть весьма значительные ресурсы гафния на Украине в этой связи. Основные гафнийсодержащие минералы в России и СНГ представлены: лопаритом, цирконом, бадделеитом, редкометалльными щелочными гранитами.

Физические свойства

Химические свойства

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

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

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

Применение

Применение гафния многообразно, но ввиду дороговизны (около 330-350 долл/кг) он применяется в наиболее ответственных случаях.

  • Производство сплавов для аэрокосмической техники, атомная промышленность, специальная оптика - это основные области применения металлического гафния.
  • В атомной технике используется способность гафния к захвату нейтронов, и его применение в атомной промышленности - это производство регулирующих стержней, специальной керамики и стекла (оксид, карбид, борид, оксокарбид, гафнат диспрозия, гафнат лития). Особенностью и приемуществом диборида гафния является очень малое газовыделение (гелий, водород) при "выгорании" бора.
  • В оптике применение находит оксид гафния (т.пл 2780 С) и, в частности, его температурная стойкость и очень высокий показатель преломления чистого оксида гафния, и в этой связи значительную сферу потребления гафния состовляет производство специальных марок стекла для оптоволоконных изделий, а также для получения особо высококачественных оптических изделий (покрытия зеркал в том числе), в том числе и для приборов ночного видения, тепловизоров. Схожую область применения имеет и фторид гафния.
  • Карбид и борид гафния (т.пл 3250 С) находит применение в качестве чрезвычайно износоустойчивых покрытий и производства сверхтвердых сплавов. Кроме того, карбид гафния является самым тугоплавким соединением (т.пл 3890 градусов Цельсия) и используется для производства сопел космических ракет и некоторых конструкционных элементов газофазных ядерных реактивных двигателей.
  • Гафний отличает сравнительно низкая работа выхода электрона (3,53 эВ), и поэтому он применяется для изготовления катодов мощных радиоламп и электронных пушек, в то же время это его качество наряду с высокой температурой плавления позволяет использовать его для производства электродов для сварки металлов в аргоне и особенно для производства электродов (катодов) для сварки низкоуглеродистой стали в углекислом газе. Стойкость таких электродов в углекислом газе более чем в 3,7 раза выше, чем вольфрама.
  • Карбид гафния в виде мелкопористого керамического изделия карбид гафния может служить чрезвычайно эффективным коллектором электронов при условии испарения с его поверхности в вакууме паров цезия-133, в этом случае работа выхода электронов снижается менее чем 0,1-0,12 эВ и этот эффект может быть использован для создания высокоэффективных термоэмиссионных электрогенераторов и частей мощных ионных двигателей.
  • На основе диборида гафния и никеля разработано и уже давно используется высокоизносоустойчивое и твердое композиционное покрытие.
  • Сплавы тантал-вольфрам-гафний являются лучшими сплавами для подачи топлива в газофазных ядерных ракетных двигателях.
  • Сплавы титана, легированные гафнием, применяются в судостроении (производство деталей судовых двигателей), а легирование гафнием никеля не только увеличивает его прочность и коррозионную стойкость, но и резко улучшает свариваемость и прочность сварных швов. *Добавление гафния к танталу резко увеличивает его стойкость к окислению на воздухе (жаростойкость) за счет образования плотной и непроницаемой пленки сложных оксидов на поверхности, и, кроме всего, эта пленка оксидов очень стойка к теплосменам (тепловой удар). Эти свойства позволили создать очень важные сплавы для ракетной техники (сопла, газовые рули). Один из лучших сплавов гафния и тантала для сопел ракет содержит до 20% гафния. Так же следует отметить огромное экономическое значение при применении сплава гафний-тантал для производства электродов для воздушно-плазменной и кислородно-пламенной резки металлов, а также для производства электродов для аргонодуговой и в углекислом газе сварки металлов. Опыт применения такого сплава (гафний-77%, тантал-20%, вольфрам-2%, серебро-0,5%, цезий-0,1%, хром-0,4%) показал в 9 раз больший ресурс работы по сравнению с чистым гафнием.
  • Резко упрочняет гафний и ряд сплавов кобальта, очень важных в турбостроении, нефтяной, химической и пищевой промышленности.
  • Незаменим для создания ряда сплавов для сверхмощных постоянных магнитов на основе редких земель (в частности, на основе тербия и самария).
  • Сплав карбида гафния (HfC) и карбида тантала (TaC) в соотношении близком (20% карбид гафния + 80% карбид тантала) является самым тугоплавким сплавом (т.пл 4216 градусов Цельсия), кроме того, есть отдельные указания на то, что при легировании этого сплава небольшим количеством карбида титана температура плавления может быть увеличена еще на 180 градусов.

Добавления 1% гафния в алюминий получают сверхпрочные сплавы алюминия с размером зерен металла 40-50 нм и этим не только упрочняют сплав но и достигают значительного относительного удлинения и повышают предел прочности при сдвиге и кручении, а также вибростойкость. Гафнат бария применяется в качестве эффективных катодов с малой работой выхода. Монокристаллы сульфида гафния применяются в качестве детекторов ядерных излучений. Силицид гафния в электронике в качестве диэлектрика с высокой диэлектрической проницаемостью. Стабилизированые ядра гафния-178m2 содержат избыточную энергию, которая может быть высвобождена с помощью внешнего воздействия на ядро (рентгеновское излучение), и этот эффект может быть применен для конструирования безопасного ядерного оружия (мощность, выделяемая 1 граммом гафния-178m2, примерно равна 50 кг тротила). Мирное применение этого ядерного изомера интересно тем, что он может быть использован как мощный источник гамма-лучей, допускающий регулировку дозы излучения (дефектоскопия), для "накачки" компактных лазеров боевого назначения(замещение части атомов гафния на гафний-176 позволяет, используя окись гафния как компонент лазерного кристалла, совместить источник энергии и излучатель вместе), источник энергии для транспорта, очень емкий аккумулятор энергии (1 килограмм примерно эквивалентен 4,35 тонны бензина!!!). Основной проблемой использования гафния-178 упирается в трудности наработки этого ядерного изомера, в то же время он является обычным продуктом (отходом) атомной электростанции (отработаные поглотительные гафниевые стержни), и в этой связи эксплуатация так называемого "гафниевого цикла" и расширение сектора применения гафния будет возрастать по мере увеличения вовлечения гафния для регулировки реакторов. По мере накопления изомера в странах с развитой атомной промышленностью, произойдет и становление "гафниевой энергетики". Применение гафния очень важно для производства высококачественных многослойных рентгеновских зеркал.

Сплавы гафния и скандия применяются в микроэлектронике для получения резистивных пленок с особыми свойствами.

Биологическая роль

Биологическая роль гафния неизвестна.

Ссылки


Периодическая система элементов
H He
Li Be B C N O F Ne
Na Mg Al Si P S Cl Ar
K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr
Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe
Cs Ba * Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn
Fr Ra ** Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Rg Uub Uut Uuq Uup Uuh Uus Uuo
* La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu
** Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr
 
Начальная страница  » 
А Б В Г Д Е Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ы Э Ю Я
A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Home