Главная » Статьи » ПСЭ » Гафний

Статьи

Гафний

Гафний
Атомный номер72
Внешний вид простого веществасеребристый ковкий
металл
Свойства атома
Атомная масса
(молярная масса)
178,49 а. е. м. (г/моль)
Радиус атома167 пм
Энергия ионизации
(первый электрон)
575,2 (5,96) кДж/моль (эВ)
Электронная конфигурация[Xe]4f14 5d2 6s2
Химические свойства
Ковалентный радиус144 пм
Радиус иона(+4e) 78 пм
Электроотрицательность
(по Полингу)
1,3
Электродный потенциал0
Степени окисления4
Термодинамические свойства простого вещества
Плотность13,31 г/см³
Молярная теплоёмкость25,7[1] Дж/(K·моль)
Теплопроводность23,0 Вт/(м·K)
Температура плавления2 503 K
Теплота плавления(25,1) кДж/моль
Температура кипения5 470 K
Теплота испарения575 кДж/моль
Молярный объём13,6 см³/моль
Кристаллическая решётка простого вещества
Структура решёткигексагональная
Параметры решётки3,200 Å
Отношение c/a1,582
Температура Дебаяn/a K
Hf72
178,49
4f145d26s2
Гафний

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

История открытия и происхождение названия

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 (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

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 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

Цены на гафний 99% в 2007 году в среднем $780 за килограмм /по материалам infogeo.ru/metalls

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 (около 10² барн), тогда как у его химического аналога, циркония, сечение захвата на 2 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, 174Hf, проявляет слабую альфа-активность (период полураспада 2×1015 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

  • HfBr2 — твёрдое вещество чёрного цвета, самовоспламеняющееся на воздухе. Разлагается при температуре 400 °C на гафний и тетрабромид гафния. Получают диспропорционированием трибромида гафния в вакууме при нагревании.

Соединения трёхвалентного гафния

  • HfBr3 — чёрно-синее твёрдое вещество. Диспропорционирует при 400 °C на дибромид и тетрабромид гафния. Получают восстановлением тетрабромида гафния при нагревании в атмосфере водорода или с металлическим алюминием.

Соединения четырёхвалентного гафния

  • HfO2 — бесцветные моноклинные кристаллы (плотность — 9,98 г/см³) или бесцветные тетрагональные кристаллы (плотность — 10,47 г/см³). Последние имеют tпл 2900 °C, малорастворимы в воде, диамагнитны, обладают более осно́вным характером, чем ZrO2 и обнаруживают каталитические свойства. Получают нагреванием металлического гафния в кислороде или прокаливанием гидроксида, диоксалата, дисульфата гафния.
  • Hf(OH)4 — белый осадок, растворяющийся при добавлении щёлочей и пероксида водорода с образованием пероксогафниатов. Получают глубоким гидролизом солей четырёхвалентного гафния при нагревании или обработкой растворов солей гафния (IV) щёлочами.
  • HfF4 — бесцветные кристаллы. tпл 1025 °C, плотность — 7,13 г/см³. Растворим в воде. Получают термическим разложением соединения (NH4)2[HfF6] в токе азота при 300 °C.
  • HfCl4 — белый порошок, сублимирующийся при 317 °C. tпл 432 °C. Получают действием хлора на металлический гафний, карбид гафния или смесь оксида гафния (II) с углем.
  • HfBr4 — бесцветные кристаллы. Сублимируются при 322 °C. tпл 420 °C. Получают действием паров брома на нагретую до 500 °C смесь оксида гафния (II) с углем.
  • HfI4 — жёлтые кристаллы. Сублимирует при 427 °C и термически диссоциирует при 1400 °C. Получается взаимодействием гафния с иодом при 300 °C.

Применение

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

  • 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 преимуществом диборида гафния является очень малое газовыделение (гелий, водород) при «выгорании» бора.
  • В оптике применяется оксид гафния в связи с его температурной стойкостью (т. пл. 2780 °C) и очень высоким показателем преломления. Значительную сферу потребления гафния составляет производство специальных марок стекла для оптоволоконных изделий, а также для получения особо высококачественных оптических изделий, покрытия зеркал, в том числе и для приборов ночного видения, тепловизоров. Схожую область применения имеет и фторид гафния.
  • Карбид и борид гафния (т. пл. 3250 °C) находят применение в качестве чрезвычайно износоустойчивых покрытий и производства сверхтвердых сплавов. Кроме того, карбид гафния является одним из самых тугоплавких соединений (т. пл. 3890 °C) 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 гафний для производства электродов для сварки металлов в аргоне и особенно электродов (катодов) для сварки низкоуглеродистой стали в углекислом газе. Стойкость таких электродов в углекислом газе более чем в 3,7 раза выше, чем вольфрамовых. В качестве эффективных катодов с малой работой выхода применяется также гафнат бария.
  • Карбид гафния в виде мелкопористого керамического изделия 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. Также следует отметить большой экономический эффект при применении сплава гафний-тантал для производства электродов для воздушно-плазменной и кислородно-пламенной резки 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.
  • Легирование гафнием резко упрочняет многие сплавы кобальта, очень важных в турбостроении, нефтяной, химической и пищевой промышленности.
  • Гафний используется в некоторых сплавах для сверхмощных постоянных магнитов на основе редких земель (в частности, на основе тербия и самария).
  • Сплав карбида гафния (HfC, 20 %) и карбида тантала (TaC, 80 %) является самым тугоплавким сплавом (т. пл. 4216 °C). 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.
  • Добавлением 1 % гафния в алюминий получают сверхпрочные сплавы алюминия с размером зерен металла 40-50 нм. При этом не только упрочняется сплав, но и достигается значительное относительное удлинение и повышается предел прочности при сдвиге и кручении, а также улучшается вибростойкость.
  • Диэлектрики с высокой диэлектрической проницаемостью на основе оксида гафния в течение следующего десятилетия заменят в микроэлектронике традиционный оксид кремния, что позволит достичь гораздо более высокой плотности элементов в чипах[2]. С 2007 года диоксид гафния используется в 45-нм процессорах Intel Penryn[3][4]. Также в качестве диэлектрика с высокой диэлектрической проницаемостью в электронике применяется силицид гафния. Сплавы гафния и скандия применяются в микроэлектронике для получения резистивных пленок с особыми свойствами.
  • Гафний используется для производства высококачественных многослойных рентгеновских зеркал.

Перспективные области применения

Метастабильные ядра гафния-178m2 (период полураспада 31,0 года) содержат избыточную энергию, которая может быть высвобождена с помощью внешнего воздействия на ядро (рентгеновское излучение), и этот эффект может быть применен для конструирования безопасного (не создающего радиоактивного заражения) ядерного оружия. Энергия, выделяемая 1 граммом гафния-178m2, примерно соответствует 50 кг тротила. Метастабильный изомер гафния может быть использован для «накачки» компактных лазеров боевого назначения (замещение части атомов гафния на 178m2Hf позволяет, используя окись гафния как компонент лазерного кристалла, совместить источник энергии и излучатель).

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 (отработаные 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».

Разработками так называемой «гафниевой бомбы» на основе изомера 178m2Hf с 1998 по 2004 год занималось агентство DARPA[5]. Однако, даже использование источников рентгеновского излучения большой мощности не позволило обнаружить эффект индуцированного распада. В 2005 году было показано[6], что при использовании существующих на сегодняшний день технологий высвобождение избыточной энергии из ядра гафния-178m2 не представляется возможным.

Периодическая система химических элементов Менделеева:

Периодическая система элементов

IA

IIA

IIIB

IVB

VB

VIB

VIIB

----

VIIIB

----

IB

IIB

IIIA

IVA

VA

VIA

VIIA

VIIIA

Период
11

H
Водород

2

He
Гелий

23

Li
Литий

4

Be
Бериллий

5

B
Бор

6

C
Углерод

7

N
Азот

8

O
Кислород

9

F
Фтор

10

Ne
Неон

311

Na
Натрий

12

Mg
Магний

13

Al
Алюминий

14

Si
Кремний

15

P
Фосфор

16

S
Сера

17

Cl
Хлор

18

Ar
Аргон

419

K
Калий

20

Ca
Кальций

21

Sc
Скандий

22

Ti
Титан

23

V
Ванадий

24

Cr
Хром

25

Mn
Марганец

26

Fe
Железо

27

Co
Кобальт

28

Ni
Никель

29

Cu
Медь

30

Zn
Цинк

31

Ga
Галлий

32

Ge
Германий

33

As
Мышьяк

34

Se
Селен

35

Br
Бром

36

Kr
Криптон

537

Rb
Рубидий

38

Sr
Стронций

39

Y
Иттрий

40

Zr
Цирконий

41

Nb
Ниобий

42

Mo
Молибден

(43)

Tc
Технеций

44

Ru
Рутений

45

Rh
Родий

46

Pd
Палладий

47

Ag
Серебро

48

Cd
Кадмий

49

In
Индий

50

Sn
Олово

51

Sb
Сурьма

52

Te
Теллур

53

I
Иод

54

Xe
Ксенон

655

Cs
Цезий

56

Ba
Барий

*72

Hf
Гафний

73

Ta
Тантал

74

W
Вольфрам

75

Re
Рений

76

Os
Осмий

77

Ir
Иридий

78

Pt
Платина

79

Au
Золото

80

Hg
Ртуть

81

Tl
Таллий

82

Pb
Свинец

83

Bi
Висмут

(84)

Po
Полоний

(85)

At
Астат

86

Rn
Радон

787

Fr
Франций

88

Ra
Радий

**(104)

Rf
Резерфордий

(105)

Db
Дубний

(106)

Sg
Сиборгий

(107)

Bh
Борий

(108)

Hs
Хассий

(109)

Mt
Мейтнерий

(110)

Ds
Дармштадтий

(111)

Rg
Рентгений

(112)

Cp
Коперниций

(113)

Uut
Унунтрий

(114)

Uuq
Унунквадий

(115)

Uup
Унунпентий

(116)

Uuh
Унунгексий

(117)

Uus
Унунсептий

(118)

Uuo
Унуноктий

8(119)

Uue
Унуненний

(120)

Ubn
Унбинилий

Лантаноиды *57

La
Лантан

58

Ce
Церий

59

Pr
Празеодим

60

Nd
Неодим

(61)

Pm
Прометий

62

Sm
Самарий

63

Eu
Европий

64

Gd
Гадолиний

65

Tb
Тербий

66

Dy
Диспрозий

67

Ho
Гольмй

68

Er
Эрбий

69

Tm
Тулий

70

Yb
Иттербий

71

Lu
Лютеций

Актиноиды **89

Ac
Актиний

90

Th
Торий

91

Pa
Протактиний

92

U
Уран

(93)

Np
Нептуний

(94)

Pu
Плутоний

(95)

Am
Америций

(96)

Cm
Кюрий

(97)

Bk
Берклий

(98)

Cf
Калифорний

(99)

Es
Эйнштейний

(100)

Fm
Фермий

(101)

Md
Менделевий

(102)

No
Нобелей

(103)

Lr
Лоуренсий


Химические семейства элементов периодической таблицы
Щелочные металлыЩёлочноземельные металлыЛантаноидыАктиноидыПереходные металлы
Лёгкие металлыПолуметаллыНеметаллыГалогеныИнертные газы
 

+7 (812)

Телефоны отделов продаж:

337-18-93 - отдел моющих средств и хозтоваров-многоканальный.
337-18-94 - отдел ветзоотехники и агрохимии
337-18-95 - отдел лабораторной посуды
337-18-96 - отдел химии и спецодежды
337-18-97 - отдел лабораторного оборудования и приборов

Адреса электронной почты:

him_spb@mail.ru
himsnab.53@list.ru

Адрес:

198095, г. Санкт-Петербург, ул. Швецова, дом 23 (Здание ТЭМП)

© 2009 — «ХИМСНАБ»
Все права защищены

Отказ от ответственности



Создание сайта — «Consepto»
Продвижение сайта — «1 Место»