Fakta o Hafnium

Hafnium je lesklý, stříbřitě šedý přechodný kov. Byl objeven v roce 1923 a do periodické tabulky byl přidán další prvek se stabilními jádry (poslední byl rhenium v ​​roce 1925). Hafnium je pojmenováno po latinském slově pro Kodaň: Hafnia. Tento prvek má několik velmi důležitých komerčních aplikací, včetně jeho použití v jaderné energetice, elektronickém vybavení, keramice, žárovkách a při výrobě super-slitin..

Hafnium se v přírodě vyskytuje zřídka zdarma a místo toho se vyskytuje ve většině zirkoniových minerálů v koncentraci až 5 procent. Ve skutečnosti je hafnium chemicky podobné zirkoniu, že oddělení těchto dvou prvků je extrémně obtížné. Většina komerčních hafnia se vyrábí jako vedlejší produkt rafinace zirkonia.

Hafnium je podle Chemicoolu 45. nejhojnějším prvkem na Zemi, který obsahuje asi 3,3 dílu na milion (ppm) zemské kůry. Hafnium je docela odolné vůči korozi kvůli tvorbě oxidového filmu na exponovaných površích. Ve skutečnosti není ovlivněna vodou, vzduchem a všemi zásadami a kyselinami, s výjimkou fluorovodíku.

Podle Jeffersona Labe má karbid hafnia (HfC) nejvyšší bod tání jakékoli známé dvouprvkové sloučeniny při téměř 7 034 stupních Fahrenheita (3 890 stupňů Celsia). Sloučenina hafnium nitrid (HfN) má také vysokou teplotu tání, kolem 5 981 ° F (3 305 ° C). Ze sloučenin tří prvků má smíšený karbid wolframu a hafnia jediný nejvyšší bod tání jakékoli známé sloučeniny při 7,457 ° F (4,125 ° C), podle Chemistry World. Některé další sloučeniny hafnia zahrnují fluorid hafnia (HfF₄) chlorid hafnia (HfCl₄) a oxid hafnia (HfO₂).

Jen fakta

• Atomové číslo (počet protonů v jádru): 72
• Atomový symbol (v periodické tabulce prvků): Hf
• Atomová hmotnost (průměrná hmotnost atomu): 178,49
• Hustota: 13,3 gramů na krychlový centimetr
• Fáze při pokojové teplotě: pevná látka
• Bod tání: 4 051 stupňů Fahrenheita (2 233 stupňů Celsia)
• Bod varu: 8 317 ° F (4 603 ° C)
• Počet izotopů (atomů stejného prvku s různým počtem neutronů): 32, jejichž poločasy jsou známy s hmotnostními čísly 154 až 185
• Nejběžnější izotopy: Hf-174, Hf-176, Hf-177, Hf-178, Hf-179 a Hf-180.

Objev

Podle Chemistry World byla předpovídána přítomnost Hafnia desetiletí před jeho objevem. Prvek se ukázal být docela nepolapitelný, protože bylo téměř nemožné ho chemicky odlišit od mnohem běžnějšího zirkonia.

Hafnium byl stále neznámý, když ruský chemik a vynálezce Dimitri Mendeleev vyvinul v roce 1869 Periodický zákon - předmoderní verzi periodické tabulky prvků. Ve své práci však Mendeleev správně předpověděl, že bude existovat prvek, jehož vlastnosti jsou podobné ale těžší než zirkonium a titan.

V roce 1911 francouzský chemik Georges Urbain, který již objevil lutetium prvku vzácných zemin, věřil, že konečně objevil chybějící prvek 72 - podle Chemicoolu konečně pojmenoval celtium. O několik let později se však jeho objev ukázal jako kombinace již objevených lanthanidů (15 kovových prvků s atomovými čísly 57 až 71 v periodické tabulce).

Stále nebylo jasné, zda chybějící prvek 72 bude přechodným kovem nebo kovem vzácných zemin, protože spadl na hranici mezi těmito dvěma typy prvků v tabulce. Chemici, kteří věřili, že se jedná o prvek vzácných zemin, provedli mnoho neplodných průzkumů mezi minerály obsahujícími vzácné zeminy. Podle Chemistry World.

Nové důkazy z oblasti chemie a fyziky však podporovaly myšlenku, že prvek 72 bude přechodovým prvkem. Vědci například věděli, že prvek 72 klesl v periodické tabulce pod titan a zirkonium a oba tito byli známí jako přechodné prvky. Navíc, dánský fyzik Niels Bohr, jeden ze zakladatelů kvantové teorie, předpověděl, že prvek 72 by byl přechodným kovem založeným na jeho elektronické konfiguraci prvku, podle Chemistry World.

V roce 1921 Bohr povzbudil maďarského chemika Georga von Hevesyho a nizozemského fyzika Dirk Costerto - dvou mladých vědců v jeho ústavu v té době -, aby hledali prvek 72 v zirkoniové rudě. Podle jeho kvantové teorie atomové struktury Bohr věděl, že nový kov bude mít podobnou chemickou strukturu jako zirkonium, takže existuje velká šance, že oba prvky budou nalezeny ve stejných rudách, podle Chemicoolu.

Von Hevesy a Coster vzali Bohrovu radu a pokračovali ve studiu zirkoniové rudy pomocí rentgenové spektroskopie. Podle Chemických a inženýrských zpráv použili Bohrovu teorii, jak elektrony vyplňují skořepiny a skořepiny uvnitř atomů, aby předpovídaly rozdíly mezi rentgenovými spektry dvou prvků. Tato metoda nakonec vedla k objevu hafnia v roce 1923. Objev byl jednou z pouhých šesti mezer v periodické tabulce. Pojmenovali nový prvek po Bohrově rodném městě v Kodani (Hafniav latině).

Použití

Hafnium je pozoruhodně odolný proti korozi a je vynikajícím absorbérem neutronů, což umožňuje jeho použití v jaderných ponorkách a řídících tyčích jaderného reaktoru, což je kritická technologie používaná k udržování štěpných reakcí. Řídicí tyče udržují štěpnou řetězovou reakci aktivní, ale také jí brání v akceleraci mimo kontrolu.

Hafnium se používá v elektronických zařízeních, jako jsou katody a kondenzátory, jakož i v keramice, fotografických zářivkách a žárovkách. Podle Jeffersona Labe se používá ve vakuových zkumavkách jako getr, látka, která se zkumavek kombinuje a odstraňuje z trubic stopové plyny. Hafnium se běžně leguje s jinými kovy, jako je titan, železo, niob a tantal. Například žáruvzdorné slitiny hafnia-nobium se používají v leteckých aplikacích, jako jsou kosmické raketové motory.

Složený karbid hafnia má nejvyšší bod tání jakékoli sloučeniny sestávající pouze ze dvou prvků, což umožňuje použití pro vedení vysokoteplotních pecí a pecí podle Chemicoolu.

Kdo ví?

• Hafnium je pyroforické (spontánní vznícení) v práškové formě.
• Anglický chemik Henry Moseley byl vědec, který si uvědomil, že prvek „celtium“ Georges Urbain nebyl skutečným prvkem umístěným pod zirkoniem. Bohužel, první světová válka přerušila důležitý výzkum tohoto mladého vědce. Moseley byl poslušně zařazen do královských inženýrů britské armády a byl zabit ostřelovačem v roce 1915. Jeho smrt vedla Anglii k zavedení nové politiky zakazující prominentním vědcům účastnit se bojů.
• V roce 1925 přišli s výrobou vysoce čistého hafnia nizozemští chemici Anton Eduard van Arkel a Jan Hendrik de Boer. K tomu vědci podle Chemicoolu rozložili hafniumtrojodid na horký wolframový drát, což mělo za následek krystalickou tyč čistého hafnia. Tato metoda se nazývá krystalový sloupec.
• Jaderný izomer hafnia byl dlouho diskutován jako potenciální zbraň. V Hafnium Controversy vědci debatují o tom, zda je prvek schopen spustit rychlé uvolnění energie.
• Přestože je zirkonium chemicky velmi podobné hafniu, na rozdíl od hafnia je velmi špatné absorbovat neutrony. Proto se zirkonium používá ve vnější vrstvě palivových tyčí, kde je důležité, aby neutrony mohly snadno cestovat.

Seznamování vrstev Země s hafiem

V nedávné studii mezinárodní tým vědců dokázal potvrdit, že první zemská kůra se vytvořila asi před 4,5 miliardami let, díky jejich chemické analýze hafnia ve vzácném meteoritu. Vědci se domnívají, že meteorit pochází z asteroidu Vesta po velkém dopadu, který poslal na Zemi fragmenty hornin. Podle vědců jsou meteority kousky původních materiálů, které tvořily všechny planety. Pro studii změřili poměr izotopů hafnium-176 a hafnium-177 v meteoritu. To jim poskytlo výchozí bod pro složení Země. Výsledky porovnali s nejstaršími horninami na Zemi, což v podstatě potvrdilo, že na povrchu Země se kolem 4,5 miliardy let vytvořila kůra. Jejich nálezy jsou publikovány ve sborníku Národní akademie věd (PNAS).