General
el hafnio es un elemento químico con el símbolo Hf y el número atómico 72. Lleva el nombre del nombre latino de la ciudad de Copenhague, Hafniain que el elemento fue descubierto. Es un metal de Transición gris plateado, brillante y resistente a la corrosión que se encuentra en el 4º subgrupo (Grupo 4) o grupo de titanio en la Tabla periódica.,
el hafnio tiene propiedades muy similares al circonio directamente sobre él en la Tabla periódica. No se conocen las funciones biológicas, no ocurre normalmente en el organismo humano y no es tóxico.
el hafnio fue uno de los últimos elementos estables en la Tabla periódica en ser descubierto. La primera indicación de la existencia de otro elemento entre el lutecio y el tantalio surgió de la Ley de Moseley encontrada en 1912., En 1914, Henry Moseley intentó encontrar el Elemento desconocido pero esperado con el número atómico 72 de acuerdo con esta ley en muestras de minerales de tierras raras (hoy en día lantánidos). Pero no tuvo éxito.
en su trabajo sobre teoría atómica publicado en 1922, Niels Bohr predijo que la serie de lantánidos con lutecio llegaría a su fin y que el elemento 72 por lo tanto debe ser similar al circonio. El hafnio pudo detectarse solo un año después: en 1923, Dirk Coster y George de Hevesy lo descubrieron en Copenhague utilizando espectroscopia de rayos X en circonio Noruego., La investigación adicional de otros minerales mostró que el hafnio siempre está contenido en minerales que contienen circonio. Jantzen y Hevesy lograron separarlos del circonio cristalizando repetidamente los fluoruros de diamonio y dipotasio de los dos elementos. El hafnio Elemental podría entonces obtenerse por reducción con sodio.
ocurrencia
Hafnio, con un contenido de 4,9 ppm en la corteza continental, es un elemento que no es muy común en la tierra., En términos de frecuencia, es comparable a los elementos bromo y cesio y más común que el oro y el mercurio conocidos desde hace mucho tiempo. El hafnio no se produce de forma natural ni en sus propios minerales. Los minerales de circonio como el circón y la baddeleyita, por otro lado, siempre contienen hafnio; la cantidad de hafnio es generalmente el 2% del contenido de circonio (1-5 por ciento en peso de hafnio). Uno de los pocos minerales que contiene más hafnio que circonio es la variedad de circón Alvit .,
análogo al circonio, los depósitos de hafnio más importantes son los depósitos de circonio en Australia y Sudáfrica. Las reservas se estiman en 1,1 millones de toneladas (calculadas como óxido de hafnio).
Extracción y presentación
con el fin De obtener el hafnio, se debe separar el circonio. Esto no es posible durante el proceso de fabricación, pero tiene lugar en un proceso separado. Para la separación se utilizan procesos de extracción., Se utiliza la solubilidad diferente de ciertas sales de circonio y hafnio en disolventes especiales. Ejemplos de esto son las diferentes solubilidades de nitratos en fosfato de tri-n-butilo y la de tiocianatos en metil isobutil cetona. Otras opciones posibles de separación son los intercambiadores de iones y la destilación fraccionada de compuestos adecuados.
después del proceso Kroll, el hafnio separado puede convertirse primero en cloruro de hafnio (IV) y luego reducirse a hafnio elemental con sodio o magnesio.,
si se requiere un hafnio aún más puro, se puede usar el proceso Van Arkel de Boer. Durante el calentamiento al vacío, el hafnio reacciona inicialmente con el yodo para formar yoduro de hafnio (IV). Esto se descompone de nuevo en hafnio y yodo en un alambre caliente.
Hafnio sólo se produce en pequeñas cantidades en una escala de 100 toneladas., No se produce internamente, pero es un subproducto de la extracción de circonio libre de hafnio para barras de combustible.
Propiedades
Propiedades Físicas
la estructura de Cristal de α-Hf, a = 320 pm,c = 505 pm
el Hafnio es un plateado, brillante heavy metal de alta densidad (13,31 g / cm3). Cristaliza en dos modificaciones diferentes dependiendo de la temperatura., En condiciones normales se cristaliza en un empaque hexagonal de esferas (α-Hf) y por lo tanto es isotípico a α-Zr, por encima de 1775 ° C cambia a una estructura cúbica centrada en el cuerpo (β-Hf).
si la pureza del hafnio es alta, es relativamente suave y flexible. Es fácil de trabajar rodando, forjando y martillando. Si, por otro lado, hay rastros de oxígeno, nitrógeno o carbono en el material, se vuelve frágil y difícil de procesar., Los puntos de fusión y ebullición del hafnio son los más altos del grupo a 2227 ° C y 4450 ° c (punto de fusión: titanio: 1667 ° C, circonio: 1857 ° C).
en casi todas las demás propiedades, el metal se asemeja a su homólogo más ligero zirconio. Esto es causado por la contracción de lantánido, que causa radios atómicos e iónicos similares (radios atómicos Zr: 159 pm, Hf: 156 pm). Una excepción es la densidad del circonio con 6,5 g / cm3 tiene un valor significativamente menor. Una diferencia técnicamente importante es que el hafnio puede absorber neutrones 600 veces mejor., Esta es la razón por la que el hafnio tiene que ser separado para el uso de circonio en plantas de energía nuclear.
el hafnio es superconductor por debajo de la temperatura de transición de 0,08 K.
propiedades químicas
el hafnio es un metal base que reacciona con el oxígeno para formar dióxido de hafnio cuando se calienta. Otros no metales, como el nitrógeno, el carbono, el boro y el silicio, también forman compuestos en estas Condiciones., Una capa densa de óxido se forma rápidamente a temperatura ambiente, lo que apacigua el metal y lo protege de una mayor oxidación.
el hafnio es estable en la mayoría de los ácidos debido a su pasivación en condiciones normales. Se corroe rápidamente en ácido fluorhídrico; la corrosión notable ocurre en ácido sulfúrico y fosfórico caliente, concentrado. Las mezclas de ácido clorhídrico y ácido nítrico, incluida el agua regia, sólo deben exponerse al hafnio durante un breve período de tiempo, incluso a temperatura ambiente; a 35 ° C, se esperan tasas de eliminación superiores a 3 mm / año., En bases acuosas es resistente hasta una temperatura de aprox. 100 ° C, la eliminación del material suele ser inferior a 0,1 mm / año.
isótopo
hay un total de 35 isótopos y 18 isómeros nucleares de hafnio 153hf a 188hf conocidos. El hafnio Natural es un elemento mixto que consta de un total de seis isótopos diferentes. El isótopo más común es con una frecuencia de 35,08% 180Hf. Sigue a 178Hf con 27,28%, 177Hf con 18,61%, 179hf con 13,62%, 176hf con 5,27% y 174hf con 0,16%., El único isótopo natural es 174hf débilmente radiactivo, es un emisor alfa con una vida media de 2 x 1015 años. Los isótopos 177Hf y 179hf se pueden detectar con la ayuda de la espectroscopia de RMN.
el isómero Central 178 2mcon una vida media de 31 años, el Hf es de larga duración y al mismo tiempo emite una fuerte radiación gamma de 2,45 MeV cuando se desintegra. Esta es la energía más alta que emite un isótopo estable durante un largo período de tiempo. Una posible aplicación es utilizar este isómero central como fuente en láseres potentes., En 1999, Carl Collins descubrió que el isómero podría liberar su energía de un solo golpe cuando se expone a rayos X. Sin embargo, las posibles aplicaciones, como los explosivos, son poco probables.
Uso
Hafnio hoja de residuos industriales
Debido a que es difícil de extraer, hafnio, sólo se utiliza en pequeñas cantidades. La principal área de aplicación es la tecnología nuclear, en la que el hafnio se utiliza como varilla de control para regular la reacción en cadena en los reactores nucleares., El uso de hafnio tiene varias ventajas sobre otras posibles sustancias absorbentes de neutrones. El elemento es muy resistente a la corrosión y la reacción nuclear con los neutrones crea isótopos de hafnio, que también tienen secciones transversales de alta absorción. Debido al alto precio, a menudo solo es adecuado para aplicaciones militares, por ejemplo para reactores en submarinos atómicos.
Hay algunos otros usos., El hafnio reacciona rápidamente con pequeñas cantidades de oxígeno y nitrógeno y, por lo tanto, se puede usar como sustancia captadora para eliminar las cantidades más pequeñas de estas sustancias de los sistemas de vacío ultra alto. Cuando se quema, el metal emite una luz muy brillante. Por lo tanto, es posible utilizar hafnio en lámparas de destello con una eficiencia luminosa particularmente alta. Varios compuestos muy estables y de alta fusión, especialmente nitruro de hafnio y carburo de hafnio, se pueden hacer de los elementos.,
en aleaciones con metales como niobio, tantalio, molibdeno y tungsteno, una adición de 2% de hafnio aumenta la resistencia. Se crean materiales especialmente estables, de alta fusión y resistentes al calor.
instrucciones de seguridad
al igual que muchos otros metales, el hafnio es altamente inflamable y pirofórico en su estado finamente dividido. En contraste, no es inflamable cuando es compacto. El metal no es tóxico. Por estas razones, no es necesario observar ninguna norma especial de seguridad al manipular hafnio.,
Conexiones
Hafnio forma un número de compuestos. Estos son en su mayoría sales o cristales mixtos y a menudo tienen altos puntos de fusión. El estado de oxidación más importante del hafnio es + IV, pero se conocen compuestos en estados de oxidación más bajos, de 0 a + III, y en complejos también se conocen estados de oxidación negativos.
óxido de hafnio (IV)
el óxido de hafnio (IV) es un sólido muy estable y de alta fusión. Tiene una alta permitividad relativa de 25 (para comparación: dióxido de silicio: 3,9)., Por lo tanto, se puede utilizar como un dieléctrico de alta k para aislar la conexión de control (puerta) para microprocesadores. Al reducir aún más los anchos de la estructura, las corrientes de fuga se están convirtiendo en un problema cada vez mayor, porque la miniaturización de las estructuras CMOS también requiere un aislamiento de compuerta más delgado. La corriente de fuga no deseada aumenta bruscamente por debajo de 2 nm debido al efecto túnel. Mediante el uso de un dieléctrico de alta k, el espesor del dieléctrico se puede aumentar de nuevo para reducir la corriente de fuga sin que el transistor tenga una pérdida de rendimiento (reducción en la velocidad de conmutación)., Por lo tanto, los dieléctricos más gruesos permiten una mayor miniaturización.
Otros compuestos de hafnio
carburo de Hafnio es una de las sustancias con los más altos puntos de fusión. Junto con el nitruro de hafnio y el boruro de hafnio, pertenece a los materiales duros.
hay algunos compuestos Halógenos conocidos de hafnio. En el estado de oxidación + IV existen tanto el fluoruro como el cloruro, el bromuro y el yoduro. El cloruro de hafnio (IV) y el yoduro de hafnio (IV) desempeñan un papel en la producción de hafnio., En los estados de oxidación más bajos solo se conocen compuestos de cloro y bromo, y yoduro de hafnio (III).
el hexafluoridohafnato de potasio (IV) K2, así como el hexafluoridohafnato de amonio (IV) (NH4)2 se pueden usar para separar el hafnio del circonio, ya que ambas sales son más solubles que los complejos de circonio correspondientes.,
→ Hf + 2 H2O)
| isotope | NH | t1/2 | ZA | ZE (MeV) | ZP |
|---|---|---|---|---|---|
| 174Hf | 0,162% | 2 · 1015 a | α | 2,495 | 170Yb |
| 175Hf | {Syn.,r
Light- (F)
|
||||
| R and S phrases | R: 17 | ||||
| S: no phrases |
