Fakty na temat hafnu

Hafn to błyszczący, srebrzystoszary metal przejściowy. Odkryty w 1923 roku był przedostatnim pierwiastkiem o stabilnych jądrach, który został dodany do układu okresowego (ostatnim był ren w 1925 roku). Nazwa hafnu pochodzi od łacińskiego słowa oznaczającego Kopenhagę: Hafnia. Pierwiastek ma kilka bardzo ważnych zastosowań komercyjnych, w tym jest stosowany w energetyce jądrowej, sprzęcie elektronicznym, ceramice, żarówkach oraz w produkcji nadstopów..

Hafn rzadko występuje w przyrodzie w postaci wolnej, a zamiast tego występuje w większości minerałów cyrkonu w stężeniu do 5 procent. W rzeczywistości hafn jest tak chemicznie podobny do cyrkonu, że rozdzielenie tych dwóch pierwiastków jest niezwykle trudne. Większość komercyjnego hafnu jest wytwarzana jako produkt uboczny rafinacji cyrkonu.

Według Chemicool hafn jest 45. najbardziej rozpowszechnionym pierwiastkiem na Ziemi, stanowiącym około 3,3 części na milion (ppm) skorupy ziemskiej. Hafn jest dość odporny na korozję ze względu na tworzenie się warstwy tlenku na odsłoniętych powierzchniach. W rzeczywistości nie ma na nie wpływu woda, powietrze ani wszystkie zasady i kwasy z wyjątkiem fluorowodoru.

Według Jefferson Lab, węglik hafnu (HfC) ma najwyższą temperaturę topnienia spośród wszystkich znanych związków dwuskładnikowych wynoszącą prawie 7034 stopni Fahrenheita (3890 stopni Celsjusza). Związek azotku hafnu (HfN) ma również wysoką temperaturę topnienia, około 5 981 stopni F (3 305 stopni C). Spośród związków trzech pierwiastków mieszany węglik wolframu i hafnu ma najwyższą temperaturę topnienia spośród wszystkich znanych związków, wynoszącą 7,457 stopni F (4125 stopni C), według Chemistry World. Niektóre inne związki hafnu obejmują fluorek hafnu (HfF₄) chlorek hafnu (HfCl₄) i tlenek hafnu (HfO₂).

Tylko fakty

• Liczba atomowa (liczba protonów w jądrze): 72
• Symbol atomowy (w układzie okresowym pierwiastków): Hf
• Masa atomowa (średnia masa atomu): 178,49
• Gęstość: 13,3 grama na centymetr sześcienny
• Faza w temperaturze pokojowej: Ciało stałe
• Temperatura topnienia: 4,051 stopni Fahrenheita (2233 stopni Celsjusza)
• Temperatura wrzenia: 8,317 stopni F (4,603 stopni C)
• Liczba izotopów (atomy tego samego pierwiastka z różną liczbą neutronów): 32, których okresy półtrwania są znane z liczbami masowymi od 154 do 185
• Najpopularniejsze izotopy: Hf-174, Hf-176, Hf-177, Hf-178, Hf-179 i Hf-180.

Odkrycie

Według Chemistry World obecność hafnu była przewidywana dziesiątki lat przed jego odkryciem. Pierwiastek okazał się dość nieuchwytny, ponieważ prawie niemożliwe było odróżnienie go chemicznie od znacznie bardziej powszechnego cyrkonu.

Hafn był nadal nieznany, gdy rosyjski chemik i wynalazca Dimitri Mendelejew opracował w 1869 r. Prawo okresowe - przednowoczesną wersję układu okresowego pierwiastków. Jednak w swojej pracy Mendelejew poprawnie przewidział, że będzie pierwiastek o podobnych właściwościach. ale cięższe niż cyrkon i tytan.

W 1911 r. Francuski chemik Georges Urbain, który już odkrył lutetium, pierwiastek ziem rzadkich, uważał, że w końcu odkrył brakujący pierwiastek 72 - który, jak podaje Chemicool, nazwał celtium. Jednak kilka lat później okazało się, że jego odkrycie jest połączeniem już odkrytych lantanowców (15 pierwiastków metalicznych o liczbach atomowych od 57 do 71 w układzie okresowym).

Nadal nie było jasne, czy brakujący pierwiastek 72 będzie metalem przejściowym, czy metalem ziem rzadkich, ponieważ spadł na granicy między tymi dwoma typami pierwiastków w tabeli. Chemicy, którzy wierzyli, że będzie to pierwiastek ziem rzadkich, przeprowadzili wiele bezowocnych poszukiwań wśród minerałów zawierających metale ziem rzadkich, według Chemistry World.

Jednak nowe dowody pochodzące zarówno z dziedziny chemii, jak i fizyki potwierdziły pomysł, że pierwiastek 72 byłby elementem przejściowym. Na przykład naukowcy wiedzieli, że pierwiastek 72 znajduje się poniżej poziomu tytanu i cyrkonu w układzie okresowym i oba te elementy były znanymi pierwiastkami przejściowymi. Ponadto duński fizyk Niels Bohr, jeden z twórców teorii kwantowej, przewidział, że pierwiastek 72 będzie metalem przejściowym na podstawie jego konfiguracji elektronicznej dla tego pierwiastka, według Chemistry World.

W 1921 roku Bohr zachęcił węgierskiego chemika Georga von Hevesy'ego i holenderskiego fizyka Dirka Costerto - dwóch młodych badaczy z jego ówczesnego instytutu - do poszukiwania pierwiastka 72 w rudzie cyrkonu. Opierając się na swojej kwantowej teorii budowy atomu, Bohr wiedział, że nowy metal będzie miał podobną strukturę chemiczną do cyrkonu, więc istniała duża szansa, że ​​te dwa pierwiastki zostaną znalezione w tych samych rudach, według Chemicool.

Von Hevesy i Coster posłuchali rady Bohra i przystąpili do badania rudy cyrkonu za pomocą spektroskopii rentgenowskiej. Według Chemical and Engineering News, wykorzystali teorię Bohra o tym, jak elektrony wypełniają powłoki i podpowłoki w atomach, aby przewidzieć różnice między widmami rentgenowskimi dwóch pierwiastków. Ta metoda ostatecznie doprowadziła do odkrycia hafnu w 1923 roku. Odkrycie to było jedną z sześciu pozostałych luk w układzie okresowym. Nazwali nowy element na cześć rodzinnego miasta Bohra, Kopenhagi (Hafniapo łacinie).

Używa

Hafn jest niezwykle odporny na korozję i doskonale pochłania neutrony, dzięki czemu można go stosować w atomowych okrętach podwodnych i prętach kontrolnych reaktorów jądrowych, krytycznej technologii wykorzystywanej do podtrzymywania reakcji rozszczepienia. Pręty kontrolne utrzymują aktywną reakcję łańcuchową rozszczepienia, ale także zapobiegają jej niekontrolowanemu przyspieszeniu.

Hafn jest używany w sprzęcie elektronicznym, takim jak katody i kondensatory, a także w ceramice, żarówkach fotograficznych i włóknach żarówek. Jest stosowany w lampach próżniowych jako getter, substancja, która łączy się z gazami śladowymi i usuwa z nich, zgodnie z Jefferson Lab. Hafn jest powszechnie stosowany jako stop z innymi metalami, takimi jak tytan, żelazo, niob i tantal. Na przykład żaroodporne stopy hafnu i nobium są używane w zastosowaniach lotniczych, takich jak silniki rakiet kosmicznych.

Według Chemicool związek węglika hafnu ma najwyższą temperaturę topnienia spośród wszystkich związków składających się tylko z dwóch pierwiastków, dzięki czemu można go stosować do wyłożenia pieców wysokotemperaturowych i pieców..

Kto wiedział?

• Hafn jest piroforyczny (zapala się samorzutnie) w postaci proszku.
• Angielski chemik Henry Moseley był naukowcem, który zdał sobie sprawę, że pierwiastek Georgesa Urbaina „celtium” nie jest prawdziwym pierwiastkiem znajdującym się pod cyrkonem. Niestety I wojna światowa przerwała ważne badania tego młodego naukowca. Moseley posłusznie zaciągnął się do Królewskich Inżynierów Armii Brytyjskiej i został zabity przez snajpera w 1915 roku. Jego śmierć skłoniła Anglię do ustanowienia nowej polityki zabraniającej wybitnym naukowcom angażowania się w walkę.
• W 1925 roku holenderscy chemicy Anton Eduard van Arkel i Jan Hendrik de Boer opracowali metodę wytwarzania hafnu o wysokiej czystości. Aby to zrobić, naukowcy rozłożyli tetrajodek hafnu na gorącym drucie wolframowym, uzyskując kryształową kostkę czystego hafnu, jak podaje Chemicool. Ta metoda nazywana jest procesem kryształowego paska.
• Izomer atomowy hafnu od dawna jest przedmiotem dyskusji jako potencjalna broń. W sporze o hafn naukowcy debatują, czy pierwiastek jest w stanie wywołać szybkie uwolnienie energii.
• Chociaż cyrkon jest chemicznie bardzo podobny do hafnu, różni się od hafnu tym, że bardzo słabo absorbuje neutrony. Dlatego cyrkon jest stosowany w zewnętrznej warstwie prętów paliwowych, gdzie ważne jest, aby neutrony mogły swobodnie podróżować.

Datowanie warstw Ziemi za pomocą hafnu

W niedawnych badaniach międzynarodowy zespół naukowców był w stanie potwierdzić, że pierwsza skorupa ziemska powstała około 4,5 miliarda lat temu, dzięki analizie chemicznej hafnu w rzadkim meteorycie. Naukowcy są przekonani, że meteoryt powstał z asteroidy Westa, po dużym uderzeniu, które spowodowało wysłanie fragmentów skał na Ziemię, zgodnie z komunikatem prasowym w Science Daily. Zdaniem naukowców meteoryty to fragmenty oryginalnych materiałów, z których powstały wszystkie planety. Na potrzeby badań zmierzyli stosunek izotopów hafnu-176 do hafnu-177 w meteorycie. To dało im punkt wyjścia dla kompozycji Ziemi. Porównali wyniki z najstarszymi skałami na Ziemi, zasadniczo potwierdzając, że skorupa uformowała się już na powierzchni Ziemi około 4,5 miliarda lat temu. Ich odkrycia zostały opublikowane w Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).