HAFNIYUM: KEŞIF, YAPI, ÖZELLIKLER, KULLANIMLAR, RISKLER - KIMYA - 2025

Hafniyum , kimyasal simgesi Hf dir ve 72 bir atom numarası olan bir geçiş metalidir Bu periyodik sistemin İnci grubunun 4, olduğu türdeş titanyum ve zirkonyum üçüncü elemanıdır. İkincisi ile, yer kabuğunun minerallerinde bir arada bulunan birçok kimyasal özelliği paylaşır.

Hafniyum aramak, zirkonyumun ekstraksiyonunun bir yan ürünü olduğu için nerede olduğuna bakmaktır. Bu metalin adı, zirkon minerallerinde keşfedildiği ve gerçek kimyasal yapısıyla ilgili tartışmaların sona erdiği Kopenhag'ın adı anlamına gelen Latince 'hafnia' kelimesinden geliyor.

Metalik hafniyum örneği. Kaynak: Kimyasal Elementlerin Yüksek Çözünürlüklü Görüntüleri

Hafniyum, genel zekada fark edilmeyen bir metaldir, hatta daha önce çok az insan bunu duymuştur. Bazı kimyasallar arasında bile, kısmen yüksek üretim maliyeti nedeniyle nadir bir elementtir, çünkü uygulamalarının çoğunda zirkonyum herhangi bir sorun olmadan yerini alabilir.

Bu metal, burada Dünya'da keşfedilen en kararlı elementlerin sonuncusu olma özelliğini taşır; Başka bir deyişle, diğer keşifler bir dizi ultra ağır, radyoaktif element ve / veya yapay izotop oluşturdu.

Zirkonyum bileşikler HfCl olarak +4 baskın bir oksidasyon sayısı ile, titanyum ve zirkonyum benzer olan ₄ , HFO ₂ , HFI ₄ ve HFBR ₄ . Bunlardan bazıları, şimdiye kadar yaratılmış en refrakter malzemelerin yanı sıra büyük ısıl dirençli ve aynı zamanda mükemmel nötron soğurucuları olarak işlev gören alaşımların listesinin başında geliyor.

Bu nedenle hafniyum, özellikle basınçlı su reaktörleri ile ilgili olarak nükleer kimyaya çok fazla katılım sağlıyor.

keşif

Geçiş veya nadir toprak metali

Hafniyumun keşfi, Mendeleev'in periyodik tablosu sayesinde 1869'dan beri varlığının önceden tahmin edilmiş olmasına rağmen, tartışmalarla çevriliydi.

Sorun, zirkonyumun altına yerleştirilmiş olmasıydı, ancak nadir toprak elementlerinin aynı dönemine denk geliyordu: lantanoidler. O zamanlar kimyagerler bunun bir geçiş metali mi yoksa nadir bir toprak metali mi olduğunu bilmiyorlardı.

Komşu bir hafniyum metali olan lutesyum keşfi Fransız kimyager Georges Urbain, 1911'de celtium adını verdiği element 72'yi keşfettiğini iddia etti ve bunun nadir bir toprak metali olduğunu ilan etti. Ancak üç yıl sonra, sonuçlarının yanlış olduğu ve yalnızca bir lantanoid karışımını izole ettiği sonucuna varıldı.

Henry Moseley'in 1914'teki çalışması sayesinde, elementler atom numaralarına göre sıralanana kadar, lutesyum ile element 72 arasındaki mahallenin delil haline getirilmesi, Mendeleev'in ikinci elementin bulunduğu zamanki tahminleriyle aynı fikirde oldu. titanyum ve zirkonyum metalleri ile aynı gruptur.

Kopenhag'da tespit

1921'de Niels Bohr'un atomik yapıyla ilgili çalışmalarından ve 72. element için X-ışını emisyon spektrumunu tahmin etmesinden sonra, bu metalin nadir toprak minerallerinde aranması durduruldu; Bunun yerine, araştırmasını zirkonyum minerallerine odakladı, çünkü her iki elementin de çeşitli kimyasal özellikleri paylaşması gerekiyordu.

Danimarkalı kimyager Dirk Coster ve Macar kimyager Georg von Hevesy, 1923'te sonunda Niels Bohr tarafından Norveç ve Grönland'dan gelen zirkon örneklerinde tahmin edilen spektrumu tanımayı başardılar. Kopenhag'da keşfi yaptıktan sonra, bu şehrin Latince adıyla 72 numaralı elementi çağırdılar: daha sonra buradan 'hafniyum' türetildiği hafnia.

İzolasyon ve üretim

Ancak hafniyum atomlarını zirkonyum atomlarından ayırmak kolay bir iş değildi, çünkü boyutları benzer ve aynı şekilde tepki veriyorlar. Hafniyum tetraklorür, HfCl ₄ elde etmek için 1924 yılında bir fraksiyonel yeniden kristalleştirme yöntemi tasarlanmış olmasına rağmen , bunu hafniyum metale indirgeyen Hollandalı kimyagerler Anton Eduard van Arkel ve Jan Hendrik de Boer idi.

Bunun için HfCl ₄ , metalik magnezyum (Kroll işlemi) kullanılarak bir indirgemeye tabi tutuldu:

HfCl ₄ + 2 Mg (1100 ° C) → 2 MgCl ₂ + Hf

Öte yandan hafniyum tetraiodide, HfI _4'ten başlayarak , üzerinde polikristalin bir görünüme sahip bir çubuk üretmek için metalik hafniyum biriktirildiği akkor bir tungsten filaman üzerinde termal ayrışmaya girmek üzere buharlaştırıldı (kristal çubuk veya Arkel-De Boer süreci):

HfI ₄ (1700 ° C) → Hf + 2 I ₂

Hafniyum yapısı

Hafniyum atomları, Hf, titanyum ve zirkonyum metalleri gibi kompakt bir altıgen yapıya (hcp) sahip bir kristalde ortam basıncında bir araya toplanır. Bu hcp hafniyum kristali, vücutta ortalanmış kübik bir yapı olan bcc ile β fazına geçiş yaptığında 2030 K sıcaklığa kadar sabit kalan α fazı haline gelir.

Bu, ısının kristali "gevşettiği" ve bu nedenle Hf atomlarının kendilerini sıkıştırmalarını azaltacak şekilde konumlandırmaya çalıştıkları düşünüldüğünde anlaşılır. Bu iki aşama hafniyumun polimorfizmini değerlendirmek için yeterlidir.

Aynı şekilde, yüksek basınçlara bağlı bir polimorfizm sunar. Α ve β fazları 1 atm basınçta bulunur; fazı, altıgen, ancak sıradan hcp'den bile daha sıkıştırılmış, basınçlar 40 GPa'yı aştığında görünür. İlginç bir şekilde, baskılar artmaya devam ettiğinde, en az yoğun olan β fazı yeniden ortaya çıkar.

Özellikleri

Fiziksel görünüş

Gümüşi beyaz katı, oksit ve nitrür kaplaması varsa koyu tonlar gösterir.

Molar kütle

178,49 g / mol

Erime noktası

2233ºC

Kaynama noktası

4603ºC

Yoğunluk

Oda sıcaklığında: 13,31 g / cm ³ , zirkonyumdan iki kat daha yoğun

Tam erime noktasında: 12 g / cm ³

Füzyon ısısı

27,2 kJ / mol

Buharlaşma ısısı

648 kJ / mol

Elektronegativite

Pauling ölçeğinde 1.3

İyonlaşma enerjileri

İlk: 658,5 kJ / mol (Hf ⁺ gaz)

İkinci: 1440 kJ / mol (Hf ²⁺ gazlı)

Üçüncü: 2250 kJ / mol (Hf ³⁺ gazlı)

Termal iletkenlik

23.0 W / (mK)

Elektriksel direnç

331 nΩ m

Mohs sertliği

5.5

Reaktivite

Metal, 2000 ° C sıcaklıkta kıvılcım çıkararak cilalanmadığı ve yanmadığı sürece, ince bir oksit tabakası onu koruduğu için paslanma veya korozyona karşı hassasiyeti yoktur. Bu anlamda en kararlı metallerden biridir. Aslında, ne güçlü asitler ne de güçlü bazlar onu çözemez; Hidroflorik asit ve onu oksitleyebilen halojenler hariç.

Elektronik konfigürasyon

Hafniyum atomu aşağıdaki elektronik konfigürasyona sahiptir:

4f ¹⁴ 5d ² 6s ²

Bu, periyodik tablonun 4. grubuna, titanyum ve zirkonyum ile birlikte, 5d ve 6s orbitallerinde dört değerlik elektronuna sahip olduğu gerçeğiyle çakışmaktadır. Ayrıca hafniyumun bir lantanoid olamayacağına dikkat edin, çünkü 4f yörüngeleri tamamen dolu.

Oksidasyon numaraları

Aynı elektron konfigürasyonu, bir hafniyum atomunun teorik olarak bir bileşiğin parçası olarak kaç elektron kaybedebileceğini ortaya çıkarır. Dört değerlik elektronunu kaybettiğini varsayarsak, dört değerlikli bir katyon Hf ⁴⁺ (Ti ⁴⁺ ve Zr ^{4+ ile} benzer şekilde ) olarak kalacak ve bu nedenle oksidasyon sayısı +4 olacaktır.

Bu aslında oksidasyon sayılarının en kararlı ve en yaygın olanıdır. Diğer daha az ilgili olanlar: -2 (Hf ^2- ), +1 (Hf ⁺ ), +2 (Hf ²⁺ ) ve +3 (Hf ³⁺ ).

izotopları

Hafniyum, Dünya'da çok uzun ömürlü beş kararlı izotop ve bir radyoaktif olarak oluşur:

- ¹⁷⁴ Hf (% 0,16, ortalama yaşam süresi 2 · 10 ¹⁵ yıl, bu nedenle pratik olarak kararlı kabul edilir)

- ¹⁷⁶ Hf (% 5,26)

- ¹⁷⁷ Hf (% 18.60)

- ¹⁷⁸ Hf (% 27,28)

- ¹⁷⁹ Hf (% 13.62)

- ¹⁸⁰ Hf (% 35.08)

Bol miktarda göze çarpan böyle bir izotop bulunmadığına ve bunun hafniyumun ortalama atom kütlesi olan 178.49 amu'ya yansıtıldığına dikkat edin.

Hafniyumun tüm radyoaktif izotoplarından, doğal olanlarla birlikte toplam ^{34,178 m2 Hf'ye ulaşan} en tartışmalı olanıdır çünkü radyoaktif bozunmasında gama radyasyonu açığa çıkarır, bu nedenle bu atomlar bir savaş silahı olarak kullanılabilir. .

Uygulamalar

Nükleer reaksiyonlar

Hafniyum, neme ve yüksek sıcaklıklara dayanıklı olmasının yanı sıra mükemmel bir nötron emicisi olan bir metaldir. Bu nedenle, basınçlı su reaktörlerinde ve ayrıca kaplamaları ultra saf zirkonyumdan yapılmış nükleer reaktörler için kontrol çubuklarının imalatında kullanılır, çünkü bu, içinden nötronları iletebilmelidir. .

alaşımlar

Hafniyum atomları, farklı alaşımlara yol açmak için diğer metalik kristalleri entegre edebilir. Bunlar, sert ve ısıya dayanıklı olmaları ile karakterize edilirler, bu nedenle roketler için motor nozullarının yapımı gibi alan uygulamaları için tasarlanmıştır.

Öte yandan, bazı alaşımlar ve katı hafniyum bileşiklerinin özel özellikleri vardır; örneğin karbürleri ve nitrürleri, yüksek derecede refrakter malzemeler olan sırasıyla HfC ve HfN. Tantal hafniyum karbür, 4215 ° C erime noktasına sahip Ta ₄ HfC ₅ , şimdiye kadar bilinen en refrakter malzemelerden biridir.

Kataliz

Hafniyum metalosenler, polietilen ve polistiren gibi polimerlerin sentezinde organik katalizör olarak kullanılır.

Riskler

Hf ⁴⁺ iyonlarının vücudumuz üzerinde ne gibi etkileri olabileceği bugüne kadar bilinmemektedir . Öte yandan doğada zirkonyum minerallerinde bulundukları için tuzlarını çevreye salarak ekosistemi değiştirdiklerine inanılmamaktadır.

Bununla birlikte, hafniyum bileşiklerinin, sağlığa zararlı olduklarını kanıtlayan hiçbir tıbbi çalışma olmasa bile, sanki toksikmiş gibi dikkatle kullanılması önerilir.

Hafniyumun gerçek tehlikesi, havadaki oksijenle temas ettiklerinde zar zor yanabilen katılarının ince öğütülmüş parçacıklarında yatmaktadır.

Bu, cilalandığında, yüzeyini kazıyan ve saf metal parçacıklarını serbest bırakan bir eylemin, 2000 ºC'lik bir sıcaklıkta yanan kıvılcımların neden yayıldığını açıklar; yani hafniyum, yangın veya ciddi yanık riski taşıyan tek özellik olan piroforiklik sergiler.

Referanslar

1. Shiver ve Atkins. (2008). İnorganik kimya . (Dördüncü baskı). Mc Graw Hill.
2. Vikipedi. (2020 yılında). Hafniyum. En.wikipedia.org adresinden kurtarıldı
3. Steve Gagnon. (Sf). Hafniyum Elementi. Jefferson Lab Kaynakları. Kurtarılan: education.jlab.org
4. Encyclopaedia Britannica'nın Editörleri. (18 Aralık 2019). Hafniyum. Encyclopædia Britannica. Britannica.com'dan kurtarıldı
5. Doug Stewart. (2020 yılında). Hafniyum Öğesi Gerçekleri. Chemicool.com'dan kurtarıldı
6. Ulusal Biyoteknoloji Bilgi Merkezi. (2020 yılında). Hafniyum. PubChem Veritabanı, AtomicNumber = 72. Kaynak: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
7. K. Pandey vd. (Sf). Hafniyum metalinde yüksek basınç polimorfizminin yeniden incelenmesi. Arxiv.org'dan kurtarıldı
8. Eric Scerri. (1 Eylül 2009). Hafniyum. Elementlerinde Kimya. Chemistryworld.com'dan kurtarıldı