HAFNIUM: PENEMUAN, STRUKTUR, SIFAT, KEGUNAAN, RISIKO - KIMIA - 2025

The hafnium adalah logam peralihan yang kimia simbol adalah Hf dan mempunyai nombor atom 72. Ia merupakan unsur ketiga kumpulan 4 dalam jadual berkala, yang congener titanium dan zirkonium. Dengan yang terakhir ia berkongsi banyak sifat kimia, terletak bersama-sama dalam mineral kerak bumi.

Mencari hafnium mencari di mana zirkonium itu, kerana ia adalah produk sampingan dari pengekstrakannya. Nama logam ini berasal dari kata Latin 'hafnia', yang artinya adalah nama Copenhagen, sebuah kota di mana ia ditemui dalam mineral zirkon dan kontroversi mengenai sifat kimianya yang sebenarnya berakhir.

Sampel logam hafnium. Sumber: Imej Hi-Res Elemen Kimia

Hafnium adalah logam yang tidak disedari oleh akal budi umum, sebenarnya hanya sedikit orang yang pernah mendengarnya sebelum ini. Walaupun di antara sebilangan bahan kimia, ia adalah unsur yang tidak biasa, sebahagiannya disebabkan oleh kos pengeluarannya yang tinggi, kerana di kebanyakan aplikasinya zirkonium dapat menggantikannya tanpa masalah.

Logam ini membawa perbezaan sebagai unsur terakhir yang paling stabil yang terdapat di Bumi; Dengan kata lain, penemuan lain merupakan rangkaian unsur radioaktif dan / atau isotop tiruan yang sangat berat.

Sebatian Hafnium serupa dengan titanium dan zirkonium, dengan bilangan pengoksidaan +4 yang dominan, seperti HfCl ₄ , HfO ₂ , HfI ₄ dan HfBr ₄ . Sebilangan dari mereka menduduki tempat teratas senarai bahan paling tahan api yang pernah dibuat, serta aloi rintangan haba yang hebat dan juga bertindak sebagai penyerap neutron yang sangat baik.

Atas sebab ini, hafnium mempunyai banyak penyertaan dalam kimia nuklear, terutama berkaitan dengan reaktor air bertekanan.

Penemuan

Peralihan atau logam nadir bumi

Penemuan hafnium dikelilingi oleh kontroversi, walaupun kenyataannya keberadaannya telah diramalkan sejak tahun 1869 berkat jadual berkala Mendeleev.

Masalahnya ialah ia berada di bawah zirkonium, tetapi bertepatan pada masa yang sama unsur-unsur nadir bumi: lantanoid. Ahli kimia pada masa itu tidak tahu sama ada logam peralihan atau logam nadir bumi.

Ahli kimia Perancis Georges Urbain, penemu lutetium, logam jiran hafnium, mengaku pada tahun 1911 telah menemui unsur 72, yang disebutnya celtium dan menyatakan bahawa ia adalah logam nadir bumi. Tetapi tiga tahun kemudian disimpulkan bahawa hasilnya salah, dan bahawa dia hanya mengasingkan campuran lantanoid.

Tidak sampai unsur-unsur disusun berdasarkan nombor atomnya, berkat karya Henry Moseley pada tahun 1914, kejiranan antara lutetium dan elemen 72 dijadikan bukti, setuju dengan ramalan Mendeleev ketika elemen terakhir ini berada di kumpulan yang sama dengan logam titanium dan zirkonium.

Pengesanan di Copenhagen

Pada tahun 1921, setelah kajian Niels Bohr mengenai struktur atom dan ramalannya mengenai spektrum pelepasan sinar-X untuk elemen 72, pencarian logam ini dalam mineral nadir bumi dihentikan; Sebagai gantinya, dia memfokuskan pencariannya pada zirkonium mineral, kerana kedua-dua unsur itu mesti mempunyai pelbagai sifat kimia.

Ahli kimia Denmark, Dirk Coster dan ahli kimia Hungary, Georg von Hevesy pada tahun 1923 akhirnya berjaya mengenali spektrum yang diramalkan oleh Niels Bohr dalam sampel zirkon dari Norway dan Greenland. Setelah membuat penemuan di Kopenhagen, mereka menyebut elemen 72 dengan nama Latin kota ini: hafnia, dari mana ia kemudian berasal dari 'hafnium'.

Pengasingan dan pengeluaran

Walau bagaimanapun, bukanlah tugas yang mudah untuk memisahkan atom hafnium dari zirkonium, kerana ukurannya serupa dan mereka bertindak balas dengan cara yang sama. Walaupun kaedah pengkristalanan fraksional telah dirancang pada tahun 1924 untuk mendapatkan hafnium tetraklorida, HfCl ₄ , ahli kimia Belanda Anton Eduard van Arkel dan Jan Hendrik de Boer yang menurunkannya menjadi logam hafnium.

Untuk ini, HfCl ₄ mengalami pengurangan menggunakan magnesium logam (proses Kroll):

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

Sebaliknya, bermula dari hafnium tetraiodida, HfI ₄ , ini diuapkan untuk menjalani penguraian termal pada filamen tungsten pijar, di mana hafnium logam disimpan untuk menghasilkan bar dengan penampilan polikristalin (proses bar kristal atau Proses Arkel- De Boer):

HfI ₄ (1700 ° C) → Hf + 2 I ₂

Struktur Hafnium

Atom hafnium, Hf, berkumpul pada tekanan ambien dalam kristal dengan struktur heksagon ringkas, hcp, seperti halnya logam titanium dan zirkonium. Kristal hafnium hcp ini menjadi fasa αnya, yang tetap berterusan hingga suhu 2030 K, ketika mengalami peralihan ke fasa β, dengan struktur kubik yang berpusat di badan, bcc.

Ini difahami jika dianggap bahawa haba "melonggarkan" kristal dan, oleh itu, atom Hf berusaha untuk meletakkan diri mereka sedemikian rupa sehingga dapat mengurangkan pemadatannya. Kedua fasa ini cukup untuk mempertimbangkan polimorfisme hafnium.

Begitu juga, ia memperlihatkan polimorfisme yang bergantung pada tekanan tinggi. Fasa α dan β wujud pada tekanan 1 atm; sementara fasa ω, heksagon tetapi lebih padat daripada hcp biasa, muncul apabila tekanan melebihi 40 GPa. Menariknya, apabila tekanan terus meningkat, fasa β, yang paling tidak padat, muncul semula.

Hartanah

Penampilan fizikal

Pepejal putih keperakan, yang menunjukkan nada gelap jika mempunyai lapisan oksida dan nitrida.

Jisim molar

178.49 g / mol

Takat lebur

2233 ºC

Takat didih

4603 ºC

Ketumpatan

Pada suhu bilik: 13.31 g / cm ³ , dua kali lebih padat daripada zirkonium

Tepat pada titik lebur: 12 g / cm ³

Panas pelakuran

27.2 kJ / mol

Haba pengewapan

648 kJ / mol

Elektronegativiti

1.3 pada skala Pauling

Tenaga pengionan

Pertama: 658.5 kJ / mol (Hf ⁺ gas)

Kedua: 1440 kJ / mol (Hf ²⁺ gas)

Ketiga: 2250 kJ / mol (Hf ³⁺ gas)

Kekonduksian terma

23.0 W / (mK)

Ketahanan elektrik

331 nΩ m

Mohs kekerasan

5.5

Kereaktifan

Kecuali jika logam digilap dan dibakar, mengeluarkan percikan api pada suhu 2000 ° C, logam tersebut tidak mudah terkena karat atau menghakis, kerana lapisan tipis oksida melindunginya. Dalam pengertian ini, ia adalah salah satu logam yang paling stabil. Sebenarnya, asid kuat dan basa kuat tidak dapat melarutkannya; Dengan pengecualian asid hidrofluorik, dan halogen yang mampu mengoksidakannya.

Konfigurasi elektronik

Atom hafnium mempunyai konfigurasi elektronik berikut:

4f ¹⁴ 5d ² 6s ²

Ini bertepatan dengan kenyataan tergolong dalam kumpulan 4 jadual berkala, bersama dengan titanium dan zirkonium, kerana ia mempunyai empat elektron valensi pada orbital 5d dan 6s. Juga perhatikan bahawa hafnium tidak boleh menjadi lantanoid, kerana orbitnya 4f penuh.

Nombor pengoksidaan

Konfigurasi elektron yang sama menunjukkan berapa banyak elektron atom hafnium yang secara teorinya mampu kehilangan sebagai sebahagian daripada sebatian. Dengan mengandaikan bahawa ia kehilangan empat elektron valensinya, ia akan kekal sebagai kation tetravalen Hf ⁴⁺ (dalam analogi Ti ⁴⁺ dan Zr ⁴⁺ ), dan oleh itu akan mempunyai bilangan pengoksidaan +4.

Ini sebenarnya nombor pengoksidaannya yang paling stabil dan biasa. Lain-lain yang kurang relevan ialah: -2 (Hf ^2- ), +1 (Hf ⁺ ), +2 (Hf ²⁺ ) dan +3 (Hf ³⁺ ).

Isotop

Hafnium berlaku di Bumi sebagai lima isotop stabil dan satu radioaktif dengan jangka hayat yang sangat lama:

- ¹⁷⁴ Hf (0.16%, dengan jangka hayat rata-rata 2 · 10 ¹⁵ tahun, sehingga dianggap stabil)

- ¹⁷⁶ Hf (5.26%)

- ¹⁷⁷ Hf (18.60%)

- ¹⁷⁸ Hf (27.28%)

- ¹⁷⁹ Hf (13.62%)

- ¹⁸⁰ Hf (35.08%)

Perhatikan bahawa tidak ada isotop yang menonjol dalam jumlah banyak, dan ini ditunjukkan dalam jisim atom purata hafnium, 178.49 amu.

Dari semua isotop radioaktif hafnium, yang bersama-sama dengan yang semula jadi bertambah hingga total 34, ^178m2 Hf adalah yang paling kontroversial kerana dalam peluruhan radioaktif ia melepaskan radiasi gamma, sehingga atom-atom ini dapat digunakan sebagai senjata perang .

Permohonan

Tindak balas nuklear

Hafnium adalah logam yang tahan terhadap kelembapan dan suhu tinggi, serta menjadi penyerap neutron yang sangat baik. Atas sebab ini, ia digunakan dalam reaktor air bertekanan, dan juga dalam pembuatan batang kawalan untuk reaktor nuklear, di mana lapisannya terbuat dari zirkonium ultra-murni, kerana ini mesti mampu menyebarkan neutron melaluinya. .

Aloi

Atom Hafnium dapat menyatukan kristal logam lain untuk menghasilkan aloi yang berbeza. Ini dicirikan oleh sifat tahan lasak dan tahan panas, itulah sebabnya ia bertujuan untuk aplikasi ruang, seperti dalam pembinaan muncung mesin untuk roket.

Sebaliknya, sebilangan aloi dan sebatian hafnium padat mempunyai sifat khas; seperti karbida dan nitrida, HfC dan HfN, masing-masing, yang merupakan bahan tahan api yang tinggi. Tantalum hafnium karbida, Ta ₄ HfC ₅ , dengan takat lebur 4215 ° C, adalah salah satu bahan paling tahan api yang pernah diketahui.

Pemangkin

Hafnium metallocenes digunakan sebagai pemangkin organik untuk sintesis polimer seperti polietilena dan polistirena.

Risiko

Tidak diketahui setakat ini apa kesan ion Hf ⁴⁺ pada badan kita . Sebaliknya, kerana mereka terdapat di dalam zirkonium mineral, mereka tidak diyakini mengubah ekosistem dengan melepaskan garamnya ke dalam lingkungan.

Walau bagaimanapun, disarankan untuk menangani sebatian hafnium dengan berhati-hati, seolah-olah ia beracun, walaupun tidak ada kajian perubatan yang membuktikan bahawa ia berbahaya bagi kesihatan.

Bahaya sebenar hafnium terletak pada zarah-zarah pepejal yang halus, yang hampir tidak dapat terbakar ketika mereka bersentuhan dengan oksigen di udara.

Ini menjelaskan mengapa apabila ia digilap, suatu tindakan yang mengikis permukaannya dan melepaskan zarah-zarah logam tulen, percikan api dibebaskan dengan suhu 2000 ºC; iaitu, hafnium memperlihatkan sifat pyrophoricity, satu-satunya harta benda yang membawa risiko kebakaran atau luka bakar serius.

Rujukan

1. Shiver & Atkins. (2008). Kimia bukan organik. (Edisi keempat). Bukit Mc Graw.
2. Wikipedia. (2020). Hafnium. Dipulihkan dari: en.wikipedia.org
3. Steve Gagnon. (sf). Elemen Hafnium. Sumber Makmal Jefferson. Dipulihkan dari: education.jlab.org
4. Pengarang Ensiklopedia Britannica. (18 Disember 2019). Hafnium. Encyclopædia Britannica. Dipulihkan dari: britannica.com
5. Doug Stewart. (2020). Fakta Elemen Hafnium. Dipulihkan dari: chemicool.com
6. Pusat Maklumat Nasional Bioteknologi. (2020). Hafnium. Pangkalan Data PubChem, AtomicNumber = 72. Dipulihkan dari: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
7. K. Pandey et al. (sf). Penyelidikan semula polimorfisme tekanan tinggi pada logam Hafnium. Dipulihkan dari: arxiv.org
8. Eric Scerri. (1 September 2009). Hafnium. Kimia dalam Elemennya. Dipulihkan dari: chemistryworld.com