гафний химический элемент в честь чего назван
Гафний
Га́фний / Hafnium (Hf), 72
Га́фний — тяжёлый тугоплавкий серебристо-белый металл, 72 элемент периодической системы.
Содержание
История открытия и происхождение названия
Элемент был открыт в 1923 г.
Гафний искали среди редкоземельных элементов, так как не было выяснено строение 6-го периода системы Д. И. Менделеева. В 1911 г. французский химик Ж. Урбен объявил об открытии нового элемента, названного им кельтием. В действительности он получил смесь, состоящую из иттербия и лютеция и небольшого количества гафния. И только после того, как Н. Бор на основании квантовомеханических расчётов показал, что последним редкоземельным элементом является элемент с номером 71, стало ясно, что гафний — аналог циркония.
Базируясь на выводах Бора, который предсказал его свойства и валентность, в 1923 Дирк Костер и Дьёрдь де Хевеши систематически проанализировали рентгеноспектральным методом норвежские и гренландские цирконы. Совпадение линий рентгенограмм остатков после выщелачивания циркона кипящими растворами кислот с вычисленными по закону Мозли для 72-го элемента позволило исследователям объявить об открытии элемента, который они назвали гафнием в честь города, где было сделано открытие (лат. Hafnia — латинское название Копенгагена). Начавшийся после этого спор о приоритете между Ж. Урбеном, Н. Костером и Д. Хевеши продолжался длительное время. В 1949 г. название элемента «гафний» было утверждено Международной комиссией и принято всюду.
Получение
Среднее содержание гафния в земной коре около 4 г/т. Ввиду отсутствия у гафния собственных минералов и постоянного сопутствия его цирконию, его получают путём переработки циркониевых руд, где он содержится в количестве 2,5 % от веса циркония (циркон содержит 4 % HfO2, бадделеит — 4-6 % HfO2). В мире в год в среднем добывается около 70 тонн гафния, и объёмы его добычи пропорциональны объёмам добычи циркония. Интересна особенность скандиевого минерала — тортвейтита: в нём содержится гафния в процентном отношении гораздо больше, чем циркония, и это обстоятельство очень важно при переработке тортвейтита на скандий и концентрировании гафния из него.
Мировые ресурсы гафния
Мировые ресурсы гафния в пересчете на двуокись гафния несколько превышают 1 миллион тонн. Структура распределения этих ресурсов выглядит приблизительно следующим образом:
Подавляющая часть сырьевой базы гафния в зарубежных странах представлена цирконом прибрежных морских россыпей.
Запасы гафния в России и СНГ, по оценкам независимых специалистов, весьма велики и в этом отношении при развитии гафниевой промышленности Россия способна стать безусловным лидером на мировом рынке гафния. Стоит также, в связи с этим, упомянуть весьма значительные ресурсы гафния на Украине. Основные гафнийсодержащие минералы в России и СНГ представлены лопаритом, цирконом, бадделеитом, редкометалльными щелочными гранитами.
Физические свойства
Гафний обладает высоким сечением захвата тепловых нейтронов — (115 барн у естественной смеси изотопов [3] ), тогда как у его химического аналога, циркония, сечение захвата на 3 порядка меньше, около 2·10 −1 барн. В связи с этим цирконий, используемый для создания реакторных ТВЭЛов, должен быть тщательно очищен от гафния. Один из редких природных изотопов гафния, 174 Hf, проявляет слабую альфа-активность (период полураспада 2·10 15 лет).
Химические свойства
Гафний, как и тантал, достаточно инертный материал из-за образования тонкой пассивной плёнки оксидов на поверхности. В целом, химическая стойкость гафния гораздо больше, чем у его аналога — циркония.
Лучшим растворителем гафния является фтороводородная кислота (HF), или смесь фтороводородной и азотной кислот, а также царская водка.
При высоких температурах (свыше 1000 К) гафний окисляется на воздухе, а в кислороде сгорает. Реагирует с галогенами. По стойкости к кислотам подобен стеклу. Также как и цирконий, обладает гидрофобными свойствами (не смачивается водой).
Важнейшие химические соединения
Соединения двухвалентного гафния
Соединения трёхвалентного гафния
Соединения четырёхвалентного гафния
Применение
Основные области применения металлического гафния — производство сплавов для аэрокосмической техники, атомная промышленность, специальная оптика.
Перспективные области применения
Мирное применение этого ядерного изотопа интересно тем, что он может быть использован как мощный источник гамма-лучей, допускающий регулировку дозы излучения (дефектоскопия), источник энергии для транспорта, очень ёмкий аккумулятор энергии (1 килограмм примерно эквивалентен 4,35 тонны бензина).
Основной проблемой использования гафния-178m2 является трудность наработки этого ядерного изомера. В то же время он является обычным продуктом (отходом) атомной электростанции (отработанные поглотительные гафниевые стержни). Эксплуатация так называемого «гафниевого цикла» и расширение сектора применения гафния будет возрастать по мере увеличения использования гафния для регулировки реакторов. По мере накопления изомера в странах с развитой атомной промышленностью произойдет и становление «гафниевой энергетики».
Гафний
| Га́фний / Hafnium (Hf) | |
|---|---|
| Атомный номер | 72 |
| Внешний вид | серебристый ковкий металл |
| Свойства атома | |
| Атомная масса (молярная масса) | 178,49 а. е. м. (г/моль) |
| Радиус атома | 167 пм |
| Энергия ионизации (первый электрон) | 575,2 (5,96) кДж/моль (эВ) |
| Электронная конфигурация | [Xe] 4f 14 5d 2 6s 2 |
| Химические свойства | |
| Ковалентный радиус | 144 пм |
| Радиус иона | (+4e) 78 пм |
| Электроотрицательность (по Полингу) | 1,3 |
| Электродный потенциал | 0 |
| Степени окисления | 4 |
| Термодинамические свойства | |
| Плотность | 13,31 г/см³ |
| Удельная теплоёмкость | 0,146 Дж/(K·моль) |
| Теплопроводность | 23,0 Вт/(м·K) |
| Температура плавления | 2 503 K |
| Теплота плавления | (25,1) кДж/моль |
| Температура кипения | 5 470 K |
| Теплота испарения | 575 кДж/моль |
| Молярный объём | 13,6 см³/моль |
| Кристаллическая решётка | |
| Структура решётки | гексагональная |
| Период решётки | 3,200 Å |
| Отношение c/a | 1,582 |
| Температура Дебая | n/a K |
Содержание
История открытия и происхождение названия
Открыт в 1923 г. Гафний искали среди редкоземельных элементов, так как не было выяснено строение 6-го периода системы Д. И. Менделеева. В 1911 г. французский химик Ж. Урбен объявил об открытии нового элемента, названного им кельтием. В действительности он получил смесь, состоящую из иттербия и лютеция и небольшого количества гафния. И только после того, как Н. Бор на основании квантовомеханических расчётов показал, что последним редкоземельным элементом является элемент с номером 71, стало ясно, что гафний — аналог циркония. Базируясь на выводах Бора, который предсказал его свойства и валентность, в 1923 Дик Костер и Дьёрдь Хевеши систематически проанализировали рентгеноспектральным методом норвежские и гренландские цирконы. Совпадение линий рентгенограмм остатков после выщелачивания циркона кипящими растворами кислот с вычисленными по закону Мозли для 72-го элемента позволило исследователям объявить об открытии элемента, который они назвали гафнием в честь города, где было сделано открытие (Hafnia — латинское название Копенгагена). Начавшийся после этого спор о приоритете между Ж. Урбеном, Н. Костером и Д. Хевеши продолжался длительное время. В 1949 г. название элемента «гафний» было утверждено Международной комиссией и принято всюду.
Получение
Ввиду отсутствия у гафния собственных минералов и постоянного сопутствия его цирконию, его получение производят путем переработки циркониевых руд (где он содержится в виде примеси 2,5 % от веса циркония). В мире в год в среднем добывается около 70 тонн гафния, и объёмы его добычи пропорциональны объёмам добычи циркония. Интересна особенность скандиевого минерала — тортвейтита : в нём содержится гафния в процентном отношении гораздо больше, чем циркония, и это обстоятельство очень важно при переработке тортвейтита на скандий и концентрировании гафния из него.
Мировые ресурсы гафния
Подавляющая часть сырьевой базы гафния в зарубежных странах представлена цирконом прибрежных морских россыпей.
Физические свойства
Химические свойства
Гафний, как и тантал, достаточно инертный материал из-за образования тонкой пассивной пленки оксидов на поверхности. В целом химическая стойкость гафния гораздо большая, чем у его аналога — циркония.
Лучшим растворителем гафния является плавиковая кислота (HF), или смесь плавиковой и азотной кислот, а также царская водка.
При высоких температурах (свыше 1000 К) гафний окисляется на воздухе, а в кислороде сгорает. Реагирует с галогенами. По стойкости к кислотам подобен стеклу, и, кроме того, как и цирконий, гидрофобен (не смачивается водой).
Применение
К:Наука:Статьи без источников (страна: )
Основные области применения металлического гафния — производство сплавов для аэрокосмической техники, атомная промышленность, специальная оптика.
Перспективные области применения
Основной проблемой использования гафния-178m2 является трудность наработки этого ядерного изомера. В то же время он является обычным продуктом (отходом) атомной электростанции (отработаные поглотительные гафниевые стержни). Эксплуатация так называемого «гафниевого цикла» и расширение сектора применения гафния будет возрастать по мере увеличения использования гафния для регулировки реакторов. По мере накопления изомера в странах с развитой атомной промышленностью произойдет и становление «гафниевой энергетики».
Ссылки
bs:Hafnijum ca:Hafni co:Afniu cs:Hafnium da:Hafnium de:Hafnium en:Hafnium eo:Hafnio es:Hafnio et:Hafnium fi:Hafnium fr:Hafnium gl:Hafnio (elemento) he:הפניום hr:Hafnij hu:Hafnium id:Hafnium io:Hafnio is:Hafnín it:Afnio ja:ハフニウム jbo:jinmrxafni ko:하프늄 ku:Hafniyûm la:Hafnium lb:Hafnium lt:Hafnis lv:Hafnijs nl:Hafnium nn:Hafnium no:Hafnium pl:Hafn pt:Háfnio sh:Hafnijum simple:Hafnium sk:Hafnium sl:Hafnij sr:Хафнијум sv:Hafnium th:แฮฟเนียม uk:Гафній zh:铪
Гафний – стратегический металл со светлым будущим
Биологического значения для человека этот элемент не имеет. Однако без него невозможно создание космической техники, компьютеров, оптики. Гафний признан стратегическим материалом.
Что представляет собой
Гафний – это элемент №72 таблицы Менделеева.
В чистом виде – блестящий белый с серебристостью металл. В порошке – серый до черноты, матовый.
Его особенность – модификация кристаллической решетки:
Выявлено три десятка изотопов вещества. Шесть из них природные: пять стабильных плюс один радиоактивный. Однако период его полураспада – два квадриллиона (1015) лет.
Международное обозначение химического элемента – Hf (Hafnium).
Как был открыт и назван
То, что гафний существует как химический элемент, утверждал еще Менделеев в 1870 году.
Догадка подтвердилась спустя полвека, к 1923 году:
В середине ХХ века название элемента закрепилось решением IUPAC (Международного союза теоретической и прикладной химии).
Как представлен в природе
Месторождений руд гафния на планете не обнаружено.
Он представлен двумя видами:
Доля гафния в них исчисляется единичными процентами.
Глобальные резервы чистого металла оцениваются 600 тысячами тонн.
Месторождения, добыча и получение
Мировые ресурсы гафния распределены по следующим странам (%):
Запасы выявлены и у России.
Тонна земной коры содержит 4 грамма гафния.
Ежегодный глобальный объем добычи – 68-69 тонн.
Он – постоянный « сосед » циркония, добывается переработкой циркониевого сырья. Гафния не более трех процентов, поэтому руду обогащают.
Далее выделяют гафний. Процесс получения технологически сложен, трудоемок, затратен.
Физико-химические характеристики
На практике интерес представляют следующие характеристики металла:
Кубик из гафния с ребром 1 см весит 13,09 грамма.
Зависимость теплоемкости элемента от температуры ученые объяснить не могут: она не подчиняется известным физическим законам.
| Свойства атома | |
|---|---|
| Название, символ, номер | Га́фний / Hafnium (Hf), 72 |
| Атомная масса (молярная масса) | 178,49(2) а. е. м. (г/моль) |
| Электронная конфигурация | [Xe]4f14 5d2 6s2 |
| Радиус атома | 167 пм |
| Химические свойства | |
| Ковалентный радиус | 144 пм |
| Радиус иона | (+4e) 78 пм |
| Электроотрицательность | 1,3 (шкала Полинга) |
| Электродный потенциал | 0 |
| Степени окисления | 0, 2, 3, 4 |
| Энергия ионизации (первый электрон) | 575,2 (5,96) кДж/моль (эВ) |
| Термодинамические свойства простого вещества | |
| Плотность (при н. у.) | 13,31 г/см³ |
| Температура плавления | 2506 K (2233 °C, 4051 °F) |
| Температура кипения | 4876 K (4603 °C, 8317 °F) |
| Уд. теплота плавления | 25,1 кДж/моль |
| Уд. теплота испарения | 575 кДж/моль |
| Молярная теплоёмкость | 25,7 Дж/(K·моль) |
| Молярный объём | 13,6 см³/моль |
| Кристаллическая решётка простого вещества | |
| Структура решётки | гексагональная |
| Параметры решётки | a=3,196 нм; c=5,051 нм |
| Отношение c/a | 1,580 |
| Прочие характеристики | |
| Теплопроводность | (300 K) 23,0 Вт/(м·К) |
| Номер CAS | 7440-58-6 |
Это аналог циркония (например, не смачивается водой), но отличия существенны:
Последнее свойство делает элемент желанным для атомщиков.
Топливные стержни атомных объектов делают из циркония, регулирующие – из гафния.
Где и как используется
Для практических целей применяются соединения и сплавы гафния.
Применение соединений
Главные сферы применения материала – атомный, космический сегменты, металлургия, специальная оптика:
Самый известный аппарат, детали которого изготовлены из карбида гафния, – американский модуль-луноход.
Двойной борид элемента плюс никель – апробированный композит. Диоксид и силицид используются корпорацией Intel.
Тигель с гафнием
Использование сплавов
Гафний как металл нашел применение в качестве легирующей добавки и полноценного компонента сплавов:
Сплав карбидов тантала и гафния (4:1) – самый тугоплавкий. Микродобавка карбида титана поднимает температуру его плавления еще на 180 единиц, до 4400°С.
Одного процента гафния достаточно, чтобы сплавы алюминия стали сверхпрочными. Попутно повышается стойкость к вибрации, порог прочности при деформации.
Перспективы
Диэлектрики на основе оксида гафния в первой трети века вытеснят из сегмента микроэлектроники оксид кремния.
Чипы станут более емкими. А Кремниевую долину, возможно, переименуют в Гафниевую.
Металл как объект инвестирования
Гафний признан незаменимым в топовых отраслях промышленности.
Малые объемы добычи, трудности производства уравнивают его по ценности с золотом и платиной. Финансисты советуют вкладываться в металл.
Металл признан стратегическим, замены в обозримом будущем не предвидится, вложения надежны.
Конспирология
В разгар «холодной войны» (1960-е годы) прошлого столетия ученые двух супердержав – США и СССР – трудились над созданием «гафниевой бомбы».
Исходили из процессов, используемых производителями лазеров:
Например, в атоме гафния (изотоп Hf176). Вычислили, что грамм такого вещества заменяет 50 кг тротила.
Однако технология оказалась нерентабельной. Создание «супероружия» свернули (по официальной версии).
Стоимость
На российском рынке предлагают купить металл (пруток, слитки, проволоку), порошок, соединения.
Ценятся все виды гафниевого материала. Можно заработать, сдавая отслужившие мониторы, телевизоры, радиодетали.
Гафний
Получение
Мировые ресурсы гафния
Физические свойства
Химические свойства
Важнейшие химические соединения
Соединения двухвалентного гафния
Соединения трёхвалентного гафния
Соединения четырёхвалентного гафния
Применение
Основные области применения металлического гафния — производство сплавов для аэрокосмической техники, атомная промышленность, специальная оптика.
Перспективные области применения
Мирное применение этого ядерного изотопа интересно тем, что он может быть использован как мощный источник гамма-лучей, допускающий регулировку дозы излучения (дефектоскопия), источник энергии для транспорта, очень ёмкий аккумулятор энергии (1 килограмм примерно эквивалентен 4,35 тонны бензина).
Основной проблемой использования гафния-178m2 является трудность наработки этого ядерного изомера. В то же время он является обычным продуктом (отходом) атомной электростанции (отработаные поглотительные гафниевые стержни). Эксплуатация так называемого «гафниевого цикла» и расширение сектора применения гафния будет возрастать по мере увеличения использования гафния для регулировки реакторов. По мере накопления изомера в странах с развитой атомной промышленностью произойдет и становление «гафниевой энергетики».
Разработками так называемой «гафниевой бомбы» на основе изомера 178m2 Hf с 1998 по 2004 год занималось агентство DARPA. Однако, даже использование источников рентгеновского излучения большой мощности не позволило обнаружить эффект индуцированного распада. В 2005 году было показано, что при использовании существующих на сегодняшний день технологий высвобождение избыточной энергии из ядра гафния-178m2 не представляется возможным.
Периодическая система химических элементов Менделеева
Классификация хим. элементов, устанавливающая зависимость различных свойств элементов от заряда атомного ядра. Система является графическим выражением периодического закона/
| IA | IIA | IIIB | IVB | VB | VIB | VIIB | —- | VIIIB | —- | IB | IIB | IIIA | IVA | VA | VIA | VIIA | VIIIA | |
| Период | ||||||||||||||||||
| 1 | 1 H Водород | 2 He Гелий | ||||||||||||||||
| 2 | 3 Li Литий | 4 Be Бериллий | 5 B Бор | 6 C Углерод | 7 N Азот | 8 O Кислород | 9 F Фтор | 10 Ne Неон | ||||||||||
| 3 | 11 Na Натрий | 12 Mg Магний | 13 Al Алюминий | 14 Si Кремний | 15 P Фосфор | 16 S Сера | 17 Cl Хлор | 18 Ar Аргон | ||||||||||
| 4 | 19 K Калий | 20 Ca Кальций | 21 Sc Скандий | 22 Ti Титан | 23 V Ванадий | 24 Cr Хром | 25 Mn Марганец | 26 Fe Железо | 27 Co Кобальт | 28 Ni Никель | 29 Cu Медь | 30 Zn Цинк | 31 Ga Галлий | 32 Ge Германий | 33 As Мышьяк | 34 Se Селен | 35 Br Бром | 36 Kr Криптон |
| 5 | 37 Rb Рубидий | 38 Sr Стронций | 39 Y Иттрий | 40 Zr Цирконий | 41 Nb Ниобий | 42 Mo Молибден | (43) Tc Технеций | 44 Ru Рутений | 45 Rh Родий | 46 Pd Палладий | 47 Ag Серебро | 48 Cd Кадмий | 49 In Индий | 50 Sn Олово | 51 Sb Сурьма | 52 Te Теллур | 53 I Иод | 54 Xe Ксенон |
| 6 | 55 Cs Цезий | 56 Ba Барий | * | 72 Hf Гафний | 73 Ta Тантал | 74 W Вольфрам | 75 Re Рений | 76 Os Осмий | 77 Ir Иридий | 78 Pt Платина | 79 Au Золото | 80 Hg Ртуть | 81 Tl Таллий | 82 Pb Свинец | 83 Bi Висмут | (84) Po Полоний | (85) At Астат | 86 Rn Радон |
| 7 | 87 Fr Франций | 88 Ra Радий | ** | (104) Rf Резерфордий | (105) Db Дубний | (106) Sg Сиборгий | (107) Bh Борий | (108) Hs Хассий | (109) Mt Мейтнерий | (110) Ds Дармштадтий | (111) Rg Рентгений | (112) Cp Коперниций | (113) Uut Унунтрий | (114) Uuq Унунквадий | (115) Uup Унунпентий | (116) Uuh Унунгексий | (117) Uus Унунсептий | (118) Uuo Унуноктий |
| 8 | (119) Uue Унуненний | (120) Ubn Унбинилий | ||||||||||||||||
| Лантаноиды * | 57 La Лантан | 58 Ce Церий | 59 Pr Празеодим | 60 Nd Неодим | (61) Pm Прометий | 62 Sm Самарий | 63 Eu Европий | 64 Gd Гадолиний | 65 Tb Тербий | 66 Dy Диспрозий | 67 Ho Гольмй | 68 Er Эрбий | 69 Tm Тулий | 70 Yb Иттербий | 71 Lu Лютеций | |||
| Актиноиды ** | 89 Ac Актиний | 90 Th Торий | 91 Pa Протактиний | 92 U Уран | (93) Np Нептуний | (94) Pu Плутоний | (95) Am Америций | (96) Cm Кюрий | (97) Bk Берклий | (98) Cf Калифорний | (99) Es Эйнштейний | (100) Fm Фермий | (101) Md Менделевий | (102) No Нобелей | (103) Lr Лоуренсий | |||
| Щелочные металлы | Щёлочноземельные металлы | Лантаноиды | Актиноиды | Переходные металлы |
| Лёгкие металлы | Полуметаллы | Неметаллы | Галогены | Инертные газы |
198095, г.Санкт-Петербург, ул.Швецова, д.23, лит.Б, пом.7-Н, схема проезда