Fapte despre Hafnium

Hafnium este un metal lustru, de tranziție gri-argintiu. Descoperită în 1923, a fost adăugat în tabelul periodic, elementul următor cu nuclei stabili (ultimul a fost reniu în 1925). Hafnium este numit după cuvântul latin pentru Copenhaga: Hafnia. Elementul are câteva aplicații comerciale foarte importante, inclusiv utilizarea sa în industria energiei nucleare, echipamente electronice, ceramică, becuri și fabricarea de super-aliaje.

Hafnium este rar găsit liber în natură și, în schimb, este prezent în majoritatea mineralelor de zirconiu la o concentrație de până la 5%. De fapt, hafniumul este atât de similar chimic cu zirconiul, încât separarea celor două elemente este extrem de dificilă. Majoritatea hafniului comercial este produs ca un produs secundar de rafinare a zirconiului.

Hafnium este al 45-lea cel mai abundent element de pe Pământ, cuprinzând aproximativ 3,3 părți pe milion (ppm) de crustă a Pământului în greutate, conform Chemicool. Hafnium este destul de rezistent la coroziune din cauza formării unei pelicule de oxid pe suprafețele expuse. De fapt, acesta nu este afectat de apă, aer și de toate alcalinele și acizii, cu excepția fluorurii de hidrogen.

Carbura Hafnium (HfC) are cel mai mare punct de topire al oricărui compus cu două elemente cunoscut la aproape 7.034 grade Fahrenheit (3.890 grade Celsius), potrivit lui Jefferson Lab. Nitura de hafniu compus (HfN) are, de asemenea, un punct de topire ridicat, în jur de 5.981 grade F (3.305 grade C). Dintre compușii cu trei elemente, carbidul mixt de tungsten și hafnium are cel mai mare punct de topire al oricărui compus cunoscut la 7.457 grade F (4.125 grade C), potrivit Chemistry World. Unii alți compuși de hafnium includ fluorura de hafniu (HfF)₄) clorură de hafniu (HfCl₄) și oxid de hafniu (HfO₂).

Doar faptele

• Numărul atomic (numărul protonilor din nucleu): 72
• Simbol atomic (pe tabelul periodic al elementelor): Hf
• Greutatea atomică (masa medie a atomului): 178,49
• Densitate: 13,3 grame pe centimetru cub
• Faza la temperatura camerei: Solid
• Punctul de topire: 4.051 grade Fahrenheit (2.233 grade Celsius)
• Punctul de fierbere: 4.603 grade C
• Număr de izotopi (atomi de același element cu un număr diferit de neutroni): 32 ale căror semivizi sunt cunoscute cu numere de masă 154 - 185
• Cele mai comune izotopi: Hf-174, Hf-176, Hf-177, Hf-178, Hf-179 și Hf-180.

Descoperire

Prezența lui Hafnium a fost prevăzută cu zeci de ani înainte de descoperirea sa, potrivit Chemistry World. Elementul s-a dovedit a fi destul de evaziv, deoarece era aproape imposibil să-l distingem chimic de zirconiul mult mai comun.

Hafnium era încă necunoscut când chimistul și inventatorul rus Dimitri Mendeleev a elaborat Legea periodică - o versiune pre-modernă a tabelului periodic al elementelor - în 1869. Cu toate acestea, în lucrarea sa, Mendeleev a prezis corect că va exista un element ale cărui proprietăți erau similare. până la mai greu decât zirconiul și titanul.

În 1911, chimistul francez Georges Urbain, care descoperise deja elementul de pământ rar lutetiu, a crezut că a descoperit în cele din urmă elementul lipsă 72 - pe care a procedat la denumirea de celtium, potrivit Chemicool. Cu toate acestea, câțiva ani mai târziu, descoperirea sa s-a dovedit a fi o combinație de lantanide deja descoperite (cele 15 elemente metalice cu numere atomice 57 până la 71 din tabelul periodic).

Încă nu se știe dacă elementul lipsă 72 ar fi un metal de tranziție sau un metal de pământ rar, deoarece a căzut la limita dintre aceste două tipuri de elemente din tabel. Chimiștii care au crezut că ar fi un element de pământ rar au efectuat numeroase căutări fără fructe printre minerale care conțin pământuri rare, potrivit Chemistry World.

Cu toate acestea, noi dovezi provenite atât din domeniul chimiei, cât și al fizicii au susținut ideea că elementul 72 va fi un element de tranziție. De exemplu, oamenii de știință știau că elementul 72 a căzut sub titan și zirconiu în tabelul periodic și ambele sunt elemente de tranziție cunoscute. În plus, fizicianul danez Niels Bohr, unul dintre fondatorii teoriei cuantice, a prezis că elementul 72 va fi un metal de tranziție bazat pe configurația sa electronică pentru element, potrivit Chemistry World.

În 1921, Bohr a încurajat chimistul maghiar Georg von Hevesy și fizicianul olandez Dirk Costerto - doi tineri cercetători din institutul său la acea vreme - să caute elementul 72 în minereu de zirconiu. Pe baza teoriei sale cuantice a structurii atomice, Bohr știa că noul metal va avea o structură chimică similară cu zirconiul, așa că există o șansă puternică ca cele două elemente să fie găsite în aceleași minereuri, potrivit Chemicool.

Von Hevesy și Coster au luat sfatul lui Bohr și au procedat la studiul minereului de zirconiu folosind spectroscopie cu raze X. Ei au folosit teoria lui Bohr despre modul în care electronii umplu cochilii și subshells în interiorul atomilor pentru a prezice diferențele dintre spectrele de raze X ale celor două elemente, potrivit Chemical and Engineering News. Această metodă a condus în cele din urmă la descoperirea hafniumului în 1923. Descoperirea a fost una dintre singurele lacune care au rămas apoi în tabelul periodic. Ei au numit noul element după orașul natal al orașului Bohr din Copenhaga (Hafniaîn latină).

utilizări

Hafnium este remarcabil rezistent la coroziune și un excelent absorbant de neutroni, permițând utilizarea sa în submarine nucleare și tije de control ale reactorilor nucleari, o tehnologie critică folosită pentru menținerea reacțiilor de fisiune. Tija de control menține activă reacția lanțului de fisiune, dar, de asemenea, împiedică accelerarea acesteia dincolo de control.

Hafnium este utilizat în echipamente electronice, cum ar fi catoduri și condensatoare, precum și în ceramică, becuri flash pentru fotografii și filamente pentru becuri. Este utilizat în tuburile vidate ca un getter, o substanță care se combină și elimină gazele urme din tuburi, potrivit Jefferson Lab. Hafnium este în mod obișnuit aliat cu alte metale precum titan, fier, niobiu și tantal. De exemplu, aliajele hafniu-nobiu rezistente la căldură sunt utilizate în aplicații aerospațiale, cum ar fi motoarele rachetă spațială.

Carburul de hafnium compus are cel mai înalt punct de topire al oricărui compus format din doar două elemente, permițându-i să fie utilizat pentru alinierea cuptoarelor și cuptoarelor cu temperaturi ridicate, conform Chemicool.

Cine stia?

• Hafnium este piroforic (se aprinde spontan) sub formă de pulbere.
• Chimistul englez Henry Moseley a fost omul de știință care și-a dat seama că elementul „celtium” al lui Georges Urbain nu este adevăratul element situat sub zirconiu. Din păcate, Primul Război Mondial a întrerupt cercetările importante ale acestui tânăr om de știință. Moseley s-a înscris cu atenție în inginerii regali ai armatei britanice și a fost ucis de un lunetist în 1915. Moartea sa a determinat Anglia să stabilească o nouă politică care interzice oamenilor de știință de se mai luptă.
• În 1925, chimistii olandezi Anton Eduard van Arkel și Jan Hendrik de Boer au venit cu o metodă de producere a hafniului de înaltă puritate. Pentru a face acest lucru, oamenii de știință au descompus tetraiodură de hafniu pe un fir de tungsten fierbinte, rezultând o bară de cristal de hafnium pur, potrivit Chemicool. Această metodă se numește proces de bare de cristal.
• Izomerul nuclear al hafniumului a fost dezbatut de mult timp ca o armă potențială. În controversa Hafnium, oamenii de știință dezbat dacă elementul este capabil să declanșeze o eliberare rapidă de energie.
• Deși zirconiul este foarte asemănător din punct de vedere chimic cu al hafniumului, spre deosebire de hafniu, este foarte slab în a absorbi neutronii. Prin urmare, zirconiul este utilizat în stratul exterior al tijelor de combustibil, unde este important ca neutronii să poată călători cu ușurință.

Datând straturile Pământului cu hafniu

Într-un studiu recent, o echipă internațională de cercetători a putut confirma că prima crustă a Pământului s-a format în urmă cu aproximativ 4,5 miliarde de ani, datorită analizei chimice a hafniumului într-un meteorit rar. Cercetătorii consideră că meteoritul a provenit de la asteroidul Vesta, în urma unui impact mare care a trimis fragmente de rocă pe Pământ, se arată în comunicatul de presă al publicației Science Daily. Potrivit cercetătorilor, meteoritele sunt piese din materialele originale care au format toate planetele. Pentru studiu, au măsurat raportul dintre izotopii hafnium-176 și hafnium-177 în meteorit. Acest lucru le-a dat un punct de plecare pentru compoziția Pământului. Au comparat rezultatele cu cele mai vechi roci de pe Pământ, confirmând în esență că o crustă s-a format deja pe suprafața Pământului în urmă cu aproximativ 4,5 miliarde de ani. Rezultatele lor sunt publicate în Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).