prvky.com

Hafnium, chemický prvek Hf, popis a vlastnosti

️Sun Sep 16 2012

Hafnium

český název	Hafnium
latinský název	Hafnium
anglický název	Hafnium
chemická značka	Hf
protonové číslo	72
relativní atomová hmotnost	178,49
perioda	6
skupina	IV.B
zařazení	přechodné kovy
rok objevu	1923
objvitelé	D. Coster, G. von Hevesey
teplota tání [°C]	2227
teplota varu [°C]	4602
hustota [g cm^-3]	13,2
hustota při teplotě tání [g cm^-3]	12,0
elektronegativita	1,3
standardní el. potenciál [V]	−1,7
oxidační stavy	II, III, IV
elektronová konfigurace	[Xe]4f14 5d2 6s2
atomový poloměr [pm]	208
kovalentní poloměr [pm]	150
specifické teplo [J g^-1K^-1]	0,14
slučovací teplo [kJ mol^-1]	24,06
skupenské teplo tání [kJ mol^-1]	630
tepelná vodivost [W m^-1 K^-1]	23
elektrická vodivost [S m^-1]	3,3.10⁶
1. ionizační potenciál [eV]	6,8251
2. ionizační potenciál [eV]	14,925
3. ionizační potenciál [eV]	23,32
tvrdost podle Mohse	5,5
tvrdost podle Vickerse [MPa]	1760
tvrdost podle Brinella [MPa]	1700
modul pružnosti ve smyku [GPa]	30
modul pružnosti v tahu [GPa]	78
bod supravodivosti [K]	0,128
skupenství za norm. podmínek	s

Chemické vlastnosti

Hafnium Chemický prvek hafnium je velmi lesklý, kujný a tažný kov. Práškové hafnium je pyroforní. Ve sloučeninách vystupuje hafnium téměř vždy jako čtyřmocné, redukce na trojmocné nebo dvoumocné hafnium je značně obtížná. Ze sloučenin dvou a trojmocného hafnia byly připraveny pouze černý bromid hafnatý HfBr₂ a modrý bromid hafnitý HfBr₃.

Při teplotě přes 700°C reaguje s vodíkem za vzniku hydridu HfH_1,86.

Hafnium je dobře rozpustné v koncentrované i zředěné kyselině fluorovodíkové:

Hf + 6HF → H₂[HfF₆] + 2H₂
Hf + 4HF + H₂O → H₂[HfOF₄] + 2H₂

Reakce hafnia s koncentrovanou kyselinou sírovou a lučavkou královskou probíhají zvolna:

Hf + 4H₂SO₄ → H₂[Hf(SO₄)₂O] + 2SO₂ + 3H₂O
3Hf + 6HCl + 4HNO₃ → [Hf₃Cl₃(OH)₆]Cl₃ + 4NO + 2H₂O

Při teplotě nad 300°C reaguje s vodní párou za vzniku oxidu hafničitého HfO₂ a malého množství hydridu HfH₂.

Chemické i fyzikální vlastnosti hafnia i všech jeho sloučenin se zcela podobají vlastnostem zirkonia a jeho sloučenin. Vzájemná podobnost dvojice hafnium - zirkonium je největší v celé periodické soustavě.

Výskyt v přírodě

V přírodě se hafnium nalézá vždy v přítomnosti zirkonia. Průměrný obsah hafnia v zemské kůře je 3,3 ppm. Přírodní hafnium je směsí pěti stabilních izotopů a radioaktivního izotopu ¹⁷⁴Hf s poločasem rozpadu 2·10¹⁵ let. Uměle bylo připraveno dalších 27 radioaktivních izotopů hafnia s nukleonovými čísly 154 až 185.

Jediný známý samostatný minerál hafnia je vzácný nerost hafnon HfSiO₄, většina hafnia se vyskytuje jako izomorfní příměs v nerostech zirkonia, např. v zirkonu ZrSiO₄, allendeitu Sc₄Zr₃O₁₂ nebo lakargitu CaZrO₃. V ČR se hafnium nalézá v cenomanských a turonských vrstvách Strážského bloku české křídové pánve a ve fenitech v lokalitě Hůrky, celkové zásoby hafnia v ČR dosahují hodnoty 5000 t čistého kovu.

Výroba a využití hafnia

Výroba hafnia se prováděla rekrystalizací podvojných fluoridů získaných z odpadních produktů po rafinaci zirkonia. V současnosti se hafnium odděluje selektivní extrakcí nebo pomocí iontoměničů. Průmyslová výroba hafnia se nejčastěji provádí Krollovou metodou:

HfO₂ + 2Cl₂ + 2C → HfCl₄ + 2CO
HfCl₄ + 2Mg → Hf + 2MgCl₂

Laboratorní příprava čistého kovového hafnia se provádí tepelným rozkladem jodidu hafničitého HfI₄ pomocí rozžhaveného wolframového vlákna.

Největším výrobcem kovového hafnia, s roční produkcí okolo 50 t je Francie, cena hafnia se v roce 2011 pohybovala okolo 562 USD/kg. Do ČR byly v roce 2011 dovezeny 2 kg surového hafnia, průměrná dovozní cena činila 27 500 Kč za 1 kg.

Hafnium se vyznačuje velmi silnou absorpcí termických neutronů a používá se k výrobě regulačních tyčí do jaderných reaktorů ponorek.

Slitiny hafnia s titanem, tantalem a niobem se využívají ke konstrukci tepelně namáhaných součástí proudových a raketových motorů. Hafnium se používá k výrobě elektrod pro svařování měkké oceli v ochranné atmosféře argonu nebo oxidu uhličitého.

Oxid hafničitý HfO₂ se používá k výrobě žáruvzdorného skla a společně s HfSiON a HfSiO k výrobě pokročilých počítačových čipů, kde slouží jako dielektrikum. Karbid hafnia HfC má teplotu tání 3890°C a společně s nitridem hafnia se používá ke konstrukci tepelně namáhaných trysek plazmových hořáků a proudových motorů. Fluorid hafničitý je složkou speciálních skel pro výrobu optických vláken a přístrojů pro noční vidění.

Metastabilní izotop ^178mHf byl v letech 1998-2004 objektem vojenského výzkumu jako perspektivní materiál pro konstrukci jaderných zbraní nové generace.

Zdroje

GAMBOGI, Joseph. Zirconium and Hafnium. In: U.S. GEOLOGICAL SURVEY. Mineral Commodity Summaries [online]. 2012 [cit. 2012-09-16]. Dostupné z: http://minerals.usgs.gov/
STARÝ, Jaromír; et al. Surovinové zdroje České republiky - Nerostné suroviny 2012. Praha: Česká geologická služba, 2012. ISBN 978-80-7075-804-5.
ŠEKA, Ivan; KARLYŠEVA, Klavdija. Chimija gafnija. Kijev: Naukova dumka, 1972.

lutecium ← hafnium → tantal