Ознакомление с данной статьей позволит читателю узнать, что представляет собой гафний (химический элемент), применение которого широко используется человеком во множестве областей его деятельности. А также будут рассмотрены свойства химической и физической природы вещества, способы добычи и нахождение на планете, будет рассмотрена краткая история открытия этого элемента.
Что такое гафний
Гафний – химический элемент таблицы Менделеева. Находится в четвертой группе, шестом периоде, атомный номер равен семидесяти двум. Относится к простому типу веществ, имеет высокую плотность и тугоплавкость, цвет метала серебристо-белый. Гафний может существовать в двух модификациях. Под воздействием температуры около 2016 Кельвинов решетка гексагонального типа, претерпев аллотропические изменения, переходит в состояние объемноцентрированной решетки кубической формы, при комнатных температурах имеет кристаллическую решетку гексагональной сингонии.
Из истории открытия элемента
Открытие элемента произошло в 1923, совершили его Дьердь де Хешеви и Костер Дирк. Они смогли предсказать валентность и различные качественные характеристики гафния, основываясь на умозаключениях Н. Бора, который, в свою очередь, анализировал работу француза Ж. Урбена, считавшего, что он открыл кельтий – новый элемент. Однако позднее оказалось, что кельтием была смесь малого количества гафния с лютецием и иттербием.
Нильс Бор, изучая эту работу и используя в своей деятельности квантовомеханические расчеты, доказал, что гафний является аналогом элемента под номером 71 в ПТХЭ, а именно циркония. Дьердь де Хешеви и Костер Дирк заявили о нахождении нового элемента гафния, названного в честь города, в котором было совершено открытие, после того как, используя рентгеноспектральный метод, многократно проанализировали цирконы Норвегии и Гренландии. Обнаружение сходства линий рентгенограммы позволило ученым объявить об обнаружении нового х-ского элемента.
Способы получения и мировые запасы
Гафний находится в коре земли, но не имеет собственного минерала, а потому он является «спутником» циркония. Количество Hf в рудах около 2.5%, и годовая добыча составляет около семидесяти тонн. Гафний - довольно дорогое вещество, его основные места нахождения сосредоточены в Австралии, ЮАР, США, Индии и Бразилии. Расположение стран в поочередности перечисления соответствует местам по количеству наличия Hf в стране. Стоит также упомянуть, что Россия и Украина имеют довольно большие запасы этого металла, основное количество которого сосредоточено в циркономе, лопарите и бадделеите.
Физическая характеристика
Часть физических свойств гафния была упомянута выше. К ним можно добавить, что этот металл, который, принимая мелкодисперсное состояние, становится практически черным. Плавится при 2233 градусов по Цельсию, кипение начинается при 4603 оС. Сечение для захвата нейтронов теплового типа очень высокое. Цирконий, в отличие от гафния, имеет уровень сечения на три порядка слабее. В то время как захват Hf равен 115 барам, у циркония он всего около 0.2 бар. Гафний имеет аналогичный уровень теплоемкости германия (Ge) и является аномальным. Пик теплоемкости находится на уровне 60-80 Кельвинов. Это невозможно объяснить ни одной теорией, связанной с гуковскими силами, что обусловлено неспособностью функции эйнштейновской суперпозиции предоставить кривую с максимумом.
Химические свойства
Гафний имеет х-скую стойкость гораздо сильнее, чем у аналогичного циркония. Сам металл имеет довольно большую инертность, что связано с пленкой оксидов пассивного типа, которая образуется на гафние. Лучше всего Hf растворяется в фтороводородной кислоте, смеси фтороводородной кислоты с азотной кислотой и в царской водке. При высоких температурах сгорает в кислороде, а на открытом воздухе начинает окисляться. Может вступать в х-ские реакции с галогенами. Обладает свойствами гидрофобного характера.
Соединения двух- трех- и четырехвалентного Hf
У данного элемента значение валентности является переменным и, в соответствии с различными величинами количества возможных х-ских связей, существуют несколько важнейших соединений гафния с другими веществами.
Двухвалентный дибромид гафния имеет темно-зеленый цвет. При температуре 400 градусов по Цельсию начинает процесс разложения с образованием Hf и HfBr4. В промышленности добывают диспропорционированием в вакууме HfBr3 под термическим воздействием.
Трехвалентный Hf представлен трибромидом (HfBr3) – это вещество черно-синего цвета, довольно твердое. Под воздействием температуры, равной 400 градусам по Цельсию, начинает диспропорционировать на два компонента тетрабромбиты гафния и дибромбиды. Способ получения заключается в восстановлении HfBr4 путем нагревания в водороде, возможно с добавлением алюминия.
К соединениям четырехвалентного гафния относится довольно большое количество соединений, а именно HfO2 – его диоксид, а также гидроксид с х-ской формулой Hf(OH)4. Тут же находятся третрахлорид (HfCl4), тетрафторид (HfF4), тетраиодид (HfI4) и вышеупомянутый тетрабомид гафния (HfBr), еще есть гидрофосфаты гафния (Hf(HPO4)2).
Применение в быту и связь с медициной
Гафний применение свое находит во множестве сфер деятельности людского рода. Это связано с множеством качественных характеристик, свойств, которые делают его незаменимым материалом, веществом во множестве отраслей промысла человека, военном деле и даже в ядерной промышленности.
Так как же используется гафний? Применение в медицине – это один из множества вариантов, где можно задействовать свойства этого металла. Так как карбиды Hf сверхпрочные, практически не подвергающиеся коррозии, они могут использоваться для изготовления режущих предметов, используемых врачами, также их используют при изготовлении рентгеновского зеркала.
Элемент с исключительными свойствами как химической, так и физической природы – это гафний. Применение в быту он находит в качестве материала при изготовлении радиотехники, радиоламп и телевизионных трубок. Его широко используют в металлургической промышленности с целью придания другим металлам более качественных физико-технических и механических свойств. Гафний применение также находит в х-ском машиностроении, но используется редко в силу своего дефицита и более важных способов применения.
Использование гафния в военном ремесле
Каким образом еще можно использовать гафний? Применение в вооружении – это очередная сфера деятельности человека, в которой не обходится без этого элемента. Окиси, силициды, бориды и карбиды гафния являются чрезвычайно тугоплавкими соединениями, по этой причине в военном ремесле их можно использовать в качестве защитного покрытия. Он также является чрезвычайно сверхжаропрочным, что позволяет использовать Hf и его соединения для производства деталей, предназначенных сверхскоростным самолетам и ракетам, включая космические.
Начиная с 1998 года совершались попытки создать «гафниевую бомбу», базирующуюся на изомере 187m2Hf. Но в результате исследований и испытаний идея оказалась несостоятельной, это связано с отсутствием возможности при нынешних технологиях добиться высвобождения избыточного вида энергии из ядра данного изомера.
Другие области применения простого вещества Hf
В атомной энергетике, наряду с вышеупомянутыми сферами, но даже в еще большем количестве, также используют гафний. Где применяется этот металл? Из-за его способности к нейтронному захвату из Hf изготавливают стержни для регуляции, специализированное стекло и керамику.
У гафния относительно низкий показатель работы электронного выхода (3,53эВ) и по этой причине его могут использовать при производстве катодов и электронных пушек. В ядерных реактивных газофазных двигателях можно найти бориды и карбиды гафния, а точнее в некоторых структурных элементах.
Гафний применение находит даже при изготовлении электрогенераторов термоэмиссионного типа и часто встречается в ионных двигателях. На основе HfO2 создаются диэлектрики, имеющие высокий уровень диэлектрической проницаемости. В будущем планируется замена привычного всем оксид кремния в микроэлектронике на оксид HfO2. Эта замена позволит повысить показатель плотности элементов в чипе.
В заключение можно сказать, что гафний, применение которого имеет место во множестве отраслей человеческой деятельности, начиная повседневной и заканчивая военной и атомной, является чрезвычайно важным элементом. Это очень востребованный металл и в природе всегда сопутствует цирконию. Редкость и его особенности качественных характеристик обусловливают довольно высокую стоимость.
