Fakta om Hafnium

Hafnium er et glansfuldt, sølvgrå overgangsmetal. Opdaget i 1923 var det det næste til sidst element med stabile kerner, der blev føjet til det periodiske system (det sidste var rhenium i 1925). Hafnium er opkaldt efter det latinske ord for København: Hafnia. Elementet har nogle meget vigtige kommercielle anvendelser, herunder dets anvendelse i kernekraftindustrien, elektronisk udstyr, keramik, lyspærer og til fremstilling af superlegeringer.

Hafnium findes sjældent fri i naturen, og er i stedet til stede i de fleste zirkoniummineraler i en koncentration på op til 5 procent. Faktisk er hafnium så kemisk lig med zirkonium, at det er ekstremt vanskeligt at adskille de to elementer. Det meste kommercielle hafnium fremstilles som et biprodukt af zirkoniumraffinering.

Hafnium er det 45. mest rigelige element på Jorden, der omfatter ca. 3,3 dele pr. Million (ppm) af jordskorpen efter vægt ifølge Chemicool. Hafnium er ret modstandsdygtig over for korrosion på grund af dannelsen af ​​en oxidfilm på udsatte overflader. Faktisk er det ikke påvirket af vand, luft og alle alkalier og syrer undtagen hydrogenfluorid.

Hafniumcarbid (HfC) har det højeste smeltepunkt for en hvilken som helst kendt toelementforbindelse ved næsten 7.034 grader Fahrenheit (3.890 grader Celsius), ifølge Jefferson Lab. Forbindelsen hafnium nitrid (HfN) har også et højt smeltepunkt omkring 5.981 grader F (3.305 grader C). Blandt forbindelser med tre elementer har blandet karbid af wolfram og hafnium det eneste højeste smeltepunkt for en hvilken som helst kendt forbindelse ved 7.145 grader F (4.125 grader C) ifølge Chemistry World. Nogle andre hafniumforbindelser inkluderer hafniumfluorid (HfF₄) hafniumchlorid (HfCl₄) og hafniumoxid (HfO₂).

Bare fakta

• Atomnummer (antal protoner i kernen): 72
• Atomsymbol (på elementernes periodiske tabel): Hf
• Atomvægt (atomets gennemsnitlige masse): 178,49
• Densitet: 13,3 gram pr. Kubikcentimeter
• Fase ved stuetemperatur: Fast
• Smeltepunkt: 4.051 grader Fahrenheit (2.233 grader Celsius)
• Kogepunkt: 8.317 grader F (4.603 grader C)
• Antal isotoper (atomer af det samme element med et andet antal neutroner): 32, hvis halveringstid er kendt med massetal 154 til 185
• De mest almindelige isotoper: Hf-174, Hf-176, Hf-177, Hf-178, Hf-179 og Hf-180.

Opdagelse

Hafniums tilstedeværelse var blevet forudsagt årtier før dens opdagelse, ifølge Chemistry World. Elementet viste sig at være ret undvigende, da det næsten var umuligt at skelne det kemisk fra det meget mere almindelige zirkonium.

Hafnium var stadig ukendt, da den russiske kemiker og opfinder Dimitri Mendeleev udviklede den periodiske lov - en førmoderne version af den periodiske elementtabel - i 1869. I sit arbejde forudsagde Mendeleev imidlertid korrekt, at der ville være et element, hvis egenskaber var ens til men tungere end zirkonium og titan.

I 1911 troede den franske kemiker Georges Urbain, der allerede havde opdaget det sjældne jordelement lutetium, han endelig havde opdaget manglende element 72 - som han fortsatte med at navngive celtium ifølge Chemicool. Nogle år senere viste han sig imidlertid at være en kombination af allerede opdagede lanthanider (de 15 metalliske elementer med atomnummer 57 til 71 i den periodiske tabel).

Det var stadig uklart, om manglende element 72 ville være et overgangsmetal eller et sjældent jordmetal, da det faldt ved grænsen mellem disse to typer elementer i tabellen. Kemikerne, der troede, det ville være et sjældent jordelement, udførte mange frugtløse søgninger blandt mineraler, der indeholder sjældne jordarter, ifølge Chemistry World.

Imidlertid understøttede nyt bevis fra både kemi- og fysikområdet tanken om, at element 72 ville være et overgangselement. For eksempel vidste videnskabsmænd, at element 72 faldt under titan og zirkonium i den periodiske tabel, og begge disse var kendte overgangselementer. Derudover forudsagde den danske fysiker Niels Bohr, en af ​​grundlæggerne af kvanteteorien, at element 72 ville være et overgangsmetal baseret på hans elektroniske konfiguration for elementet ifølge Chemistry World.

I 1921 opfordrede Bohr den ungarske kemiker Georg von Hevesy og den hollandske fysiker Dirk Costerto - to unge forskere på hans institut på det tidspunkt - til at søge efter element 72 i zirkoniummalm. Baseret på hans kvante teori om atomstruktur vidste Bohr, at det nye metal ville have en lignende kemisk struktur som zirkonium, så der var en stor chance for, at de to elementer kunne findes i de samme malme, ifølge Chemicool.

Von Hevesy og Coster tog Bohrs råd og fortsatte med at studere zirkoniummalm ved hjælp af røntgenspektroskopi. De brugte Bohrs teori om, hvordan elektroner fylder skaller og underskaller inden i atomer for at forudsige forskellene mellem de to elementers røntgenspektre, ifølge Chemical and Engineering News. Denne metode førte til sidst til opdagelsen af ​​hafnium i 1923. Opdagelsen var en af ​​de kun seks derefter resterende huller i den periodiske tabel. De opkaldte det nye element efter Bohrs hjemby København (Hafniapå latin).

Anvendelser

Hafnium er bemærkelsesværdigt korrosionsbestandig og en fremragende absorber af neutroner, hvilket gør det muligt at anvende det i nukleare ubåde og nukleare reaktorkontrolstænger, en kritisk teknologi, der bruges til at opretholde fissionreaktioner. Kontrolstænger holder fissionskædereaktionen aktiv, men forhindrer også, at den accelererer uden for kontrol.

Hafnium bruges i elektronisk udstyr, såsom katoder og kondensatorer, såvel som i keramik, fotografering af glødepærer og glødepærer. Det bruges i vakuumrør som en getter, et stof, der kombineres med og fjerner sporegasser fra rørene, ifølge Jefferson Lab. Hafnium er ofte legeret med andre metaller såsom titan, jern, niob og tantal. F.eks. Anvendes varmebestandige hafnium-nobium-legeringer i rumfartsapplikationer, såsom rumraketmotorer.

Forbindelsen hafniumcarbid har det højeste smeltepunkt for en hvilken som helst forbindelse, der kun består af to elementer, hvilket tillader det at blive brugt til at linere højtemperaturovne og -ovne, ifølge Chemicool.

Der kan man bare se?

• Hafnium er pyroforisk (antændes spontant) i pulverform.
• Den engelske kemiker Henry Moseley var videnskabsmanden, der indså, at Georges Urbains element "celtium" ikke var det sande element, der var placeret under zirkonium. Desværre afbrød første verdenskrig denne unge forskeres vigtige forskning. Moseley tjente pligtopfyldt til Royal Engineers of the British Army og blev dræbt af en snigskytte i 1915. Hans død fik England til at etablere en ny politik, der forbød prominente videnskabsfolk at deltage i kamp.
• I 1925 kom hollandske kemikere Anton Eduard van Arkel og Jan Hendrik de Boer op med en metode til produktion af hafnium med høj renhed. For at gøre dette dekomponerede forskerne hafnium-tetraiodid på en varm wolframtråd, hvilket resulterede i en krystalstang af ren hafnium, ifølge Chemicool. Denne metode kaldes krystalstangprocessen.
• Hafniums nukleære isomer er længe blevet drøftet som et potentielt våben. I Hafnium-kontroversen drøfter forskere, om elementet er i stand til at udløse en hurtig frigørelse af energi.
• Selvom zirkonium kemisk ligner meget hafnium, er det i modsætning til hafnium, idet det er meget dårligt til at absorbere neutroner. Derfor bruges zirkonium i det ydre lag af brændstofstænger, hvor det er vigtigt, at neutroner let kan bevæge sig.

Dating jordens lag med hafnium

I en nylig undersøgelse kunne et internationalt team af forskere bekræfte, at Jordens første skorpe dannede sig for omkring 4,5 milliarder år siden, takket være deres kemiske analyse af hafnium i en sjælden meteorit. Forskerne mener, at meteoritten stammede fra asteroiden Vesta, efter en stor påvirkning, der sendte stenfragmenter til Jorden, ifølge undersøgelsens pressemeddelelse i Science Daily. Ifølge forskerne er meteoritter stykker af de originale materialer, der dannede alle planeter. Til undersøgelsen målte de forholdet mellem isotoper hafnium-176 og hafnium-177 i meteoritten. Dette gav dem et udgangspunkt for Jordens sammensætning. De sammenlignede resultaterne med de ældste klipper på Jorden, hvilket i det væsentlige bekræftede, at der allerede var dannet en skorpe på jordoverfladen for omkring 4,5 milliarder år siden. Deres fund offentliggøres i Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).