HAFNIUM: KHÁM PHÁ, CẤU TRÚC, ĐẶC TÍNH, SỬ DỤNG, RỦI RO - HÓA HỌC - 2026

Các hafini là một kim loại chuyển tiếp có ký hiệu hóa học là Hf và có một số nguyên tử 72. Nó là nguyên tố thứ ba của nhóm 4 của bảng tuần hoàn, là congener titan và zirconi. Với loại thứ hai, nó chia sẻ nhiều đặc tính hóa học, cùng nằm trong các khoáng chất của vỏ trái đất.

Tìm kiếm hafnium là tìm kiếm zirconium ở đâu, vì nó là sản phẩm phụ của quá trình khai thác. Tên của kim loại này xuất phát từ từ tiếng Latinh 'hafnia', có nghĩa là tên của Copenhagen, một thành phố nơi nó được phát hiện trong khoáng chất zircon và cuộc tranh cãi về bản chất hóa học thực sự của nó đã kết thúc.

Mẫu hafnium kim loại. Nguồn: Hình ảnh độ phân giải cao của các nguyên tố hóa học

Hafnium là một kim loại không được chú ý trong trí tuệ nói chung, thực tế là rất ít người thậm chí còn nghe nói về nó trước đây. Ngay cả trong số một số hóa chất, nó là một nguyên tố hiếm, một phần do chi phí sản xuất cao, vì trong hầu hết các ứng dụng của nó, zirconium có thể thay thế nó mà không gặp bất kỳ vấn đề gì.

Kim loại này mang đặc điểm nổi bật là nguyên tố cuối cùng trong số các nguyên tố ổn định nhất được phát hiện ở đây trên Trái đất; Nói cách khác, những khám phá khác đã tạo thành một loạt các nguyên tố phóng xạ, siêu nặng và / hoặc đồng vị nhân tạo.

Các hợp chất của hafni tương tự như hợp chất của titan và zirconi, với số oxi hóa chiếm ưu thế +4, chẳng hạn như HfCl ₄ , HfO ₂ , HfI ₄ và HfBr ₄ . Một số trong số chúng đứng đầu danh sách các vật liệu chịu lửa nhất từng được tạo ra, cũng như các hợp kim có khả năng chịu nhiệt lớn và nó cũng hoạt động như chất hấp thụ neutron tuyệt vời.

Vì lý do này, hafnium đã tham gia rất nhiều vào hóa học hạt nhân, đặc biệt là đối với các lò phản ứng nước có áp suất.

Khám phá

Chuyển tiếp hoặc kim loại đất hiếm

Việc phát hiện ra hafnium bị bao vây bởi tranh cãi, mặc dù thực tế là sự tồn tại của nó đã được dự đoán từ năm 1869 nhờ bảng tuần hoàn của Mendeleev.

Vấn đề là nó được định vị bên dưới zirconium, nhưng nó lại trùng vào cùng thời kỳ với các nguyên tố đất hiếm: các lanthanoids. Các nhà hóa học lúc đó không biết đó là kim loại chuyển tiếp hay kim loại đất hiếm.

Nhà hóa học người Pháp Georges Urbain, người phát hiện ra lutetium, một kim loại lân cận của hafnium, tuyên bố vào năm 1911 đã phát hiện ra nguyên tố 72, mà ông gọi là celtium và tuyên bố rằng nó là một kim loại đất hiếm. Nhưng ba năm sau, người ta kết luận rằng kết quả của ông là sai, và rằng ông chỉ cô lập được một hỗn hợp các chất Lantan.

Mãi cho đến khi các nguyên tố được sắp xếp theo số nguyên tử của chúng, nhờ công trình của Henry Moseley vào năm 1914, vùng lân cận giữa luteti và nguyên tố 72 mới được đưa ra làm bằng chứng, đồng ý với dự đoán của Mendeleev khi nguyên tố cuối cùng này nằm ở cùng nhóm với các kim loại titan và zirconium.

Phát hiện ở Copenhagen

Năm 1921, sau những nghiên cứu của Niels Bohr về cấu trúc nguyên tử và dự đoán của ông về phổ phát xạ tia X cho nguyên tố 72, việc tìm kiếm kim loại này trong các khoáng chất đất hiếm bị dừng lại; Thay vào đó, ông tập trung tìm kiếm các khoáng chất zirconium, vì cả hai nguyên tố phải có chung các đặc tính hóa học khác nhau.

Nhà hóa học Đan Mạch Dirk Coster và nhà hóa học người Hungary Georg von Hevesy vào năm 1923 cuối cùng đã tìm cách nhận ra quang phổ mà Niels Bohr dự đoán trong các mẫu zircon từ Na Uy và Greenland. Sau khi phát hiện ra ở Copenhagen, họ đã gọi nguyên tố 72 bằng tên Latinh của thành phố này: hafnia, từ đó sau này có nguồn gốc là 'hafnium'.

Phân lập và sản xuất

Tuy nhiên, để tách các nguyên tử hafnium ra khỏi nguyên tử zirconium không phải là một nhiệm vụ dễ dàng, vì kích thước của chúng tương tự nhau và chúng phản ứng theo cùng một cách. Mặc dù một phương pháp kết tinh lại phân đoạn đã được đưa ra vào năm 1924 để thu được hafni tetraclorua, HfCl ₄ , nhưng chính các nhà hóa học người Hà Lan Anton Eduard van Arkel và Jan Hendrik de Boer đã khử nó thành kim loại hafni.

Đối với điều này, HfCl ₄ bị khử bằng cách sử dụng magiê kim loại (quy trình Kroll):

HfCl ₄ + 2 Mg (1100 ° C) → 2 MgCl ₂ + Hf

Mặt khác, bắt đầu từ hafnium tetraiodide, HfI ₄ , chất này được hóa hơi để trải qua quá trình phân hủy nhiệt trên dây tóc vonfram nóng sáng, trên đó hafnium kim loại được lắng đọng để tạo ra một thanh có bề ngoài đa tinh thể (quá trình của thanh kết tinh hoặc Quá trình Arkel- De Boer):

HfI ₄ (1700 ° C) → Hf + 2 I ₂

Cấu trúc hafnium

Các nguyên tử hafnium, Hf, kết tụ với nhau ở áp suất xung quanh trong một tinh thể có cấu trúc lục giác nhỏ gọn, hcp, cũng như các kim loại titan và zirconium. Tinh thể hafnium hcp này trở thành pha α của nó, pha này không đổi đến nhiệt độ 2030 K, khi nó trải qua quá trình chuyển đổi sang pha β, với cấu trúc lập phương tâm ở phần thân, bcc.

Điều này được hiểu nếu người ta coi rằng nhiệt "làm giãn" tinh thể và do đó, các nguyên tử Hf tìm cách tự định vị theo cách để giảm độ nén của chúng. Hai giai đoạn này đủ để xem xét tính đa hình của hafnium.

Tương tự, nó thể hiện tính đa hình phụ thuộc vào áp suất cao. Các pha α và β tồn tại ở áp suất 1 atm; trong khi pha ω, hình lục giác nhưng thậm chí còn nén chặt hơn hcp thông thường, xuất hiện khi áp suất vượt quá 40 GPa. Điều thú vị là khi áp suất tiếp tục tăng, pha β, ít đặc nhất, lại xuất hiện.

Tính chất

Ngoại hình

Chất rắn màu trắng bạc, có tông màu tối nếu nó có lớp phủ oxit và nitrit.

Khối lượng phân tử

178,49 g / mol

Độ nóng chảy

2233 ºC

Điểm sôi

4603 ºC

Tỉ trọng

Ở nhiệt độ phòng: 13,31 g / cm ³ , đậm đặc gấp đôi zirconium

Ngay tại điểm nóng chảy: 12 g / cm ³

Nhiệt của nhiệt hạch

27,2 kJ / mol

Nhiệt hóa hơi

648 kJ / mol

Độ âm điện

1,3 trên thang điểm Pauling

Năng lượng ion hóa

Đầu tiên: 658,5 kJ / mol (Hf ^{+ ở thể} khí)

Thứ hai: 1440 kJ / mol (Hf ^{2+ ở thể} khí)

Thứ ba: 2250 kJ / mol (Hf ^{3+ ở thể} khí)

Dẫn nhiệt

23,0 W / (mK)

Điện trở suất

331 nΩ m

Độ cứng Mohs

5.5

Phản ứng

Trừ khi kim loại được đánh bóng và cháy, tạo ra tia lửa ở nhiệt độ 2000 ° C, nó không dễ bị gỉ hoặc bị ăn mòn, vì một lớp oxit mỏng bảo vệ nó. Theo nghĩa này, nó là một trong những kim loại ổn định nhất. Trên thực tế, không phải axit mạnh và bazơ mạnh đều có thể hòa tan nó; Ngoại trừ axit flohydric, và các halogen có khả năng oxy hóa nó.

Cấu hình điện tử

Nguyên tử hafni có cấu hình điện tử sau:

4f ¹⁴ 5d ² 6s ²

Điều này trùng hợp với thực tế là thuộc nhóm 4 của bảng tuần hoàn, cùng với titan và zirconi, vì nó có 4 electron hóa trị trong các obitan 5d và 6. Cũng lưu ý rằng hafnium không thể là một lanthanoid, vì nó có các obitan 4f được lấp đầy hoàn toàn.

Số oxi hóa

Cấu hình electron tương tự cho thấy một nguyên tử hafnium về mặt lý thuyết có khả năng mất đi bao nhiêu electron trong một hợp chất. Giả sử rằng nó mất bốn electron hóa trị, nó sẽ vẫn ở dạng cation hóa trị bốn Hf ⁴⁺ (tương tự với Ti ⁴⁺ và Zr ⁴⁺ ), và do đó sẽ có số oxi hóa +4.

Trên thực tế, đây là số oxi hóa phổ biến và ổn định nhất của nó. Khác ít liên quan hơn là: -2 (Hf ^2- ), +1 (Hf ⁺ ), +2 (Hf ²⁺ ) và +3 (Hf ³⁺ ).

Đồng vị

Hafnium xuất hiện trên Trái đất dưới dạng năm đồng vị ổn định và một đồng vị phóng xạ có thời gian tồn tại rất dài:

- ¹⁷⁴ Hf (0,16%, với thời gian sống trung bình là 2 · 10 ¹⁵ năm, vì vậy nó được coi là thực tế ổn định)

- ¹⁷⁶ Hf (5,26%)

- ¹⁷⁷ Hf (18,60%)

- ¹⁷⁸ Hf (27,28%)

- ¹⁷⁹ Hf (13,62%)

- ¹⁸⁰ Hf (35,08%)

Lưu ý rằng không có đồng vị nào nổi bật về mức độ phong phú, và điều này được phản ánh trong khối lượng nguyên tử trung bình của hafnium, 178,49 amu.

Trong tất cả các đồng vị phóng xạ của hafnium, cùng với các đồng vị tự nhiên tổng cộng 34, ^178m2 Hf là gây tranh cãi nhiều nhất vì trong quá trình phân rã phóng xạ của nó, nó giải phóng bức xạ gamma, vì vậy những nguyên tử này có thể được sử dụng làm vũ khí chiến tranh .

Các ứng dụng

Phản ứng hạt nhân

Hafnium là một kim loại chịu được độ ẩm và nhiệt độ cao, cũng như là một chất hấp thụ neutron tuyệt vời. Vì lý do này, nó được sử dụng trong các lò phản ứng nước có áp suất, cũng như trong sản xuất thanh điều khiển cho các lò phản ứng hạt nhân, trong đó lớp phủ của chúng được làm bằng zirconium siêu tinh khiết, vì nó phải có khả năng truyền neutron qua nó. .

Hợp kim

Nguyên tử hafnium có thể tích hợp các tinh thể kim loại khác để tạo ra các hợp kim khác nhau. Chúng có đặc điểm là bền và chịu nhiệt, đó là lý do tại sao chúng được dùng cho các ứng dụng không gian, chẳng hạn như trong chế tạo vòi phun động cơ cho tên lửa.

Mặt khác, một số hợp kim và hợp chất hafni rắn có những tính chất đặc biệt; chẳng hạn như cacbua và nitrua của nó, tương ứng là HfC và HfN, là những vật liệu chịu lửa cao. Tantali hafnium carbide, Ta ₄ HfC ₅ , với điểm nóng chảy 4215 ° C, là một trong những vật liệu chịu lửa nhất từng được biết đến.

Xúc tác

Hafnium metallocenes được sử dụng làm chất xúc tác hữu cơ để tổng hợp các polyme như polyetylen và polystyren.

Rủi ro

Cho đến nay vẫn chưa biết các ion Hf ⁴⁺ có thể có tác động gì đến cơ thể chúng ta . Mặt khác, vì chúng được tìm thấy trong tự nhiên trong khoáng chất zirconium, chúng không được cho là có thể làm thay đổi hệ sinh thái bằng cách giải phóng muối của chúng vào môi trường.

Tuy nhiên, nên xử lý các hợp chất hafnium một cách cẩn thận, như thể chúng là chất độc, ngay cả khi không có nghiên cứu y tế nào chứng minh rằng chúng có hại cho sức khỏe.

Mối nguy hiểm thực sự của hafnium nằm ở các phần tử được nghiền mịn trong chất rắn của nó, chúng hầu như không thể bốc cháy khi chúng tiếp xúc với oxy trong không khí.

Điều này giải thích tại sao khi nó được đánh bóng, một hành động làm xước bề mặt của nó và giải phóng các hạt kim loại nguyên chất, tia lửa cháy được giải phóng với nhiệt độ 2000 ºC; nghĩa là, hafnium thể hiện tính nhiệt phân, là tài sản duy nhất có nguy cơ cháy hoặc bỏng nghiêm trọng.

Người giới thiệu

1. Rùng mình & Atkins. (2008). Hóa học vô cơ . (Tái bản lần thứ tư). Đồi Mc Graw.
2. Wikipedia. (Năm 2020). Hafnium. Khôi phục từ: en.wikipedia.org
3. Steve Gagnon. (sf). Nguyên tố Hafnium. Tài nguyên Phòng thí nghiệm Jefferson. Được khôi phục từ: education.jlab.org
4. Các biên tập viên của Encyclopaedia Britannica. (Ngày 18 tháng 12 năm 2019). Hafnium. Encyclopædia Britannica. Phục hồi từ: britannica.com
5. Tiến sĩ Doug Stewart. (Năm 2020). Sự kiện về nguyên tố Hafnium. Phục hồi từ: chemicool.com
6. Trung tâm Thông tin Công nghệ Sinh học Quốc gia. (Năm 2020). Hafnium. Cơ sở dữ liệu PubChem, AtomicNumber = 72. Được khôi phục từ: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
7. K. Pandey và cộng sự. (sf). Tái phục hồi tính đa hình áp suất cao trong kim loại Hafnium. Được khôi phục từ: arxiv.org
8. Eric Scerri. (1 tháng 9 năm 2009). Hafnium. Hóa học trong các nguyên tố của nó. Phục hồi từ: chemistryworld.com