Ознайомлення з даною статтею дозволить читачеві дізнатися, що являє собою гафній (хімічний елемент), застосування якого широко використовується людиною в безлічі областей його діяльності. А також будуть розглянуті властивості хімічної та фізичної природи речовини, способи добування та знаходження на планеті, буде розглянута коротка історія відкриття цього елемента.
Що таке гафній
Гафній – хімічний елемент таблиці Менделєєва. Знаходиться в четвертій групі, шостому періоді, атомний номер дорівнює сімдесяти двох. Відноситься до простого типу речовин, має високу щільність і тугоплавкість, колір металу сріблясто-білий. Гафній може існувати в двох модифікаціях. Під впливом температури близько 2016 Кельвінів решітка гексагонального типу, зазнавши аллотропические зміни, переходить у стан объемноцентрированной решітки кубічної форми, при кімнатних температурах має кристалічну решітку гексагональної сингонії.
З історії відкриття елемента
Відкриття елементу сталося 1923 зробили його Дьордь де Хешеви і Багаття Дірк. Вони змогли передбачити валентність і різні якісні характеристики гафнію, грунтуючись на умовиводах Н. Бора, який, у свою чергу, аналізував роботу француза Ж. Урбена, який вважав, що він відкрив кельтій – новий елемент. Проте пізніше виявилося, що кельтием була суміш малої кількості гафнію з лютецием і иттербием. Нільс Бор, вивчаючи цю роботу, використовуючи у своїй діяльності квантовомеханічні розрахунки, довів, що гафній є аналогом елемента під номером 71 в ПТХЭ, а саме цирконію. Дьордь де Хешеви і Багаття Дірк заявили про знаходження нового елемента гафнію, названого на честь міста, в якому було здійснено відкриття, після того як, використовуючи рентгеноспектральний метод, багаторазово проаналізували циркони Норвегії та Гренландії. Виявлення подібності ліній рентгенограми дозволило вченим оголосити про виявлення нового х-ського елементу.
Способи одержання та світові запаси
Гафній знаходиться в корі землі, але не має власного мінералу, а тому він є «супутником» цирконію. Кількість Hf в рудах близько 2.5%, і річний видобуток складає близько сімдесяти тонн. Гафній - досить дороге речовина, його основні місця знаходження зосереджені в Австралії, ПАР, США, Індії та Бразилії. Розташування країн у черговості перерахування відповідає місць за кількістю наявності Hf в країні. Варто також згадати, що Росія і Україна мають досить великі запаси цього металу, основна кількість якого зосереджена в циркономе, лопарите і бадделеите.
Фізична характеристика
Частина фізичних властивостей гафнію була згадана вище. До них можна додати, що цей метал, який, беручи дрібнодисперсне стан, стає майже чорним. Плавиться при 2233 градусів за Цельсієм, кипіння починається при 4603 про С. Перетин захоплення нейтронів теплового типу дуже висока. Цирконій, на відміну від гафнію, має рівень перерізу на три порядки меншими. У той час як захоплення Hf дорівнює 115 барам, у цирконію він всього близько 0.2 бар. Гафній має аналогічний рівень теплоємності германію (Ge) і є аномальним. Пік теплоємності знаходиться на рівні 60-80 Кельвінів. Це неможливо пояснити ні однією теорією, пов'язаної з гуковскими силами, що обумовлено нездатністю функції ейнштейнівської суперпозиції надати криву з максимумом.
Хімічні властивості
Гафній має х-ську стійкість набагато сильніше, ніж у аналогічного цирконію. Сам метал має досить велику інертність, що пов'язано з плівкою оксидів пасивного типу, яка утворюється на гафние. Краще всього Hf розчиняється в фтороводородной кислоті, суміші фтороводородной кислоти з азотною кислотою і в царській горілці. При високих температурах згорає в кисні, а на відкритому повітрі починає окислюватися. Може вступати в х-ські реакції з галогенами. Володіє властивостями гідрофобного характеру.
З'єднання двох - трьох - і четирехвалентного Hf
У даного елемента значення валентності є змінним і, в відповідно з різними величинами кількості можливих х-ських зв'язків, існують кілька найважливіших сполук гафнію з іншими речовинами. Двухвалентний дибромид гафнію має темно-зелений колір. При температурі 400 градусів за Цельсієм починає процес розкладання з утворенням Hf і HfBr4. У промисловості добувають диспропорционированием у вакуумі HfBr3 під термічним впливом. Тривалентний Hf представлений трибромидом (HfBr3) – це речовина чорно-синього кольору, досить тверде. Під впливом температури, що дорівнює 400 градусів за Цельсієм, починає диспропорционировать на два компоненти тетрабромбити гафнію і дибромбиди. Спосіб отримання полягає у відновленні HfBr4 шляхом нагрівання в водні, можливо з додаванням алюмінію. До сполук четирехвалентного гафнію ставиться досить велика кількість сполук, а саме HfO2 – його діоксид, а також гідроксид з х-ської формулою Hf(OH)4. Тут же знаходяться третрахлорид (HfCl4), тетрафторид (HfF4), тетраиодид (HfI4) і вищезгаданий тетрабомид гафнію (HfBr), ще є гидрофосфати гафнію (Hf(HPO4)2).
Застосування в побуті і зв'язок з медициною
Гафній застосування знаходить своє у безлічі сфер діяльності людського роду. Це пов'язано з безліччю якісних характеристик, властивостей, які роблять його незамінним матеріалом, речовиною в безлічі галузей промислу людини, військовій справі і навіть в ядерній промисловості. Так як же використовується гафній? Застосування в медицині – це один з безлічі варіантів, де можна задіяти властивості цього металу. Так як карбіди Hf надміцні, практично не піддаються корозії, вони можуть використовуватися для виготовлення ріжучих предметів, використовуваних лікарями, також їх використовують при виготовленні рентгенівського дзеркала.
Елемент з винятковими властивостями як хімічної, так і фізичної природи – це гафній. Застосування в побуті він знаходить в якості матеріалу при виготовленні радіотехніки, радіоламп і телевізійних трубок. Його широко використовують у металургійній промисловості з метою надання іншим металам більш якісних фізико-технічних і механічних властивостей. Гафній застосування знаходить в х-ському машинобудуванні, але використовується рідко в силу свого дефіциту і більш важливих способів застосування.
Використання гафнію у військовому ремеслі
Яким чином ще можна використовувати гафній? Застосування в озброєнні – це чергова сфера діяльності людини, у якої не обходиться без цього елемента. Окису, силіциди, бориди і карбіди гафнію є надзвичайно тугоплавкими сполуками, з цієї причини у військовому ремеслі їх можна використовувати в якості захисного покриття. Він також є надзвичайно сверхжаропрочним, що дозволяє використовувати Hf та його сполуки для виробництва деталей, призначених надшвидкісних літаків і ракет, включаючи космічні.
Починаючи з 1998 року здійснювалися спроби створити «гафниевую бомбу», яка базується на ізомері 187m2Hf. Але в результаті досліджень і випробувань ідея виявилася неспроможною, це пов'язано з відсутністю можливості при нинішніх технологіях домогтися вивільнення надлишкового виду енергії з ядра цього ізомеру.
Інші області застосування простої речовини Hf
В атомній енергетиці, поряд з названими сферами, але навіть у ще більшій кількості, також використовують гафній. Де застосовується цей метал? З-за його здатності до нейтронного захвату з Hf виготовляють стрижні для регуляції, спеціалізоване скло і кераміку. У гафнію відносно низький показник роботи електронного виходу (353 ев) і з цієї причини його можуть використовувати при виробництві катодів та електронних гармат. В ядерних реактивних газофазних двигунах можна знайти бориди і карбіди гафнію, а точніше в деяких структурних елементах.
Гафній застосування знаходить навіть при виготовленні електрогенераторів термоемісійного типу і часто зустрічається в іонних двигунах. На основі HfO2 створюються діелектрики, які мають високий рівень діелектричної проникності. В майбутньому планується заміна звичного всім оксид кремнію в мікроелектроніці на оксид HfO2. Ця заміна дозволить підвищити показник щільності елементів в чіпі. На закінчення можна сказати, що гафній, застосування якого має місце в багатьох галузей людської діяльності, починаючи повсякденному і закінчуючи військовій та атомної, є надзвичайно важливим елементом. Це дуже затребуваний метал і в природі завжди супроводжує цирконію. Рідкість і його особливості якісних характеристик зумовлюють досить високу вартість.
