Гафний

Содержание
  1. Гафний — свойства, получение и применение
  2. История открытия и происхождение названия
  3. Получение
  4. Мировые ресурсы гафния
  5. Физические свойства
  6. Изотопы гафния
  7. Химические свойства
  8. Соединения двухвалентного гафния
  9. Соединения трёхвалентного гафния
  10. Соединения четырёхвалентного гафния
  11. Применение
  12. Металл гафний – область применения и цена за кг
  13. Физические свойства элемента
  14. Сплавы с использованием гафния
  15. Область применения
  16. География добычи цирконов
  17. Технологии промышленного получения гафния
  18. Стоимость гафния на мировом рынке
  19. Гафний – все о редком металле | XLOM.RU – это лучший портал о металлоломе и вторсырье в России!
  20. Применение гафния обуславливается его физическими и химическими свойствами
  21. Конкретные места применения сплавов и соединений
  22. То ли правда, то ли ложь
  23. Гафний на рынке вторичного сырья
  24. ГА́ФНИЙ
  25. Историческая справка
  26. Распространённость в природе
  27. Свойства

Гафний — свойства, получение и применение

Гафний

Гафний — химический элемент 4-й группы длиннопериодной формы периодической системы Д. И. Менделеева, шестого периода, с атомным номером 72. Обозначается символом Hf. Простое вещество — тяжёлый тугоплавкий серебристо-белый металл.

72
4f145d26s2

Гафний имеет две модификации. При комнатной температуре гафний обладает гексагональной плотноупакованной кристаллической решёткой. При температуре, равной 2016 К, гафний претерпевает аллотропическое превращение — гексагональная решётка переходит в объёмноцентрированную кубическую решётку.

История открытия и происхождение названия

Элемент был открыт в 1923 году.

Гафний искали среди редкоземельных элементов, так как не было выяснено строение 6-го периода системы Д. И. Менделеева. В 1911 году французский химик Ж. Урбен объявил об открытии нового элемента, названного им кельтием.

В действительности он получил смесь, состоящую из иттербия, лютеция и небольшого количества гафния. И только после того, как Н.

Бор на основании квантовомеханических расчётов показал, что последним редкоземельным элементом является элемент с номером 71, стало ясно, что гафний — аналог циркония.

Базируясь на выводах Бора, который предсказал его свойства и валентность, в 1923 году Дирк Костер и Дьёрдь де Хевеши систематически проанализировали рентгеноспектральным методом норвежские и гренландские цирконы.

Совпадение линий рентгенограмм остатков после выщелачивания циркона кипящими растворами кислот с вычисленными по закону Мозли для 72-го элемента позволило исследователям объявить об открытии элемента, который они назвали гафнием в честь города, где было сделано открытие (лат. Hafnia — латинское название Копенгагена). Начавшийся после этого спор о приоритете между Ж.

Урбеном, Н. Костером и Д. Хевеши продолжался длительное время. В 1949 году название элемента «гафний» было утверждено Международной комиссией и принято всюду.

Получение

Среднее содержание гафния в земной коре — около 4 г/т. Ввиду отсутствия у гафния собственных минералов и постоянного сопутствия его цирконию, его получают путём переработки циркониевых руд, где он содержится в количестве 2,5 % от веса циркония (циркон содержит 4 % HfO2, бадделеит — 4—6 % HfO2).

В мире в год в среднем добывается около 70 тонн гафния, и объёмы его добычи пропорциональны объёмам добычи циркония.

Интересна особенность скандиевого минерала — тортвейтита: в нём содержится гафния в процентном отношении гораздо больше, чем циркония, и это обстоятельство очень важно при переработке тортвейтита на скандий и концентрировании гафния из него.

Мировые ресурсы гафния

Цены на гафний 99 % в 2007 году в среднем составляли $780 за килограмм (по материалам infogeo.ru)

Мировые ресурсы гафния в пересчёте на двуокись гафния несколько превышают 1 миллион тонн. Структура распределения этих ресурсов выглядит приблизительно следующим образом:

  • Австралия — более 630 тысяч тонн,
  • ЮАР — почти 287 тысяч тонн,
  • США — чуть более 105 тысяч тонн,
  • Индия — около 70 тысяч тонн,
  • Бразилия — 9,88 тысяч тонн.

Подавляющая часть сырьевой базы гафния в зарубежных странах представлена цирконом прибрежных морских россыпей.

Запасы гафния в России и СНГ, по оценкам независимых специалистов[Каких?], весьма велики[Насколько?] и в этом отношении при развитии гафниевой промышленности Россия способна стать безусловным лидером на мировом рынке гафния. Стоит также в связи с этим упомянуть весьма значительные ресурсы гафния на Украине. Основные гафнийсодержащие минералы в России и СНГ представлены лопаритом, цирконом, бадделеитом, редкометалльными щелочными гранитами.

Физические свойства

Гафний — блестящий серебристо-белый металл, твёрдый и тугоплавкий. В мелкодисперсном состоянии имеет тёмно-серый, почти чёрный цвет; матовый. Плотность при нормальных условиях — 13,31 г/см3. Температура плавления составляет 2506 K (2233 °C), кипит при 4876 K (4603 °C).

Гафний обладает высоким сечением захвата тепловых нейтронов — (115 барн у естественной смеси изотопов), тогда как у его химического аналога, циркония, сечение захвата на 3 порядка меньше, около 0,2 барн. В связи с этим цирконий, используемый для создания реакторных ТВЭЛов, должен быть тщательно очищен от гафния.

Температурная зависимость теплоёмкости гафния (аналогично теплоёмкости германия — Ge) имеет аномальный вид — на кривой теплоёмкости в диапазоне температур 60—80 К наблюдается пик, который не может быть объяснён никакой теорией, предполагающей гуковский закон сил, так как никакая суперпозиция эйнштейновских функций не даёт кривой с максимумом. В данном случае аномальный вид кривой теплоёмкости определяется суперпозицией колебательной (дебаевской) и диффузионной (больцмановской) компонент поглощения тепла кристаллической решеткой.

Изотопы гафния

Известно более 30 изотопов гафния с массовыми числами от 153 до 188 (количество протонов 72, нейтронов от 81 до 116), и 26 ядерных изомеров. 5 изотопов стабильны и встречаются в природе (176Hf, 177Hf, 178Hf, 179Hf, 180Hf). Благодаря огромному периоду полураспада (период полураспада 2×1015 лет) в природе встречается один нестабильный изотоп, 174Hf.

Известен изомер гафния 178m2Hf. Он привлек внимание общественности в связи с исследованиями агентства оборонных исследований DARPA по принудительному распаду изомера с выделением значительных энергий.

Начали высказываться гипотезы о возможности построения гафниевой бомбы .

Тем не менее в научной среде ставится под сомнение как возможность управляемого взрывного распада 178m2Hf так и возможность получения изомера в количествах, необходимых для создания оружия.

Химические свойства

Гафний, как и тантал, — достаточно инертный материал из-за образования тонкой пассивной плёнки оксидов на поверхности. В целом химическая стойкость гафния гораздо больше, чем у его аналога — циркония.

Лучшим растворителем гафния является фтороводородная кислота (HF) или смесь фтороводородной и азотной кислот, а также царская водка.

При высоких температурах (свыше 1000 К) гафний окисляется на воздухе, а в кислороде сгорает. Реагирует с галогенами. По стойкости к кислотам подобен стеклу. Так же, как и цирконий, обладает гидрофобными свойствами (не смачивается водой).

Соединения двухвалентного гафния

  • Hr2, дибромид гафния — твёрдое вещество чёрного цвета, самовоспламеняющееся на воздухе. Разлагается при температуре 400 °C на гафний и тетрабромид гафния. Получают диспропорционированием трибромида гафния в вакууме при нагревании.

Соединения трёхвалентного гафния

  • Hr3, трибромид гафния — чёрно-синее твёрдое вещество. Диспропорционирует при 400 °C на дибромид и тетрабромид гафния. Получают восстановлением тетрабромида гафния при нагревании в атмосфере водорода или с металлическим алюминием.

Соединения четырёхвалентного гафния

  • HfO2, диоксид гафния — бесцветные моноклинные кристаллы (плотность — 9,98 г/см³) или бесцветные тетрагональные кристаллы (плотность — 10,47 г/см³). Последние имеют Tпл 2900 °C, малорастворимы в воде, диамагнитны, обладают более основным характером, чем ZrO2 и обнаруживают каталитические свойства. Получают нагреванием металлического гафния в кислороде или прокаливанием гидроксида, диоксалата, дисульфата гафния.
  • Hf(OH)4, гидроксид гафния — белый осадок, растворяющийся при добавлении щёлочей и пероксида водорода с образованием пероксогафниатов. Получают глубоким гидролизом солей четырёхвалентного гафния при нагревании или обработкой растворов солей гафния(IV) щёлочами.
  • HfF4, тетрафторид гафния — бесцветные кристаллы. Tпл 1025 °C, плотность — 7,13 г/см³. Растворим в воде. Получают термическим разложением соединения (NH4)2[HfF6] в токе азота при 300 °C.
  • HfCl4, тетрахлорид гафния — белый порошок, сублимирующийся при 317 °C. Tпл 432 °C. Получают действием хлора на металлический гафний, карбид гафния или смесь оксида гафния(II) с углём.
  • Hr4, тетрабромид гафния — бесцветные кристаллы. Сублимируются при 322 °C. Tпл 420 °C. Получают действием паров брома на нагретую до 500 °C смесь оксида гафния(II) с углём.
  • HfI4, тетраиодид гафния — жёлтые кристаллы. Сублимирует при 427 °C и термически диссоциирует при 1400 °C. Получается взаимодействием гафния с иодом при 300 °C.
  • Hf(HPO4)2, гидрофосфат гафния — белый осадок, растворимый в серной и фтороводородной кислотах. Получают обработкой растворов солей гафния(IV) ортофосфорной кислотой.

Применение

Основные области применения металлического гафния — производство сплавов для аэрокосмической техники, атомная промышленность, специальная оптика.

  • В атомной технике используется способность гафния к захвату нейтронов, и его применение в атомной промышленности — это производство регулирующих стержней, специальной керамики и стекла (оксид, карбид, борид, оксокарбид, гафнат диспрозия, гафнат лития). Особенностью и преимуществом диборида гафния является очень малое газовыделение (гелий, водород) при «выгорании» бора.
  • В оптике применяется оксид гафния в связи с его температурной стойкостью (т. пл. 2780 °C) и очень высоким показателем преломления. Значительную сферу потребления гафния составляет производство специальных марок стекла для волоконно-оптических изделий, а также для получения особо высококачественных оптических изделий, покрытия зеркал, в том числе и для приборов ночного видения, тепловизоров. Схожую область применения имеет и фторид гафния.
  • Карбид и борид гафния (т. пл. 3250 °C) находят применение в качестве чрезвычайно износоустойчивых покрытий и производства сверхтвёрдых сплавов. Кроме того, карбид гафния является одним из самых тугоплавких соединений (т. пл. 3960 °C) и используется для производства сопел космических ракет и некоторых конструкционных элементов газофазных ядерных реактивных двигателей.
  • Гафний отличает сравнительно низкая работа выхода электрона (3,53 эВ), и поэтому он применяется для изготовления катодов мощных радиоламп и электронных пушек. В то же время это его качество наряду с высокой температурой плавления позволяет использовать гафний для производства электродов для сварки металлов в аргоне и особенно электродов (катодов) для сварки низкоуглеродистой стали в углекислом газе. Стойкость таких электродов в углекислом газе более чем в 3,7 раза выше, чем вольфрамовых. В качестве эффективных катодов с малой работой выхода применяется также гафнат бария.
  • Карбид гафния в виде мелкопористого керамического изделия может служить чрезвычайно эффективным коллектором электронов при условии испарения с его поверхности в вакууме паров цезия-133, в этом случае работа выхода электронов снижается менее чем 0,1—0,12 эВ, и этот эффект может быть использован для создания высокоэффективных термоэмиссионных электрогенераторов и частей мощных ионных двигателей.
  • На основе диборида гафния и никеля разработано и уже давно используется высокоизносоустойчивое и твёрдое композиционное покрытие.
  • Сплавы тантал-вольфрам-гафний являются лучшими сплавами для подачи топлива в газофазных ядерных ракетных двигателях.
  • Сплавы титана, легированные гафнием, применяются в судостроении (производство деталей судовых двигателей), а легирование гафнием никеля не только увеличивает его прочность и коррозионную стойкость, но и резко улучшает свариваемость и прочность сварных швов.
  • Карбид тантала-гафния. Добавление гафния к танталу резко увеличивает его стойкость к окислению на воздухе (жаростойкость) за счёт образования плотной и непроницаемой плёнки сложных оксидов на поверхности, и, кроме всего, эта плёнка оксидов очень стойка к теплосменам (тепловой удар). Эти свойства позволили создать очень важные сплавы для ракетной техники (сопла, газовые рули). Один из лучших сплавов гафния и тантала для сопел ракет содержит до 20 % гафния. Также следует отметить большой экономический эффект при применении сплава гафний-тантал для производства электродов для воздушно-плазменной и кислородно-пламенной резки металлов. Опыт применения такого сплава (гафний — 77 %, тантал — 20 %, вольфрам — 2 %, серебро — 0,5 %, цезий — 0,1 %, хром — 0,4 %) показал в 9 раз больший ресурс работы по сравнению с чистым гафнием.
  • Легирование гафнием резко упрочняет многие сплавы кобальта, очень важных в турбостроении, нефтяной, химической и пищевой промышленности.
  • Гафний используется в некоторых сплавах для сверхмощных постоянных магнитов на основе редких земель (в частности, на основе тербия и самария).
  • Сплав карбида гафния (HfC, 20 %) и карбида тантала (TaC, 80 %) является самым тугоплавким сплавом (т. пл. 4216 °C). Кроме того, есть отдельные указания на то, что при легировании этого сплава небольшим количеством карбида титана температура плавления может быть увеличена ещё на 180 градусов.
  • Добавлением 1 % гафния в алюминий получают сверхпрочные сплавы алюминия с размером зёрен металла 40—50 нм. При этом не только упрочняется сплав, но и достигается значительное относительное удлинение и повышается предел прочности при сдвиге и кручении, а также улучшается вибростойкость.
  • Диэлектрики с высокой диэлектрической проницаемостью на основе оксида гафния в течение следующего десятилетия заменят в микроэлектронике традиционный оксид кремния, что позволит достичь гораздо более высокой плотности элементов в чипах. С 2007 года диоксид гафния используется в 45-нм процессорах Intel Penryn. Также в качестве диэлектрика с высокой диэлектрической проницаемостью в электронике применяется силицид гафния. Сплавы гафния и скандия применяются в микроэлектронике для получения резистивных плёнок с особыми свойствами.
  • Гафний используется для производства высококачественных многослойных рентгеновских зеркал.

Гафний не играет никакой биологической роли в организме.

Источник: https://chemicalportal.ru/compounds/gafniy/

Металл гафний – область применения и цена за кг

Гафний

Прочный, твердый и тугоплавкий химический элемент серебристо-белого цвета. Впервые металл гафний, как химический элемент был открыт в 1923 году в столице Дании физиками Костером и Хивеши в результате выщелачивания металлического циркония кипящими кислотами из норвежской циркониевой руды.

Полученные в результате переработки оставшиеся химические вещества были подвержены тщательному анализу, и который анализ показал, что линии полученной рентгенограммы абсолютно точно совпадают с расчетно-ожидаемыми результатами для неизвестного в то время элемента №72, существование которого предсказал еще Менделеев. Обнаруженный металл было предложено назвать гафний, отнести его к 4-й группе и обозначить в периодической системе символом Hf.

Более подробные исследования определили, что этот химический элемент всегда присутствует в соединениях циркония, но в свободной форме в природе практически не встречается. При этом химические свойства, недавно открытого металла, полностью идентичны характеристикам элемента №40 – циркония.

В этом же 1923 году ученым удалось впервые выделить металлический гафний с чистотой 99%. Дальнейшие разработки позволили найти несколько различных способов разделения гафния и циркония, но все они оказались недостаточно эффективными, да и практического интереса в то время не представляли.

Ситуация с раздельным получением циркония и гафния стала меняться с развитием атомной энергетики.

Физические свойства циркония способны обеспечить эффективное поглощение нейтронов, а примеси гафния снижают эти показатели более чем в 20 раз.

Поэтому первоначально разделение этих двух химических элементов производилось с целью повышения чистоты циркония, а гидроокись гафния шла как побочный отвальный продукт и первоначально производителей и металлургов не заинтересовала.

Физические свойства элемента

Тугоплавкий гафний имеет температуру плавления 2222ºC и температуру кипения 5400ºC. Его плотность составляет 13,31 г/см3. Благодаря этим физическим качества гафний широко используется для изготовления высокопрочных и жаростойких материалов в металлургии, а так же в качестве легирующей добавки для получения новых прочных, термически устойчивых и нержавеющих материалов.

Чистый металл пластичен и может быть подвержен горячей и холодной обработке, хорошо сваривается и может быть применен для изготовления особо ответственных металлических конструкций, узлов и деталей.

Сплавы с использованием гафния

По своему внешнему виду и коррозионной стойкости сплавы металлов гафния и циркония не уступают по своим свойствам серебру, но значительно дешевле его. Благодаря этому материал получил достаточно широкое применение в электротехнике и электронике.

Применение подобных сплавов и соединений для изготовления сварочного оборудования и резки металла во много раз увеличивает рабочий ресурс и позволяет повысить качество обработки заготовок.

Легированный гафнием титан и его сплавы, применяют для изготовления особо ответственных узлов судовых двигателей, получения качественных сварных швов и улучшения показателей коррозионной стойкости металлов. При добавлении всего 1% этого металла в алюминий можно получать легкие и очень прочные сплавы.

Гафний используют при создании сверхмощных магнитов постоянного типа на основе редкоземельных материалов. Его применяют для изготовления многослойных высококачественных зеркальных материалов для технических нужд и научных исследований.

Сегодня ведутся разработки по использованию гафния для изготовления сверхмощных аккумуляторов, которые будут способны заменять по 2-3 тонный бензина на каждый килограмм веса источника электрической энергии.

Область применения

В середине XX века для гафния были определены шесть существующих изотопов, при этом каждый из них имеет свою способность к поглощению илучения.

Этот химический элемент начинают использовать для изготовления стержней-поглотителей при работе ядерных реакторов. Были открыты и другие полезные свойства этого металла.

И в результате за 10 лет производство гафнияувеличилось с 40 кг/год до 60 тонн.

72-й химический элемент имеет высокую механическую прочность, отличается жаростойкостью и рядом других полезных свойств. Поэтому кроме ядерной энергетики гафний применяют для;

  • производства особо прочных и жаростойких сплавов в металлургии;
  • изготовления микросхем и электронных приборов;
  • в производстве рентгеновских и телевизионных лучевых трубок;
  • нанесения защитных покрытий от воздействия коррозии;
  • изготовления электродов в лампах накаливания;
  • сплав гафния с танталом используется в ракетной технике;
  • в химическом производстве, как металл устойчивый к воздействию кислот, щелочей и других химически активных веществ.

Высокая прочность и плотность гафниевого материала способствовали его применению в оптике и аэрокосмических отраслях. 90% элемента химического №72 используется сегодня в ядерной энергетике, для изготовления элементов защиты.

Однако высокая стоимость гафния ограничивает его широкое применение и наиболее часто его используют в виде тонкого защитного покрытия на поверхности более дешевых металлов. Дороговизна этих металлов объясняется трудоемкостью его получения, а так же относительно небольшими и рассеянными запасами в земной коре.

География добычи цирконов

Обычное содержание двуокиси гафния в составе цирконов не превышает 2%, и только самые богатые месторождения в Нигерии могут содержать до 5% этого минерала. Высоким содержанием циркониевых руд, содержащих гафний, отличаются прибрежные морские отмели в различных странах мира и речные донные отложения. В Российской федерации месторождения цирконов разрабатываются на Урале в Хибинах.

Статистические данные о мировом уровне добычи сообщают об объемах 50-60 тонн металлического гафния и 2,5 тонн циркония.

Технологии промышленного получения гафния

Исходным сырьем для получения гафния являются минеральные циркониевые руды и в первую очередь ZrSiO4, в котором присутствует до 2% металла по условиям производства могут быть замещены атомами гафния.

По технологии для получения металлического гафния и циркония минералы измельчают и смешивают с углеродосодержащим материалом, например графитом. После этого такую смесь подают в печь нагретую до 1800˚ C без подачи чистого воздуха на горение. При этом гафний и цирконий с углеродной пылью, образуя карбиды и готовы к дальнейшей технической переработке, но уже по отдельности.

Потом полученные материалы снова измельчают, загружают в шахтную печь и нагревают до 500˚C в присутствии газообразного хлора, для образования тетрахлоридных соединений гафния, циркония и использования их для получения чистых металлов в результате дробной кристаллизации.

По сути, на сегодняшний день весь производимый гафний это результат попутной переработки исходного сырья с целью получения чистого циркония для обеспечения реакторных технологий в ядерной энергетике. При этом для получения 1 кг гафния перерабатывается около 50 кг циркония. Поэтому общие объемы производства этих металлов напрямую зависит от объемов добычи циркония.

Стоимость гафния на мировом рынке

Мировое лидерство в производстве гафния сегодня удерживают американские компании Western Zirconium и Allegheny Technologies, а так же французская Cezus. Они в значительной мере способный повлиять на стоимость этого металла на мировом рынке, которая сегодня в среднем составляет около 710 USD/кг.

В России гафний можно купить в виде металлического листа, проволоки, прутка, отливок или порошка. В чистом виде этот материал распространен не столь широко и наиболее часто применяют в виде специальных сплавов или химических соединений.

Учитывая высокую стоимость гафния, его соединений и сплавов их применение в каждом отдельном случае должно быть технически и экономически обосновано. Использование этого металла в производстве должно происходить только при отсутствии других, более дешевых, материалов для решения технологических и производственных задач.

В условиях столь высоких цен и небольшого уровня добычи вопросы вторичной переработки гафния и его сплавов становятся весьма актуальными и своевременными. Благодаря гафнию появилась возможность создания особо прочных, жаростойких материалов для решения сложнейших инженерных задач.

Источник: https://prompriem.ru/stati/gafnij.html

Гафний – все о редком металле | XLOM.RU – это лучший портал о металлоломе и вторсырье в России!

Гафний

Немного об истории рения:

Д.И. Менделеев еще в 1870 году предсказал существования Гафния или 72 элементы химической таблицы. Однако поиск был направлен в сторону редкоземельных металлов. Только в 1921 году Бор представил теорию, где предполагалось, что 72 элемент должен быть подобен по своей структуре цирконию.

Ученые из Венгрии и Голландии: Д. Хевеши и Д. Костер были заняты изучением минералов циркония рентгеноспектральным методом. В ходе исследований они обнаружили Гафний, назвав металл в честь города, где произошло открытие, Копенгаген (лат. Hafnium). Только в 1949 году Hf был утвержден, как элемент периодической таблицы Менделеева и данное название было принято всеми.

По приблизительным оценкам зарубежных источников залежи Гафния на планете составляют около 600 тыс. тонн. Добывают его в основном из руд, содержащих цирконий, где процент Hf довольно низок, всего 1-2 %. Однако некоторые минералы циркония содержат до 4% металла с 72 порядковым номером.

Также минерал скандия, Тортвейтит, содержит несколько процентов Hf, тогда как циркония значительно меньше. Это учитывается при переработке минерала на скандий и извлечения гафния из него.

Если посмотреть на фото гафния, его различные модификации, то можно убедиться в его многообразии. С цирконием он выглядит, как полупрозрачный золотисто-серебряный камень.

Силицид гафния – порошок почти черного цвета, даже без намека на блеск, диоксид гафния напоминает кашу саго (это белые крупинки правильной круглой формы).

Наиболее известное место, где достоверно использовался гафний, называют лунный модуль Аполлон (его сопло изготовлено из карбида гафния).

На фото силицид гафния

В чистом виде Hf эстетически приятный на вид металл, ковкий, плавкий. Покрывается окислительной пленкой, за счет чего долгое время хранится на открытом воздухе без видимых изменений.

Применение гафния обуславливается его физическими и химическими свойствами

Наиболее важными считаются такие параметры:

  • гафний обладает гексагональной решеткой;
  • имеет плотность чистого вещества при t 20 °С равна 13,09 г/см3;
  • плавится и кипит при таких температурах: 2222 °С, 4600 °С, соответственно;
  • поглощает тепловые нейтроны;
  • интересен высокой эмиссионной способностью.

Как уже отмечалось, Hafnium очень схож своими химическими свойствами с цирконием. Подобны и их соединения. Однако ощутимая разница в поперечных сечениях захвата нейтронов (в тысячи раз) делает их принципиально отличными элементами с точки зрения атомной и ядерной физики. Hafnium хорошо подходит для изготовления регуляторов стержней реакторов, а также защитных экранов от потока нейтронов.

Широкое применение гафний нашел в реакторах

Такие радиально противоположные свойства уже более полувека заставляют ученых работать над проблематикой экономически выгодных методов получения чистых материалов: Hf и Zr.

Конкретные места применения сплавов и соединений

Кроме атомной промышленности, гафний востребован в металлургии, как легирующее вещество. Будучи тугоплавким металлом, он делает сплавы с кобальтом, никелем, титаном более прочными.

Благодаря этому HfCo нашли свое применение в турбостроении, а также нескольких видах промышленности: пищевой, нефтяной, химической.

Фото с завода турбостроения ОАО “Турбоатом”

HfNi добавление даже малой доли гафния в сплавы никеля положительно влияют на процессы сварки, швы получаются равномерными, незаметными и прочными, как и весь сплав. Дополнительно к этому повышается антикоррозийная способность материала.

Износостойкие нитридные покрытия, используемые на лопастях газовых турбин методом катодно-ионной бомбардировки, легируют, применяя катоды из циркония с гафнием (ЦГ20). Это в 3-4 раза увеличивает эксплуатационную пригодность.

HfТi легированный титан активно используется в судостроительстве, где активно применяется для деталей двигателей.

Сверхмощные постоянные магниты, например, тербия и самария не обходятся без присутствия Hf в своих составах.

Также славятся своей тугоплавкостью карбид гафния (20), считающийся аналогом карбида тантала (80).

Гафний значительно улучшает свойства алюминия. Всего 1% легирующего металла и можно говорить о прочном сплаве, повышенном пределе прочности при механических деформациях: сдвиг и кручение. Улучшается вибростойкость.

Благодаря высокой диэлектрической проницаемости Hf, может стать элементом следующего поколения, его оксиды должны заменить SiO в микроэлектронике. Интересный факт: Intel Penryn использует HfО в 45- нмпроцессорах.

Кроме того, высокий показатель преломления оксида гафния способствует тому, чтобы использовать его при изготовлении приборов ночного виденья (это специальные марки стекол).

Большое будущее ждет HfSi, который также обладает высокой диэлектрической проницаемостью (специальная керамика). Также в микроэлектронике требуются резистивные пленки с заданными параметрами: сплавы Hf и скандия – отличный материал для их производства.

Еще одна область, где активно применяется Hf – это производство многослойных рентгеновских зеркал. При их изготовлении силицид гафния не принимает прямого вхождения.

Однако общий вид формулы H2 + SiC + Si говорит об активном участии бромида и кремния в создании прочных стекол. Подобная методика используется для выполнения высокопрочных пленок напылением или нанесением специальной кисточкой.

Иногда данную методику так и называют поверхностное легирование.

То ли правда, то ли ложь

Еще в 50-60-ые годы прошлого столетия конкурирующие государства США и СССР работали над созданием «гафниевой пули». Переход электронов на более высокие энергетические уровни происходит с поглощением кванта энергии. Когда электрон перескакивает на более низкий уровень – квант испускается. Это хорошо знакомая многим теория. Этот факт используется при создании лазеров.

Подобные процессы с захватом и испусканием происходят внутри атомного ядра, некоторых элементов. Примером служит гафниевый изотоп 176Hf. При накачивании его гамма-излучением, нуклонные поверхности загоняются в верхние энергетические уровни, остаются там в метастабильном состоянии. При переходе на низкий энергетический уровень нуклонные поверхности испускают дополнительное гамма-излучение.

Подсчитано, что 1грамм такого гафния может заменить 50 кг тротила. Однако есть ряд статей, где досконально объясняются трудности добычи изотопа гафния 176. Это не только трудно, а также экономически нерентабельно, как оказалось, даже для двух держав, ведущих жесткую конкуренцию в области военного влияния (США и СССР имеются ввиду).

Насколько, удалось найти в литературе, тогда же в 50-60-ые были приостановлены испытания по использованию этого металла для военных нужд (создания оружия).

Гафний на рынке вторичного сырья

Столь многогранные формы использования Hf порождают не малый интерес к металлу на рынке вторичного сырья. Объявления «куплю гафний в любом виде» сопровождают почти каждый пункт, принимающий лом радиоэлектроники и не только. Цена Hf достаточно высока на рынке металлов.

Крупные промышленные корпорации также заинтересованы в приобретении металла, поскольку мировая годовая добыча гафния, чаще всего пропорциональна получению циркония и это очень низкие показатели.

Между тем даже на экранах мониторов, телевизоров, среди лома радиодеталей есть доля гафния, который принимают даже в таком виде (хотя сдавать приходится на лом бытовой предмет, иногда даже оплачивая утилизацию).

Силицид гафния довольно распространенный материал, который также востребован на рынке вторичного сырья.

Готовы потребители покупать йодидный Hafnium, не упоминавшийся до этого. Это специальные прутки необходимые для проведения исследований. Этот материал описан ГОСТ 22517-77. Там можно найти подробное описание тому, как проверяют качество гафния. Впрочем, с 1977 года часть появилось много более совершенных методов.

Источник: https://xlom.ru/spravochnik/gafnij-vse-o-redkom-metalle

ГА́ФНИЙ

Гафний

Авторы: М. Л. Коцарь, Э. Г. Раков

ГА́ФНИЙ (лат. Hafnium), Hf, хи­мич. эле­мент IV груп­пы ко­рот­кой фор­мы (4-й груп­пы длин­ной фор­мы) пе­рио­дич. сис­те­мы, пе­ре­ход­ный ме­талл, ат. н. 72, ат. м. 178,49. При­род­ный Г.

со­сто­ит из 6 изо­топов – сла­бо­ра­дио­ак­тив­но­го 174Hf (0,16%, α-из­лу­ча­тель, Т1/2 2·1015 лет) и ста­бильных: 176Hf (5,26%), 177Hf (18,60%), 178Hf (27,28%), 179Hf (13,62%) и 180Hf (35,08%).

Ис­кус­ст­вен­но по­лу­че­ны ра­дио­ак­тив­ные изо­то­пы с мас­со­вы­ми чис­ла­ми 151, 154–185.

Историческая справка

По­ло­же­ние Г. в пе­рио­дич. сис­те­ме пред­ска­за­но Д. И. Мен­де­лее­вым в 1870. Эле­мент был об­на­ру­жен Г. Хе­ве­ши и ни­дерл. фи­зи­ком Д.

 Кос­те­ром в 1923 при рент­ге­нос­пек­траль­ном ана­ли­зе руд цир­ко­ния; назв. про­ис­хо­дит от позд­не­лат. Hafnia, что оз­на­ча­ет Ко­пен­га­ген – ме­сто от­кры­тия эле­мен­та.

В ков­ком со­стоя­нии впер­вые по­лу­чен ни­дерл. хи­ми­ка­ми Я. Х. де Бу­ром и А. ван Ар­ке­лом в 1925.

Распространённость в природе

Со­дер­жа­ние Г. в зем­ной ко­ре 3,2·10–4% (по мас­се); Г. при­над­ле­жит к рас­се­ян­ным эле­мен­там, не име­ет собств. ми­не­ра­лов и в при­ро­де со­пут­ст­ву­ет цир­ко­нию. Наи­бо­лее бо­га­ты Г. ред­кие ми­не­ра­лы на­эгит, ма­ла­кон (оба со­дер­жат до 7,0% по мас­се Г.) и аль­вит (до 15% по мас­се).

Свойства

Кон­фи­гу­ра­ция внеш­ней элек­трон­ной обо­лоч­ки ато­ма 5d26s2; в со­еди­не­ни­ях про­яв­ля­ет сте­пень окис­ле­ния +4, ред­ко +3, +2; элек­тро­от­ри­ца­тель­ность по По­лин­гу 1,3; атом­ный ра­ди­ус 156 пм, ион­ный ра­ди­ус Hf4+ 82 пм (ко­ор­ди­нац. чис­ло 6).

Г. – се­реб­ри­сто-бе­лый (в ви­де по­рош­ка – тём­но-се­рый) пла­стич­ный ме­талл, tпл 2230 °C, tкип ок. 4600 °C, плот­ность 13310 кг/м3; ни­же 1740 °C ус­той­чи­ва гек­са­го­наль­ная плот­но­упа­ко­ван­ная α -мо­ди­фи­ка­ция, вы­ше – ку­би­че­ская β-мо­ди­фи­ка­ция.

Те­п­ло­ём­кость (при по­сто­ян­ном дав­ле­нии, в стан­дарт­ном со­стоя­нии) 25,7 Дж/(моль·К), те­п­ло­про­вод­ность при на­гре­ва­нии от 50 до 500 °C умень­ша­ет­ся от 22,3 до 20,5 Вт/(м·К), удель­ное элек­трич. со­про­тив­ле­ние со­став­ля­ет 40,0·10–8 Ом·м (20 °C) и 170·10–8 Ом·м (1500 °C). Г.

об­ла­да­ет вы­со­ки­ми по­пе­реч­ным се­че­ни­ем за­хва­та те­п­ло­вых ней­тро­нов 115·10–28 м2 и эмис­си­он­ной спо­соб­но­стью – ра­бо­та вы­хо­да элек­тро­на для α-мо­ди­фи­ка­ции 3,53 эВ. Мо­дуль Юн­га ра­вен 78 ГПа, ко­эф. Пу­ас­со­на 0,37, твёр­дость по Бри­нел­лю 1700 МПа. Ме­ха­нич. свой­ст­ва Г.

за­ви­сят от со­дер­жа­ния при­ме­сей и оп­ре­де­ля­ют­ся спо­со­бом его по­лу­че­ния и ра­фи­ни­ро­ва­ния. Чис­тый Г. под­да­ёт­ся про­кат­ке, ков­ке, штам­пов­ке.

В ком­пакт­ном ви­де Г. ус­той­чив на воз­ду­хе и лишь при на­гре­ва­нии до 500–600 °C на­чи­на­ет мед­лен­но окис­лять­ся, вы­ше 700 °C об­ра­зу­ет­ся ди­ок­сид HfO2. По­рош­ко­об­раз­ный Г. пи­ро­фо­рен. До темп-ры 300 °C ус­той­чив к дей­ст­вию па­ров во­ды.

Не взаи­мо­дей­ст­ву­ет с рас­тво­ра­ми ще­ло­чей, до 100 °C – с HCl, H2SO4 и HNO3, но рас­тво­ря­ет­ся в сме­сях ми­нер. ки­слот, осо­бен­но в при­сут­ст­вии фто­рид-ио­нов. При на­гре­ва­нии взаи­мо­дей­ст­ву­ет с га­ло­ге­на­ми, об­ра­зуя тет­ра­га­ло­ге­ни­ды.

Об­ра­зу­ет нит­рид HfN, кар­бид HfC, си­ли­ци­ды HfSi, HfSi2 и др., ко­то­рые при­над­ле­жат к ту­го­плав­ким со­еди­не­ни­ям.

К важ­ней­шим со­еди­не­ни­ям Г. от­но­сят­ся ди­ок­сид HfO2, тет­раф­то­рид HfF4, тет­ра­хло­рид HfCl4, тет­раи­о­дид HfI4, гидр­о­кси­ды об­щей фор­му­лы HfO2·xH2O, гид­ро­ксо­нит­рат Hf(OH)2(NO3)2·H2O, гаф­на­ты (со­ли гид­ро­кси­дов), фто­ро­гаф­на­ты (ком­плек­сы тет­раф­то­ри­да Г. с фто­ри­да­ми ме­тал­лов).

Ваш педагог
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: