องค์ประกอบทางเคมีของแฮฟเนียม

แฮฟเนียม (Hf)องค์ประกอบทางเคมี (เลขอะตอม 72) โลหะของกลุ่ม 4 (IVb) ของตารางธาตุ มันเป็นโลหะดัดที่มีความมันวาวสีเงินที่สวยงาม นักฟิสิกส์ชาวดัตช์เดิร์คคอสเตอร์และนักเคมีชาวสวีเดนชาวสวีเดนจอร์จชาร์ลส์ฟอนเฮวิซีค้นพบแฮฟเนียม (1923) ในวงกลมนอร์เวย์และกรีนแลนด์โดยการวิเคราะห์สเปกตรัมรังสีเอกซ์ พวกเขาตั้งชื่อองค์ประกอบใหม่สำหรับโคเปนเฮเกน (ในละตินใหม่, ฮาฟาเนีย) ซึ่งเป็นเมืองที่ถูกค้นพบ แฮฟเนียมถูกแยกย้ายกันไปในเปลือกโลกถึงสามส่วนต่อล้านส่วนและพบอยู่เสมอในแร่ธาตุเซอร์โคเนียมถึงไม่กี่เปอร์เซ็นต์เมื่อเทียบกับเซอร์โคเนียม ตัวอย่างเช่น zircon แร่ธาตุ ZrSiO ₄ (zirconium orthosilicate) และ baddeleyite ซึ่งเป็นเซอร์โคเนียมไดออกไซด์บริสุทธิ์โดยพื้นฐานคือ ZrO ₂โดยทั่วไปจะมีเนื้อหาแฮฟเนียมที่แตกต่างกันจากไม่กี่สิบเปอร์เซ็นต์ของ 1 ถึงหลายเปอร์เซ็นต์ zircons ที่ได้รับการเปลี่ยนแปลงเช่น alvites และ cyrtolites ผลิตภัณฑ์ที่ตกผลึกตกค้างแสดงให้เห็นเปอร์เซ็นต์ของแฮฟเนียมที่มากขึ้น (แฮฟเนียมออกไซด์ถึง 17 เปอร์เซ็นต์ในไซโทรไลต์จาก Rockport, Mass., US) แหล่งที่พบในเชิงพาณิชย์ของแร่ธาตุเซอร์โคเนียมที่มีแร่ลูกปืนแฮฟเนียมพบได้ในหาดทรายและกรวดแม่น้ำในสหรัฐอเมริกา (โดยเฉพาะในฟลอริดา), ออสเตรเลีย, บราซิล, แอฟริกาตะวันตกและอินเดีย Hafnium ได้รับการพิสูจน์แล้วว่าอยู่ในชั้นบรรยากาศของดวงอาทิตย์

เทคนิคการแลกเปลี่ยนไอออนและการสกัดด้วยตัวทำละลายมีการตกผลึกแบบเศษส่วนและการกลั่นเป็นวิธีที่ต้องการในการแยกแฮฟเนียมจากเซอร์โคเนียม ในขั้นตอนนี้เซอร์โคเนียมเททราคลอไรด์ดิบจะละลายในสารละลายของแอมโมเนียมไทโอไซยาเนตและเมธิลไอโซบิวทิลคีโตนจะถูกส่งผ่านกลับไปยังส่วนผสมที่เป็นน้ำโดยมีผลให้สารแฮฟเนียม โลหะถูกเตรียมโดยการลดแมกนีเซียมของแฮฟเนียมเทตร้าคลอไรด์ (กระบวนการ Kroll ซึ่งใช้สำหรับไทเทเนียม) และจากการสลายตัวทางความร้อนของเทตราไรด์ (กระบวนการเดอโบเออร์ - แวนอาร์เคล)

สำหรับจุดประสงค์บางอย่างการแยกองค์ประกอบทั้งสองนั้นไม่สำคัญ เซอร์โคเนียมที่มีส่วนผสมของแฮฟเนียมประมาณ 1 เปอร์เซ็นต์นั้นเป็นที่ยอมรับเช่นเดียวกับเซอร์โคเนียมบริสุทธิ์ ในกรณีของการใช้งานครั้งเดียวที่ใหญ่ที่สุดของเซอร์โคเนียมคือในฐานะที่เป็นโครงสร้างและวัสดุหุ้มในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์มันเป็นสิ่งสำคัญที่เซอร์โคเนียมจะต้องปราศจากฮาฟเนียมเป็นหลักเพราะประโยชน์ของเซอร์โคเนียมในเครื่องปฏิกรณ์นั้นมีค่าต่ำ การดูดกลืนขวางสำหรับนิวตรอน แฮฟเนียมมีส่วนตัดที่สูงมากและแม้กระทั่งการปนเปื้อนของแฮฟเนียมเพียงเล็กน้อยก็ทำให้ความได้เปรียบของเซอร์โคเนียมลดลง เนื่องจากส่วนตัดขวางจับนิวตรอนสูงและคุณสมบัติเชิงกลที่ยอดเยี่ยมแฮฟเนียมจึงถูกนำมาใช้เพื่อผลิตแท่งควบคุมนิวเคลียร์

แฮฟเนียมผลิตฟิล์มป้องกันของออกไซด์หรือไนไตรด์เมื่อสัมผัสกับอากาศจึงมีความต้านทานการกัดกร่อนสูง แฮฟเนียมมีความทนทานต่อกรดและละลายได้ดีที่สุดในกรดไฮโดรฟลูออริกซึ่งขั้นตอนการก่อตัวของสารประกอบเชิงซ้อนของฟลูออโรอิออนมีความสำคัญในการทำให้สารละลายเสถียร ที่อุณหภูมิปกติแฮฟเนียมไม่ได้ทำปฏิกิริยาโดยเฉพาะอย่างยิ่ง แต่จะค่อนข้างทำปฏิกิริยากับความหลากหลายของอโลหะที่อุณหภูมิสูง เป็นโลหะผสมกับเหล็กไนโอเบียมแทนทาลัมไทเทเนียมและโลหะทรานซิชันอื่น ๆ โลหะผสมแทนทาลัมแฮฟเนียมคาร์ไบด์ (Ta ₄ HfC ₅) มีจุดหลอมเหลว 4,215 ° C (7,619 ° F) เป็นหนึ่งในวัสดุทนไฟที่รู้จักมากที่สุด

แฮฟเนียมมีคุณสมบัติทางเคมีคล้ายกับเซอร์โคเนียม โลหะทรานซิชันทั้งสองมีการกำหนดค่าทางอิเล็กทรอนิกส์ที่คล้ายกันและรัศมีไอออนิก (Zr ⁴⁺, 0.74 Å, และ Hf ⁴⁺, 0.75 Å) และรัศมีอะตอม (เซอร์โคเนียม, 1.45 Åและแฮฟเนียม 1.44 Å) เกือบเหมือนกันเพราะอิทธิพล ของการหดตัวของแลนทานัม ในความเป็นจริงพฤติกรรมทางเคมีขององค์ประกอบทั้งสองนี้มีความคล้ายคลึงกันมากกว่าคู่อื่น ๆ ที่รู้จักกัน แม้ว่าจะมีการศึกษาทางเคมีของแฮฟเนียมน้อยกว่าเซอร์โคเนียม แต่ทั้งสองมีความคล้ายคลึงกันดังนั้นจึงมีความแตกต่างเชิงปริมาณเพียงเล็กน้อยเช่นในการละลายและความผันผวนของสารประกอบในกรณีที่ไม่ได้รับการตรวจสอบจริง แฮฟเนียมธรรมชาติเป็นส่วนผสมของไอโซโทปที่มีเสถียรภาพ 6 ชนิดคือแฮฟเนียม -177 (0.2 เปอร์เซ็นต์), แฮฟเนียม -176 (5.2 เปอร์เซ็นต์), แฮฟเนียม -177 (177.6 เปอร์เซ็นต์), แฮฟเนียม -177 (178.1 เปอร์เซ็นต์), แฮฟเนียม -177 (13.7 เปอร์เซ็นต์) และแฮฟเนียม -180 (ร้อยละ 35.2)

ความเคารพที่สำคัญที่สุดที่แฮฟเนียมแตกต่างจากไทเทเนียมคือสถานะการเกิดออกซิเดชั่นที่ต่ำกว่านั้นมีความสำคัญเล็กน้อย มีสารประกอบแฮฟเนียมค่อนข้างน้อยที่นอกเหนือจากรัฐเตตร้าวาเลนท์ (อย่างไรก็ตามมีสารประกอบไตรวาเลนท์อยู่สองสามตัว) ขนาดของอะตอมที่เพิ่มขึ้นทำให้ออกไซด์พื้นฐานมากขึ้นและสารเคมีที่เป็นน้ำค่อนข้างกว้างขวางมากขึ้นและอนุญาตให้มีการประสานงานหมายเลข 7 และบ่อยครั้งที่ 8 ในจำนวนสารประกอบแฮฟเนียม

คุณสมบัติองค์ประกอบ

เลขอะตอม	72
น้ำหนักปรมาณู	178.49
จุดหลอมเหลว	2,227 ° C (4,041 ° F)
จุดเดือด	4,603 ° C (8,317 ° F)
แรงดึงดูดเฉพาะ	13.31 (20 ° C)
สถานะออกซิเดชัน	4
config อิเล็กตรอน	[Xe] 4f ¹⁴ 5d ² 6s ²