Hafnium

český názevHafnium
latinský názevHafnium
anglický názevHafnium
chemická značkaHf
protonové číslo72
relativní atomová hmotnost178,49
perioda6
skupinaIV.B
zařazenípřechodné kovy
rok objevu1923
objviteléD. Coster,
G. von Hevesey
teplota tání [°C]2227
teplota varu [°C]4602
hustota [g cm-3]13,2
hustota při teplotě tání [g cm-3]12,0
elektronegativita1,3
standardní el. potenciál [V]−1,7
oxidační stavyII, III, IV
elektronová konfigurace[Xe]4f14 5d2 6s2
atomový poloměr [pm]208
kovalentní poloměr [pm]150
specifické teplo [J g-1K-1]0,14
slučovací teplo [kJ mol-1]24,06
skupenské teplo tání [kJ mol-1]630
tepelná vodivost [W m-1 K-1]23
elektrická vodivost [S m-1]3,3.106
1. ionizační potenciál [eV]6,8251
2. ionizační potenciál [eV]14,925
3. ionizační potenciál [eV]23,32
tvrdost podle Mohse5,5
tvrdost podle Vickerse [MPa]1760
tvrdost podle Brinella [MPa]1700
modul pružnosti ve smyku [GPa]30
modul pružnosti v tahu [GPa]78
bod supravodivosti [K]0,128
skupenství za norm. podmíneks

Chemické vlastnosti

HafniumChemický prvek hafnium je velmi lesklý, kujný a tažný kov. Práškové hafnium je pyroforní. Ve sloučeninách vystupuje hafnium téměř vždy jako čtyřmocné, redukce na trojmocné nebo dvoumocné hafnium je značně obtížná. Ze sloučenin dvou a trojmocného hafnia byly připraveny pouze černý bromid hafnatý HfBr2 a modrý bromid hafnitý HfBr3.

Při teplotě přes 700°C reaguje s vodíkem za vzniku hydridu HfH1,86.

Hafnium je dobře rozpustné v koncentrované i zředěné kyselině fluorovodíkové:

Hf + 6HF → H2[HfF6] + 2H2
Hf + 4HF + H2O → H2[HfOF4] + 2H2

Reakce hafnia s koncentrovanou kyselinou sírovou a lučavkou královskou probíhají zvolna:

Hf + 4H2SO4 → H2[Hf(SO4)2O] + 2SO2 + 3H2O
3Hf + 6HCl + 4HNO3 → [Hf3Cl3(OH)6]Cl3 + 4NO + 2H2O

Při teplotě nad 300°C reaguje s vodní párou za vzniku oxidu hafničitého HfO2 a malého množství hydridu HfH2.

Chemické i fyzikální vlastnosti hafnia i všech jeho sloučenin se zcela podobají vlastnostem zirkonia a jeho sloučenin. Vzájemná podobnost dvojice hafnium - zirkonium je největší v celé periodické soustavě.

Výskyt v přírodě

V přírodě se hafnium nalézá vždy v přítomnosti zirkonia. Průměrný obsah hafnia v zemské kůře je 3,3 ppm. Přírodní hafnium je směsí pěti stabilních izotopů a radioaktivního izotopu 174Hf s poločasem rozpadu 2·1015 let. Uměle bylo připraveno dalších 27 radioaktivních izotopů hafnia s nukleonovými čísly 154 až 185.

Jediný známý samostatný minerál hafnia je vzácný nerost hafnon HfSiO4, většina hafnia se vyskytuje jako izomorfní příměs v nerostech zirkonia, např. v zirkonu ZrSiO4, allendeitu Sc4Zr3O12 nebo lakargitu CaZrO3. V ČR se hafnium nalézá v cenomanských a turonských vrstvách Strážského bloku české křídové pánve a ve fenitech v lokalitě Hůrky, celkové zásoby hafnia v ČR dosahují hodnoty 5000 t čistého kovu.

Výroba a využití hafnia

Výroba hafnia se prováděla rekrystalizací podvojných fluoridů získaných z odpadních produktů po rafinaci zirkonia. V současnosti se hafnium odděluje selektivní extrakcí nebo pomocí iontoměničů. Průmyslová výroba hafnia se nejčastěji provádí Krollovou metodou:

HfO2 + 2Cl2 + 2C → HfCl4 + 2CO
HfCl4 + 2Mg → Hf + 2MgCl2

Laboratorní příprava čistého kovového hafnia se provádí tepelným rozkladem jodidu hafničitého HfI4 pomocí rozžhaveného wolframového vlákna.

Největším výrobcem kovového hafnia, s roční produkcí okolo 50 t je Francie, cena hafnia se v roce 2011 pohybovala okolo 562 USD/kg. Do ČR byly v roce 2011 dovezeny 2 kg surového hafnia, průměrná dovozní cena činila 27 500 Kč za 1 kg.

Hafnium se vyznačuje velmi silnou absorpcí termických neutronů a používá se k výrobě regulačních tyčí do jaderných reaktorů ponorek.

Slitiny hafnia s titanem, tantalem a niobem se využívají ke konstrukci tepelně namáhaných součástí proudových a raketových motorů. Hafnium se používá k výrobě elektrod pro svařování měkké oceli v ochranné atmosféře argonu nebo oxidu uhličitého.

Oxid hafničitý HfO2 se používá k výrobě žáruvzdorného skla a společně s HfSiON a HfSiO k výrobě pokročilých počítačových čipů, kde slouží jako dielektrikum. Karbid hafnia HfC má teplotu tání 3890°C a společně s nitridem hafnia se používá ke konstrukci tepelně namáhaných trysek plazmových hořáků a proudových motorů. Fluorid hafničitý je složkou speciálních skel pro výrobu optických vláken a přístrojů pro noční vidění.

Metastabilní izotop 178mHf byl v letech 1998-2004 objektem vojenského výzkumu jako perspektivní materiál pro konstrukci jaderných zbraní nové generace.

Zdroje

lutecium ← hafnium → tantal

TOPlist