Гафний

Физические свойства

Химические свойства

Получение

Применение

Гафний (лат. Hafnium), Hf, химический элемент IV группы периодической системы Менделеева; порядковый номер 72, атомная масса 178,49; серебристо-белый металл. В состав природного Гафния входят 6 стабильных изотопов с массовыми числами 174, 176-180. Существование Гафния было предсказано Д.И. Менделеевым в 1870 году. В 1921 году Н. Бор показал, что элемент № 72 должен иметь строение атома, подобное цирконию, и что, следовательно, его надо искать не среди редкоземельных элементов, как думали раньше, а среди минералов циркония. Венгерский химик Д. Хевеши и голландский физик Д. Костер систематически исследовали минералы циркония методом рентгеноспектралыюго анализа и в 1922 году обнаружили элемент № 72, назвав его Гафний по месту открытия - городу Копенгагену (позднелат. Hafnia).

Гафний не имеет собственных минералов и в природе обычно сопутствует цирконию. В земной коре содержится 3,2·10^-4% Гафния по массе, в большинстве циркониевых минералов его содержание составляет от 1-2 до 6-7%, во вторичных минералах - иногда до 35%. Наиболее ценным промышленным типом месторождений Гафния являются морские и аллювиальные россыпи минерала циркона.

Физические свойства Гафния. При обычной температуре Гафний имеет гексагональную решетку с периодами а = 3,1946Å и с = 5,0511Å. Плотность Гафния 13,09 г/см³ (20 °С). Гафний тугоплавок, его t_пл 2222 °С, t_кип 5400 °С. Атомная теплоемкость 26,3 кдж/(кмоль·К) [6,27 кал/(моль·град)] (25-100°С); удельное электросопротивление 32,4·10^-8 ом·м (0°С). Особенность Гафния - высокая эмиссионная способность; работа выхода электрона 5,77·10^-19 дж, или 3,60 эв (980-1550°С); Гафний имеет высокое сечение захвата тепловых нейтронов, равное 115·10^-28м², или 115 барн (у циркония 0,18·10^-28 м², или 0,18 барн). Чистый Гафний пластичен, легко поддается холодной и горячей обработке (прокатке, ковке, штамповке).

Химические свойства Гафния. По химические свойствам Гафний очень похож на цирконий вследствие почти одинаковых размеров ионов этих элементов и полного сходства электронной структуры. Однако химическая активность Гафния несколько меньше, чем Zr. Основная валентность Гафния равна 4. Известны также соединения 3-, 2- и 1-валентного Гафния.

При комнатной температуре компактный Гафний совершенно устойчив к атмосферным газам. Однако при нагревании выше 600 °С быстро окисляется и взаимодействует, подобно цирконию, с азотом и водородом. Гафний отличается коррозионной стойкостью в чистой воде и водяных парах до температур 400 °С. Порошкообразный Гафний пирофорен. Оксид Гафния HfO₂ - белое тугоплавкое (t_пл 2780 °С) вещество, обладающее высокой химические стойкостью. Оксид Гафния (IV) и соответствующие ей гидрооксиды [HfO₂·xH₂O и НfO(ОН)₂] амфотерны с преобладанием основных свойств. При нагревании HfO₂ с щелочами и оксидами щелочноземельных металлов образуются гафнаты, например Ме₂НfO₃, Ме₄НfО₄, Me₂Hf₂O₃.

При нагревании Гафний реагирует с галогенами, образуя соединения типа HfX₄ (тетрафторид HfF₄, тетрахлорид HfCl₄ и другие). При высокой температуре Гафний взаимодействует с углеродом, бором, азотом, кремнием, образуя металлоподобные, тугоплавкие, весьма устойчивые по отношению к химические реагентам соединения: HfB, HfB₂ (t_пл 3250 °С), HfC (t_пл 3887 °С), HfN (t_пл 3310 °С), Hf₂Si, HfSi, HfSi₂. Металлический Гафний растворяется в плавиковой и концентрированной серной кислотах и расплавленных фторидах щелочных металлов. Он практически не растворим в азотной, соляной, фосфорной и органических кислотах и весьма устойчив по отношению к растворам щелочей. К числу хорошо растворимых в воде соединений Гафния, которые находят применение в технологии и аналитической химии Гафния, принадлежат тетрахлорид и оксихлорид - HfCl₄ и НfOCl₂·8Н₂О, нитраты и сульфаты Гафния -HfO(NO₃)₂·nH₂O (n = 2 и 6), Hf(SO₄)₂ и Hf(SO₄)₂·4H₂O. Для Гафния характерно образование комплексов с различными органических кислородсодержащими соединениями.

Получение Гафния. Соединения Гафния обычно выделяют в конце технологического цикла производства соединений циркония из рудного сырья. Металлический Гафний в настоящее время получают восстановлением HfCl₄ магнием или натрием.

Применение Гафния. Гафний используется в ядерной энергетике (регулирующие стержни реакторов, экраны для защиты от нейтронного излучения) и в электронной технике (катоды, геттеры, электроконтакты). Перспективно применение Гафний в производстве жаропрочных сплавов для авиации и ракетной техники. Твердый раствор карбидов Гафния и тантала, плавящийся выше 4000 °С, - самый тугоплавкий керамический материал; из него изготовляют тигли для плавки тугоплавких металлов, детали реактивных двигателей.