Гафний. Происхождение гафния. Свойства гафния

Гафний химический элемент был открыт относительно недавно. В начале двадцатого века Дирк Костер и Дьёрдь Хевеши были заняты поиском циркония и близких к нему элементов. Именно они в 1923 году открыли гафний и добыли первый его образец высокой чистоты. Что же это за элемент и зачем он нужен?

Гафний-Происхождение-гафния-Свойства-гафния-0

Описание и свойства гафния

Элемент гафний принадлежит VI группе периодической системы Менделеева и расположен под номером 72, имеет массовое число 178. Исходя из этого можно сказать какое гафний имеет строение атома: 72 электрона, а в ядре столько же протонов и 106 нейтронов. В природе существует шесть изотопов гафния, их массовые числа колеблются от 174 до 180, один из них проявляет радиоактивные свойства. Электронная формула гафния выглядит как 4f145d26s2. Основная степень окисления +4, но иногда встречаются +3 и +2. Электроотрицательность равна 1,6.

В чистом цельном виде гафний представляет собой металл серебристо-белого цвета с характерным блеском, в порошке – матовый и серый, практически чёрный. Теплопроводность составляет 22 Вт/ (м*К) при условии температуры 100° C. Металл очень твёрдый и не менее тугоплавкий.

Механические свойства. Они у гафния имеют сильную зависимость от чистоты и того, как он был обработан. Если в металле присутствуют примеси кислорода, углерода или азота, он приобретает хрупкость. Восстановить первоначальные свойства помогает обжиг. В норме модуль упругости составляет 137 ГПа, коэффициент сжимаемости – 1,18 ГПа, твёрдость – 1,1-1,2 ГПа.

Гафний-Происхождение-гафния-Свойства-гафния-1

Химически цирконий и гафний похожи. Выплавленный в кусок металл не взаимодействует с водой, если давление не превышает 25 МПа, а температура не выше 400°С. При трёхстах градусах начинает взаимодействовать с водяными парами. Оксид гафния получить тем сложнее, учитывая то, что он не реагирует с кислородом на воздухе. Окисление начнётся только при температуре 500-600°С.  Чем выше она будет, тем быстрее окислится металл.

Диоксиды гафния выглядят как кристаллы или гелеобразно. Типовая формула для этих соединений – НfO2*хН2О. Определяющее свойство – амфотерность, также плохо растворяются в воде и подвержены поликонденсации со временем.

В растворах щелочей гафний тоже устойчив, при температуре ниже ста градусов не начинает реагировать с соляной, серной и азотной кислотами. Может вступать в реакцию с:

  • Фтористоводородной кислотой;

  • Смесями минеральных кислот;

  • Кипящей серной;

  • Смесью плавиковой и азотной;

  • Царской водкой.

Лучше всего расстворяют гафний последние две. Стойкость к действию минеральных кислот снижают аммоний и фториды щелочных металлов.

Происхождение и получение гафния

Руда гафния в классическом понимании не существует, этот элемент редко втречающийся и рассеянный. Такими считаются те, которые имеют кларк, то есть содержание в земной коре, меньше 0,01-0,001%. Гафний встречается в природе только вместе с цирконием, его даже называют «тенью», в связи с этим металл присутствует во всех минералах циркония. Минерал руда гафния в промышленности — циркон ZrSiO4 из-за высокой степени замещения атомов циркония гафнием (0,5…2%).

Гафний-Происхождение-гафния-Свойства-гафния-3

Сложность выделения гафния в его сходстве с цирконием. Промышленный способ выделения гафния состоит из нескольких этапов:

  1. Циркон измельчают, смешивают с графитом и помещают в дуго плавильную печь. Туда не поступает воздух, а температура поднимается до 1800°С. Образуются карбиды циркония и гафния, кремний улетучивается.

  2. Карбиды разбивают на куски, и в шахтной печи при 500°С они реагируют с хлором в виде газа. Образуются тетрахлориды.

  3. Дальше два варианта: выделение при помощи метилизобутилкетона или трибутилфосфата, или дробная кристаллизация комплексных фторидов.

Ресурсы гафния во всём мире, если пересчитать их на двуокись металла, составляют всего немногим более 1 млн. тонн. Самая большая их часть находится в Австралии, около 630 тысяч т. Также крупными запасами обладают ЮАР, США, Индия и Бразилия. Как правило, промышленные запасы – это циркон из прибрежных морских россыпей. Главные мировые компании, занимающиеся производством и продажей гафния, это Allegheny Techno logies Incorporated, Western Zirconium и Cezus. Первые две расположены в США, последняя – во Франции.

Применение гафния

Главная сфера применения этого металла – регулирующие стержни для ядерных реакторов. Впервые его попробовали в этой сфере в начале 1950-х годов. Главная причина, по которой гафний применяют в атомной промышленности, – эффективность стержней из него практически не ухудшается с течением времени. Также большую роль играет высокая стойкость к коррозии в воде при высокой температуре, на неё не влияет даже радиационный фон.

Гафний-Происхождение-гафния-Свойства-гафния-4

Эти свойства, как и прочность с термостойкостью, могут быть увеличены при сплавлении гафния и, например, циркония. Другим сферам, которые используют этот металл, он достаётся в очень малом количестве. Атомная отрасль забирает больше 90% гафния, хотя радиоактивен только один его изотоп.

Этот металл используют в сплавах и металлурги, но не в виде основного материала, а в качестве добавки. Гафний улучшает физические и механические свойства остальных металлов. Ещё одна важная сфера применения гафния – производство деталей в ракетостроении. В этой сфере он ценится за высокую тугоплавкость и способность к быстрому поглощению и отдаче тепла. В сплаве тантала он не окисляется, если температура не превышает 1650°С.

Из-за высокой устойчивости гафния практически ко всем веществам, им покрывают аппараты для химической промышленности. Также его используют в радиотехнике, изготовлении деталей электронных пушек и радиоламп. В оптике применяют оксид гафния из-за его высокого показателя преломления, покрывают металлом зеркала для тепловизоров и приборов для видения в темноте.

Одна из сфер применения – сверхмощные магниты, они делаются из сплава гафния с другими редкоземельными металлами. Ещё одна интересная сфера, в которой используется этот редкий металл, — это ювелирное дело. Для ювелиров привлекательны его серебристо-белый цвет и яркий блеск, который не тускнеет, правда из-за высокой цены гафний заменяют родием.

Цена гафния

Один из недостатков металла гафний – цена. В неё гафния обязательно закладываются издержки на производство, которые и составляют большую часть стоимости из-за сложного процесса извлечения и отделения от циркония. Кроме того,  она зависит от чистоты металла, объёма партии и особых требований, которые могут предъявляться к гафнию ядерного сорта. Прокат этого металла традиционно дороже даже серебра. Несколькими журналами, как, например, Metal Bulletin, были рассчитаны цены на различные виды гафния на 2005 год. 

Гафний-Происхождение-гафния-Свойства-гафния-3

Так, даже металлические отходы металла стоили 176–198 долларов за кг. Различные сплавы оценивались в 50– 150 долларов/кг, гафниевая губка 165–209 долларов/кг, оксид в 150, кристаллические стержни от 220. Гафний самой высокой степени очистки стоил до 330 долларов за кг. Сейчас его стоимость гораздо выше с учётом прошедшего времени, инфляции и увеличения потребления металла.

Подводя итог, можно сказать, что гафний металл  достаточно редкий и дорогой. В широком доступе его достаточно сложно найти. Это связано с достаточно специфическими сферами применения. Несмотря на всё это, он достаточно популярен и в менее высокотехнологичных сферах.

Загрузка...

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *