Hafnium ist ein glänzendes, silbrig-graues Übergangsmetall. Es wurde 1923 entdeckt und war das vorletzte Element mit stabilen Kernen, das dem Periodensystem hinzugefügt wurde (das letzte Element war 1925 Rhenium). Hafnium ist nach dem lateinischen Wort für Kopenhagen benannt: Hafnia. Das Element hat einige sehr wichtige kommerzielle Anwendungen, einschließlich seiner Verwendung in der Kernenergieindustrie, elektronischen Geräten, Keramik, Glühbirnen und bei der Herstellung von Superlegierungen.,
Hafnium kommt in der Natur selten frei vor und ist stattdessen in den meisten Zirkoniummineralien in einer Konzentration von bis zu 5 Prozent vorhanden. Tatsächlich ist Hafnium Zirkonium so chemisch ähnlich, dass das Trennen der beiden Elemente äußerst schwierig ist. Das meiste kommerzielle Hafnium wird als Nebenprodukt der Zirkoniumraffination hergestellt.
Hafnium ist das 45. am häufigsten vorkommende Element der Erde und umfasst laut Chemicool etwa 3,3 Teile pro Million (ppm) der Erdkruste nach Gewicht. Hafnium ist aufgrund der Bildung eines Oxidfilms auf freiliegenden Oberflächen ziemlich korrosionsbeständig., Tatsächlich wird es von Wasser, Luft und allen Alkalien und Säuren mit Ausnahme von Fluorwasserstoff nicht beeinflusst.
Hafniumcarbid (HfC) hat laut Jefferson Lab den höchsten Schmelzpunkt einer bekannten Zwei-Elemente-Verbindung bei fast 7.034 Grad Fahrenheit (3,890 Grad Celsius). Die Verbindung Hafniumnitrid (HfN) hat auch einen hohen Schmelzpunkt, um 5,981 Grad F (3,305 Grad C). Unter den Verbindungen aus drei Elementen hat das gemischte Karbid aus Wolfram und Hafnium laut Chemistry World den höchsten Schmelzpunkt einer bekannten Verbindung bei 7,457 Grad F (4,125 Grad C)., Einige andere Hafniumverbindungen umfassen Hafniumfluorid (HfF4) Hafniumchlorid (HfCl4) und Hafniumoxid (HfO2).
Nur die Fakten
- Ordnungszahl (Anzahl der Protonen im Kern): 72
- Atomsymbol (im Periodensystem der Elemente): Hf
- Atomgewicht( durchschnittliche Masse des Atoms): 178,49
- Dichte: 13.,3 gramm pro Kubikzentimeter
- Phase bei Raumtemperatur: Fest
- Schmelzpunkt: 4,051 Grad Fahrenheit (2,233 Grad Celsius)
- Siedepunkt: 8,317 Grad F (4,603 Grad C)
- Anzahl der Isotope (Atome desselben Elements mit einer anderen Anzahl von Neutronen): 32 deren Halbwertszeiten mit den Massenzahlen 154 bis 185 bekannt sind
- Die häufigsten Isotope: Hf-174, Hf-176, Hf-177, Hf-178, Hf-179 und Hf-180.,
Entdeckung
Die Anwesenheit von Hafnium war laut Chemistry World Jahrzehnte vor seiner Entdeckung vorhergesagt worden. Das Element erwies sich als ziemlich schwer fassbar, da es chemisch kaum von dem viel häufigeren Zirkonium zu unterscheiden war.,
Hafnium war noch unbekannt, als der russische Chemiker und Erfinder Dimitri Mendeleev 1869 das Periodische Gesetz — eine vormoderne Version des Periodensystems der Elemente-entwickelte. In seiner Arbeit sagte Mendeleev jedoch richtig voraus, dass es ein Element geben würde, dessen Eigenschaften ähnlich, aber schwerer als Zirkonium und Titan waren.
Im Jahr 1911 glaubte der französische Chemiker Georges Urbain, der bereits das Seltenerdelement Lutetium entdeckt hatte, endlich das fehlende Element 72 entdeckt zu haben — das er laut Chemicool Celtium nannte., Einige Jahre später zeigte sich jedoch, dass seine Entdeckung eine Kombination bereits entdeckter Lanthanide war (die 15 metallischen Elemente mit den Ordnungszahlen 57 bis 71 im Periodensystem).
Es war noch unklar, ob das fehlende Element 72 ein Übergangsmetall oder ein Seltenerdmetall sein würde, da es an der Grenze zwischen diesen beiden Arten von Elementen in der Tabelle fiel. Die Chemiker, die glaubten, es wäre ein Seltenerdelement, führten laut Chemistry World viele fruchtlose Suchen unter Mineralien durch, die seltene Erden enthielten.,
Neue Erkenntnisse, die sich sowohl aus dem Bereich der Chemie als auch aus der Physik ergaben, stützten jedoch die Idee, dass Element 72 ein Übergangselement sein würde. Zum Beispiel wussten Wissenschaftler, dass Element 72 im Periodensystem unter Titan und Zirkonium fiel und beide waren bekannte Übergangselemente. Darüber hinaus sagte der dänische Physiker Niels Bohr, einer der Begründer der Quantentheorie, voraus, dass Element 72 laut Chemistry World ein Übergangsmetall sein würde, das auf seiner elektronischen Konfiguration für das Element basiert.,
1921 ermutigte Bohr den ungarischen Chemiker Georg von Hevesy und den niederländischen Physiker Dirk Costerto — damals zwei junge Forscher in seinem Institut—, nach Element 72 in Zirkoniumerz zu suchen. Basierend auf seiner Quantentheorie der Atomstruktur wusste Bohr, dass das neue Metall eine ähnliche chemische Struktur wie Zirkonium haben würde, so dass laut Chemicool eine starke Chance bestand, dass die beiden Elemente in denselben Erzen gefunden würden.
Von Hevesy und Coster nahmen Bohrs Rat an und untersuchten Zirkoniumerz mit Röntgenspektroskopie., Sie verwendeten Bohrs Theorie, wie Elektronen Schalen und Unterschalen innerhalb von Atomen füllen, um die Unterschiede zwischen den Röntgenspektren der beiden Elemente vorherzusagen, laut Chemical and Engineering News. Diese Methode führte schließlich 1923 zur Entdeckung von Hafnium. Die Entdeckung war eine der nur sechs verbleibenden Lücken im Periodensystem. Sie benannten das neue Element nach Bohrs Heimatstadt Kopenhagen (Hafniain Latein).,
Verwendet
Hafnium ist bemerkenswert korrosionsbeständig und ein ausgezeichneter Absorber von Neutronen, der den Einsatz in Atom-U-Booten und Steuerstäben von Kernreaktoren ermöglicht, einer kritischen Technologie zur Aufrechterhaltung von Spaltreaktionen. Kontrollstäbe halten die Spaltkettenreaktion aktiv, verhindern aber auch, dass sie außer Kontrolle gerät.
Hafnium wird in elektronischen Geräten wie Kathoden und Kondensatoren sowie in Keramik, Fotografie-Blitzlampen und Glühbirnenfilamenten eingesetzt., Es wird in Vakuumröhren als Getter verwendet, eine Substanz, die sich laut Jefferson Lab mit Spurengasen aus den Rohren verbindet und diese entfernt. Hafnium wird üblicherweise mit anderen Metallen wie Titan, Eisen, Niob und Tantal legiert. Zum Beispiel werden hitzebeständige Hafnium-Nobium-Legierungen in Luft-und Raumfahrtanwendungen wie Weltraumraketentriebwerken verwendet.
Die Verbindung Hafniumcarbid hat den höchsten Schmelzpunkt einer Verbindung, die aus nur zwei Elementen besteht, so dass es verwendet werden kann, um Hochtemperaturöfen und Öfen zu säumen, nach Chemicool.
Wer wusste?,
- Hafnium ist pyrophorisch (entzündet sich spontan) in Pulverform.
- Der englische Chemiker Henry Moseley war der Wissenschaftler, der erkannte, dass Georges Urbains Element „Celtium“ nicht das wahre Element unter Zirkonium war. Leider hat der Erste Weltkrieg die wichtige Forschung dieses jungen Wissenschaftlers unterbrochen. Moseley trat pflichtbewusst in die königlichen Ingenieure der britischen Armee ein und wurde 1915 von einem Scharfschützen getötet. Sein Tod führte England dazu, eine neue Politik zu etablieren, die prominenten Wissenschaftlern den Kampf verbietet.,
- 1925 entwickelten die niederländischen Chemiker Anton Eduard van Arkel und Jan Hendrik de Boer eine Methode zur Herstellung von hochreinem Hafnium. Zu diesem Zweck zersetzten die Wissenschaftler Hafniumtetraiodid auf einem heißen Wolframdraht, was laut Chemicool zu einem Kristallstab aus reinem Hafnium führte. Diese Methode wird als Kristallstabprozess bezeichnet.
- Das nukleare Isomer von Hafnium wird seit langem als mögliche Waffe diskutiert. In der Hafnium-Kontroverse diskutieren Wissenschaftler, ob das Element eine schnelle Energiefreisetzung auslösen kann.,
- Obwohl Zirkonium dem Hafnium chemisch sehr ähnlich ist, ist es im Gegensatz zu Hafnium sehr schlecht darin, Neutronen zu absorbieren. Daher wird Zirkonium in der äußeren Schicht von Brennstäben verwendet, wo es wichtig ist, dass Neutronen leicht wandern können.
Dating Erdschichten mit Hafnium
In einer aktuellen Studie konnte ein internationales Forscherteam bestätigen, dass sich die erste Kruste der Erde vor etwa 4, 5 Milliarden Jahren gebildet hat, dank ihrer chemischen Analyse von Hafnium in einem seltenen Meteoriten., Die Forscher glauben, dass der Meteorit vom Asteroiden Vesta stammt, nach einem großen Aufprall, der Gesteinsfragmente zur Erde schickte, so die Pressemitteilung der Studie in Science Daily. Den Forschern zufolge sind Meteoriten Teile der ursprünglichen Materialien, die alle Planeten bildeten. Für die Studie maßen sie das Verhältnis der Isotope Hafnium-176 und Hafnium-177 im Meteoriten. Dies gab ihnen einen Ausgangspunkt für die Zusammensetzung der Erde. Sie verglichen die Ergebnisse mit den ältesten Gesteinen der Erde, im Wesentlichen bestätigt, dass eine Kruste bereits auf der Erdoberfläche gebildet hatte um 4.,5 Milliarden Jahren. Ihre Ergebnisse werden in den Proceedings der National Academy of Sciences (PNAS) veröffentlicht.