Hafni

Bách khoa toàn thư mở Wikipedia
Bước tới: menu, tìm kiếm
Hafni,  72Hf
Hafnium ebeam remelted.jpg
Tính chất chung
Tên, ký hiệu Hafni, Hf
Phiên âm /ˈhæfniəm/
HAF-nee-əm
Hình dạng Thép xám, đen bóng ánh nhiều màu khi bị ôxy hóa
Hafni trong bảng tuần hoàn
  Hexagonal.png
 
72
Hf
 
               
               
                                   
                                   
                                                               
                                                               
                                                               
                                   
Số nguyên tử 72
Khối lượng nguyên tử chuẩn 178,49
Phân loại Kim loại chuyển tiếp
Nhóm, phân lớp 4d
Chu kỳ Chu kỳ 6
Cấu hình electron [Xe] 4f14 5d2 6s2
mỗi lớp 2, 8, 18, 32, 10, 2
Tính chất vật lý
Màu sắc Thép xám
Trạng thái vật chất Chất rắn
Nhiệt độ nóng chảy 2506 K ​(2233 °C, ​4051 °F)
Nhiệt độ sôi 4876 K ​(4603 °C, ​8317 °F)
Mật độ (gần nhiệt độ phòng) 13,31 g·cm−3 (at 0 °C, 101.325 kPa)
Mật độ ở thể lỏng ở nhiệt độ nóng chảy: 12 g·cm−3
Nhiệt lượng nóng chảy 27,2 kJ·mol−1
Nhiệt lượng bay hơi 571 kJ·mol−1
Nhiệt dung 25,73 J·mol−1·K−1

Áp suất hơi

P (Pa) 1 10 100 1 k 10 k 100 k
ở T (K) 2689 2954 3277 3679 4194 4876
Tính chất nguyên tử
Trạng thái ôxi hóa 4, 3, 2Lưỡng tính
Độ âm điện 1,3 (Thang Pauling)
Năng lượng ion hóa Thứ nhất: 658,5 kJ·mol−1
Thứ hai: 1440 kJ·mol−1
Thứ ba: 2250 kJ·mol−1
Bán kính cộng hoá trị empirical: 159 pm
Độ dài liên kết cộng hóa trị 175±10 pm
Thông tin khác
Cấu trúc tinh thể Lục phương
Vận tốc âm thanh thin rod: 3010 m·s−1 (at 20 °C)
Độ giãn nở nhiệt 5,9 µm·m−1·K−1 (at 25 °C)
Độ dẫn nhiệt 23,0 W·m−1·K−1
Điện trở suất at 20 °C: 331 n Ω·m
Tính chất từ Thuận từ[1]
Mô đun Young 78 GPa
Mô đun cắt 30 GPa
Mô đun nén 110 GPa
Hệ số Poisson 0,37
Độ cứng theo thang Mohs 5,5
Độ cứng theo thang Vickers 1760 MPa
Độ cứng theo thang Brinell 1700 MPa
Số đăng ký CAS 7440-58-6
Đồng vị ổn định nhất
Bài chính: Đồng vị của Hafni
iso NA Chu kỳ bán rã DM DE (MeV) DP
172Hf Tổng hợp 1,87 năm ε 0.350 172Lu
174Hf 0.162% 2×1015 năm α 2.495 170Yb
176Hf 5.206% 176Hf ổn định với 104 nơtron
177Hf 18.606% 177Hf ổn định với 105 nơtron
178Hf 27.297% 178Hf ổn định với 106 nơtron
178m2Hf Tổng hợp 31 năm IT 2.446 178Hf
179Hf 13.629% 179Hf ổn định với 107 nơtron
180Hf 35.1% 180Hf ổn định với 108 nơtron
182Hf Tổng hợp 9×106 năm β 0.373 182Ta

Hafni (tiếng La tinh: Hafnium) là một nguyên tố hóa học có ký hiệu Hfsố nguyên tử 72. Là một kim loại chuyển tiếp hóa trị 4 màu xám bạc ánh, hafni tương tự như zirconi về mặt hóa học và nó được tìm thấy trong các khoáng vật zirconi. Hafni được sử dụng trong các hợp kim vonfram để làm các sợi dây tóc điện và các điện cực, trong các mạch tích hợp (IC) như là chất cách điện cho cổng của các tranzisto, và như là chất hấp thụ nơtron trong các thanh kiểm soát của các nhà máy điện hạt nhân.

Hafni có nguồn gốc từ chữ "Hafnia" - tên gọi của thủ đô Đan Mạch theo tiếng La tinh.

Đặc trưng[sửa | sửa mã nguồn]

Hafni kim loại

Hafni là một kim loại màu xám bạc, bóng, dễ uốn, kháng ăn mòn và về mặt hóa học thì tương tự như zirconi. Các tính chất vật lý của hafni bị ảnh hưởng đáng kể bởi các tạp chất zirconi, và hai nguyên tố này thuộc số những nguyên tố rất khó tách khỏi nhau. Khác biệt vật lý đáng chú ý giữa chúng là tỷ trọng riêng (zirconi có tỷ trọng riêng chỉ khoảng một nửa của hafni), nhưng tính chất hóa học thì cực kỳ giống nhau.

Tính chất vật lý đáng chú nhất của hafni là nó có tiết diện bắt nơtron rất cao, và hạt nhân của một vài đồng vị của hafni có thể hấp thụ nhiều nơtron. Điều này làm cho hafni là một vật liệu tốt cho các thanh kiểm soát trong các lò phản ứng hạt nhân[2][3][4][5]. Tiết diện bắt nơtron nhiệt của nó cao hơn của zirconi khoảng 600 lần (Các nguyên tố khác có tiết diện bắt nơtron cao để làm các thanh kiểm soát là cadmibo).

Việc tách hafni và zirconi là rất quan trọng trong công nghiệp năng lượng hạt nhân, do zirconi là kim loại phủ thanh nhiên liệu rất tốt, với tính chất mong muốn là tiết diện bắt nơtron rất thấp và có độ ổn định hóa học tốt ở các nhiệt độ cao. Tuy nhiên, do các tính chất hấp thụ nơtron của hafni, các tạp chất zirconi trong hafni lại làm cho nó ít hữu ích hơn trong các ứng dụng lò phản ứng hạt nhân. Vì thế việc tách gần như hoàn toàn của zirconi và hafni là cần thiết để sử dụng trong công nghiệp năng lượng hạt nhân.

Cacbua hafnihợp chất nhị nguyên chịu lửa tốt nhất đã biết, với điểm nóng chảy trên 3.890°C, và nitrua hafni là nitrua khó nóng chảy nhất đã biết trong số tất cả các nitrua kim loại, với điểm nóng chảy là 3.310°C[6]. Điều này đã dẫn tới các đề xuất rằng hafni hay các cacbua của nó có thể là hữu ích như là vật liệu kết cấu và xây dựng phải hoạt động trong môi trường nhiệt độ cao.

Kim loại này không bị các chất kiềm đậm đặc ăn mòn, nhưng các halogen phản ứng với nó để tạo ra tetrahalua hafni[6]. Ở nhiệt độ cao, hafni phản ứng với ôxy, nitơ, cacbon, bo, lưu huỳnhsilic.

Đồng phân hạt nhân Hf-178-m2 là nguồn của các tầng tia gama với năng lượng tổng cộng là 2,45 MeV trên mỗi phân rã[7]. Nó đáng chú ý do nó có năng lượng kích thích cao nhất trong số các đồng phân hạt nhân tồn tại tương đối lâu của bất kỳ nguyên tố nào. Một gam Hf-178-m2 tinh khiết chứa khoảng 1.330 MJ năng lượng, tương đương với năng lượng giải phóng ra từ khoảng 317 kilôgam (700 pao) TNT khi nổ. Các ứng dụng (có thể) cần có sự tập trung năng lượng cao như vậy là đáng quan tâm. Ví dụ, nó đã được nghiên cứu như là nguồn năng lượng có thể cho các laser tia gama[8].

Ứng dụng[sửa | sửa mã nguồn]

Hafni được dùng làm các thanh kiểm soát cho các lò phản ứng hạt nhân do khả năng hấp thụ nơtron cao của nó, cũng như do các tính chất cơ lý tuyệt vời và khả năng chống ăn mòn tốt. Các ứng dụng khác có:

  • Trong môi trường đầy khí và các đèn nóng sáng, để hấp thụ ôxy và nitơ sót lại,
  • Như là điện cực trong cắt plasma do khả năng phóngelectron vào trong không khí của nó,
  • Trong các hợp kim với sắt, titan, niobi, tantali và các kim loại khác.
  • Các hợp chất gốc hafni được dùng làm các chất cách điện cổng tranzito trong thế hệ 45 nm của các mạch IC từ Intel, IBM và một số hãng khác[9]. Các hợp chất gốc ôxít hafni là các chất với hằng số điện môi cao, cho phép giảm dòng điện rò rỉ và cải thiện hiệu năng ở quy mô nano như thế[10][11].
  • DARPA của Bộ quốc phòng Hoa Kỳ đã từng cấp vốn không liên tục cho các chương trình tại Hoa Kỳ để xác định khả năng sử dụng đồng phân hạt nhân của hafni (Hf-178-m2) để chế tạo các vũ khí nhỏ nhưng hiệu suất cao với cơ chế kích thích tia X đơn giản—một ứng dụng của bức xạ gama cảm ứng. Công việc này tiếp theo sau trên 20 năm nghiên cứu nền tảng của cộng đồng quốc tế[12] trong việc tìm cách thức giải phóng năng lượng đã lưu trữ theo nhu cầu. Có sự phản đối đáng kể đối với chương trình này, vì ý tưởng này có thể không hoạt động[13] cũng như do các quốc gia không tham dự có thể cảm thấy "lỗ hổng vũ khí đồng phân" (được tưởng tượng ra) có thể biện hộ cho sự phát triển trong tương lai của họ và cho việc dự trữ các vũ khí hạt nhân thông thường. Một đề xuất liên quan là sử dụng cùng một đồng phân này để cấp năng lượng cho các tàu bay không người lái[14] để chúng có thể bay trong không trung trong vài tháng.
  • Bổ sung một lượng nhỏ hafni sẽ làm tăng sự bám dính chặt của các vảy ôxít bảo vệ trên các hợp kim niken. Bằng cách đó, nó cải thiện khả năng chống ăn mòn, đặc biệt là trong các điều kiện nhiệt độ biến đổi theo chu kỳ, do xu hướng phá vỡ các lớp vảy ôxít bởi gây ra ứng suất nhiệt giữa khối kim loại và lớp ôxít khi nhiệt độ biến đổi.

Lịch sử[sửa | sửa mã nguồn]

Bảng tuần hoàn năm 1869 của Mendeleev đã dự báo khả năng tồn tại của nguyên tố nặng với tính chất tương tự titanzirconi, nhưng năm 1871 Mendeleev đã đặt lantan (nguyên tố số 57) vào vị trí này.

Sự tồn tại của lỗ hổng trong bảng tuần hoàn cho nguyên tố vẫn chưa được phát hiện số 72 đã được Henry Moseley dự đoán năm 1914. Hafni được đặt tên theo tên gọi trong tiếng La tinh để chỉ CopenhagenHafnia, quê hương của Niels Bohr. Nó được Dirk CosterGeorg von Hevesy phát hiện năm 1923 tại Copenhagen, Đan Mạch, hợp lệ hóa dự báo gốc năm 1869 của Mendeleev. Rất nhanh sau đó, nguyên tố mới được dự báo là gắn với zirconi bằng cách sử dụng các thuyết của Bohr về nguyên tử, và cuối cùng nó đã được tìm thấy trong ziricon thông qua phân tích phổ học tia X tại Na Uy.

Hafni được Jantzen và von Hevesey tách ra từ zirconi thông qua tái kết tinh nhắc lại của các florua kép amoni hay kali. Hafni kim loại lần đầu tiên được Anton Eduard van Arkel và Jan Hendrik de Boer điều chế bằng cho hơi tetraiodua hafni chạy qua sợi vonfram nóng. Quy trình này để tinh lọc phân dị Zr và Hf vẫn còn được sử dụng cho tới nay.

Khoa Khoa học của Đại học Copenhagen sử dụng hình ảnh cách điệu hóa của nguyên tử hafni trong con dấu của mình.

Phổ biến[sửa | sửa mã nguồn]

Người ta ước tính hafni chiếm khoảng 0,00058% khối lượng lớp vỏ trên của Trái Đất. Nó được tìm thấy trong các hợp chất của zirconi tự nhiên nhưng không tồn tại ở dạng tự do. Các khoáng vật chứa zirconi, như alvit [(Hf, Th, Zr)SiO4 H2O], thortveititziricon (ZrSiO4), thông thường cũng chứa khoảng 1 tới 5% hafni. Hafni và zirconi gần như đồng nhất về mặt hóa học, điều đó làm chúng rất khó tách khỏi nhau. Khoảng một nửa toàn bộ hafni kim loại được sản xuất ra như là phụ phẩm của việc tinh chế zirconi. Nó được thực hiện thông qua khử clorua hafni (IV) bằng magiê hay natri trong quy trình Kroll.

Một cục hafni bị ôxi hóa một mặt, thể hiện các hiệu ứng quang học màng mỏng.

Các loại quặng chính của ziricon (và vì thế là của hafni) là các loại quặng trầm tích cát khoáng vật nặng, pegmatit có ở BrasilMalawi, và cacbonatit xâm nhập có ở mỏ đa kim Crown tại núi Weld, Tây Australia. Nguồn tiềm năng của hafni là đá tuff trachyt chứa các silicat hiếm của zircon-hafni là eudialyt hay armostrongit, tại DubboNew South Wales, Australia[15].

Phòng ngừa[sửa | sửa mã nguồn]

Càn cẩn thận khi gia công hafni bằng máy, do giống như zirconi, khi bị phân chia thành các hạt mịn, nó có thể bắt cháy ngay trong không khí. Các hợp chất chứa hafni rất ít người có cơ hội tiếp xúc. Dạng kim loại tinh khiết được coi là không độc hại, nhưng các hợp chất của hafni thì cần cẩn thận khi tiếp xúc do dạng ion cả nó có xác suất độc hại rất cao, thử nghiệm một số hợp chất của hafni một cách hạn chế trên động vật đã được tiến hành.

Đồng vị[sửa | sửa mã nguồn]

Hafni có 5 đồng vị ổn định cùng một loạt các đồng vị không ổn định với nguyên tử lượng từ 153 tới 188. Theo tỷ lệ phổ biến thì Hf180 (35,1 %), Hf178 (27,297 %), Hf177 (18,606 %) và Hf179 (13,629 %) và Hf176 (5,206 %) là phổ biến nhất, chiếm tổng cộng 99,84% toàn bộ các đồng vị tự nhiên của hafni. Chúng cũng là các đồng vị ổn định. Đồng vị phóng xạ có trong tự nhiên là Hf174 với chu kỳ bán rã 2×1015 năm, chiếm 0,162%. Đồng vị phóng xạ tổng hợp ổn định nhất là Hf182 có chu kỳ bán rã 9×106 năm. Đa phần các đồng vị khác và đồng phân hạt nhân có chu kỳ bán rã rất nhỏ.

Hợp chất[sửa | sửa mã nguồn]

Xem Hợp chất hafni

Xem thêm[sửa | sửa mã nguồn]

Tham khảo[sửa | sửa mã nguồn]

  1. ^ Magnetic susceptibility of the elements and inorganic compounds, in Handbook of Chemistry and Physics 81st edition, CRC press.
  2. ^ United States Nuclear Regulatory Commission - Office of Nuclear Reactor Regulation - Washington D.C. 20555, March 22, 1989
  3. ^ CNIC- Damage and cracking in BWR control rods
  4. ^ A. K. Shikov, O. V. Bocharov, V. M. Arzhakova, V. N. Bezumov, Yu. A. Perlovich, M. G. Isaenkova, 2003, Use of Hafnium in Control Elements of Nuclear Reactors and Power Units, Metal Science and Heat Treatment, Volume 45, Numbers 7-8, 300-303, doi:10.1023/A:1027392604745
  5. ^ Dysprosium and Hafnium base absorbers for advanced WWER control rods
  6. ^ a ă Phòng thí nghiệm quốc gia Los Alamos – Hafni
  7. ^ WWW Table of Radioactive Isotopes, Dự án đồng vị Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Berkeley và Đại học Lund.
  8. ^ C. B. Collins và ctv. (2004). “Nuclear resonance spectroscopy of the 31-yr isomer of Hf-178”. Laser Physics Letters 2 (3): 162–167. doi:10.1002/lapl.200410154. 
  9. ^ Markoff, John (27 tháng 1 năm 2007). “Intel Says Chips Will Run Faster, Using Less Power”. New York Times. Truy cập ngày 19 tháng 9 năm 2007. 
  10. ^ Fulton III, Scott M. (27 tháng 1 năm 2007). “Intel Reinvents the Transistor”. BetaNews. Truy cập ngày 27 tháng 1 năm 2007. 
  11. ^ Robertson, Jordan (27 tháng 1 năm 2007). “Intel, IBM reveal transistor overhaul”. AP. Truy cập ngày 19 tháng 9 năm 2007. 
  12. ^ Lịch sử bức xạ gama cảm ứng, Trung tâm điện tử lượng tử, Đại học Texas tại Dallas.
  13. ^ Schwarzschild, Bertram (tháng 5 năm 2004). “Conflicting Results on a Long-Lived Nuclear Isomer of Hafnium Have Wider Implications”. Physics Today. Truy cập ngày 19 tháng 9 năm 2007. 
  14. ^ “Nuclear-powered drone aircraft on drawing board”. New Scientist. Truy cập ngày 6 tháng 6 năm 2008. 
  15. ^ “Dubbo Zirconia Project Fact Sheet” (PDF). Alkane Resources Limited. 6-2007. Truy cập ngày 10 tháng 9 năm 2007. 
  • van Arkel A.E., de Boer J.H. (1925). “Preparation of pure titanium, zirconium, hafnium, and thorium metal”. Zeitschrift für Anorganische und Allgemeine Chemie 148: 345–350. 
  • Scerri E.R., Prediction of the Nature of Hafnium from Chemistry, Bohr’s Theory and Quantum Theory, Annals of Science, 51, 137-150, (1994)

Liên kết ngoài[sửa | sửa mã nguồn]