แฮฟเนียม: การค้นพบโครงสร้างคุณสมบัติการใช้ความเสี่ยง - เคมี - 2026

ฮาฟเนียมเป็นโลหะที่มีการเปลี่ยนแปลงสัญลักษณ์ทางเคมีคือ Hf และมีเลขอะตอม 72 มัน เป็นองค์ประกอบที่สามของกลุ่มที่ 4 ของตารางธาตุเป็นไทเทเนียม congener และเซอร์โคเนียม ด้วยคุณสมบัติหลังนี้มีคุณสมบัติทางเคมีหลายอย่างซึ่งอยู่ร่วมกันในแร่ธาตุของเปลือกโลก

การมองหาแฮฟเนียมกำลังมองหาว่าเซอร์โคเนียมอยู่ที่ไหนเนื่องจากเป็นผลพลอยได้จากการสกัด ชื่อของโลหะนี้มาจากคำภาษาละติน 'hafnia' ซึ่งมีความหมายมาจากชื่อของโคเปนเฮเกนซึ่งเป็นเมืองที่มีการค้นพบแร่เพทายและการโต้เถียงเกี่ยวกับลักษณะทางเคมีที่แท้จริงของมันสิ้นสุดลง

ตัวอย่างแฮฟเนียมโลหะ ที่มา: ภาพความละเอียดสูงขององค์ประกอบทางเคมี

แฮฟเนียมเป็นโลหะที่ไม่มีใครสังเกตเห็นในสติปัญญาทั่วไปอันที่จริงมีเพียงไม่กี่คนที่เคยได้ยินมาก่อน แม้ในบรรดาสารเคมีบางชนิดก็เป็นองค์ประกอบที่ผิดปกติเนื่องจากส่วนหนึ่งมีต้นทุนการผลิตที่สูงเนื่องจากในการใช้งานส่วนใหญ่เซอร์โคเนียมสามารถทดแทนได้โดยไม่มีปัญหาใด ๆ

โลหะนี้มีความแตกต่างในการเป็นองค์ประกอบสุดท้ายที่เสถียรที่สุดที่ค้นพบที่นี่บนโลก กล่าวอีกนัยหนึ่งการค้นพบอื่น ๆ ได้ประกอบขึ้นเป็นชุดของธาตุกัมมันตภาพรังสีและ / หรือไอโซโทปเทียมที่มีน้ำหนักมากเป็นพิเศษ

สารประกอบแฮฟเนียมคล้ายคลึงกับของไททาเนียมและเซอร์โคเนียมที่มีจำนวนการเกิดออกซิเดชันของ 4 เด่นเช่น HfCl ₄ , HFO ₂ , HFI ₄และ HFBR 4 บางคนอยู่ในรายชื่อวัสดุทนไฟมากที่สุดเท่าที่เคยมีมารวมถึงโลหะผสมที่มีความต้านทานความร้อนสูงและยังทำหน้าที่เป็นตัวดูดซับนิวตรอนที่ดีเยี่ยม

ด้วยเหตุนี้แฮฟเนียมจึงมีส่วนร่วมอย่างมากในเคมีนิวเคลียร์โดยเฉพาะอย่างยิ่งในเรื่องของเครื่องปฏิกรณ์น้ำที่มีแรงดันสูง

การค้นพบ

การเปลี่ยนแปลงหรือโลหะดินหายาก

การค้นพบแฮฟเนียมถูกล้อมรอบไปด้วยการโต้เถียงแม้ว่าข้อเท็จจริงที่ว่าการมีอยู่ของมันถูกทำนายไว้แล้วตั้งแต่ปีพ. ศ. 2412 ด้วยตารางธาตุของเมนเดเลเยฟ

ปัญหาคือมันอยู่ในตำแหน่งที่ต่ำกว่าเซอร์โคเนียม แต่เกิดขึ้นพร้อมกันในช่วงเวลาเดียวกันของธาตุหายากนั่นคือแลนทานอยด์ นักเคมีในเวลานั้นไม่ทราบว่าเป็นโลหะทรานซิชันหรือโลหะหายาก

Georges Urbain นักเคมีชาวฝรั่งเศสผู้ค้นพบลูเทเทียมซึ่งเป็นโลหะใกล้เคียงของแฮฟเนียมอ้างว่าในปีพ. ศ. 2454 ได้ค้นพบธาตุ 72 ซึ่งเขาเรียกว่าเซลเทียมและประกาศว่ามันเป็นโลหะหายาก แต่สามปีต่อมามีการสรุปว่าผลลัพธ์ของเขาไม่ถูกต้องและเขาได้แยกส่วนผสมของแลนธานอยด์เท่านั้น

จนกระทั่งธาตุได้รับคำสั่งจากเลขอะตอมเนื่องจากผลงานของ Henry Moseley ในปีพ. ศ. 2457 บริเวณใกล้เคียงระหว่างลูเทเทียมและธาตุ 72 ได้รับการพิสูจน์โดยเห็นด้วยกับการคาดการณ์ของเมนเดเลเยฟเมื่อองค์ประกอบสุดท้ายนี้อยู่ใน เป็นกลุ่มเดียวกับโลหะไทเทเนียมและเซอร์โคเนียม

การตรวจจับในโคเปนเฮเกน

ในปีพ. ศ. 2464 หลังจากการศึกษาโครงสร้างอะตอมของนีลส์บอร์และการทำนายสเปกตรัมการแผ่รังสีเอ็กซ์เรย์สำหรับธาตุ 72 การค้นหาโลหะนี้ในแร่ธาตุหายากก็หยุดลง เขามุ่งเน้นไปที่การค้นหาแร่ธาตุเซอร์โคเนียมเนื่องจากทั้งสององค์ประกอบต้องมีคุณสมบัติทางเคมีร่วมกัน

Dirk Coster นักเคมีชาวเดนมาร์กและ Georg von Hevesy นักเคมีชาวฮังการีในปีพ. ศ. 2466 ในที่สุดก็สามารถรับรู้สเปกตรัมที่นีลส์บอร์ทำนายไว้ในตัวอย่างเพทายจากนอร์เวย์และกรีนแลนด์ หลังจากทำการค้นพบในโคเปนเฮเกนพวกเขาเรียกองค์ประกอบ 72 ตามชื่อภาษาละตินของเมืองนี้ว่าฮาฟเนียซึ่งมาจากคำว่า 'แฮฟเนียม' ในภายหลัง

การแยกและการผลิต

อย่างไรก็ตามไม่ใช่เรื่องง่ายที่จะแยกอะตอมแฮฟเนียมออกจากเซอร์โคเนียมเนื่องจากมีขนาดใกล้เคียงกันและมีปฏิกิริยาในลักษณะเดียวกัน แม้ว่าวิธีการตกผลึกแบบเศษส่วนจะได้รับการคิดค้นขึ้นในปีพ. ศ. 2467 เพื่อให้ได้แฮฟเนียมเตตระคลอไรด์ HfCl ₄แต่ก็เป็นนักเคมีชาวดัตช์ Anton Eduard van Arkel และ Jan Hendrik de Boer ซึ่งลดให้เป็นโลหะแฮฟเนียม

สำหรับสิ่งนี้ HfCl ₄ต้องลดลงโดยใช้แมกนีเซียมโลหะ (กระบวนการ Kroll):

HfCl ₄ + 2 Mg (1100 ° C) → 2 MgCl ₂ + Hf

ในทางกลับกันเริ่มจากแฮฟเนียมเตตระโอไดด์ HfI ₄มันถูกทำให้เป็นไอเพื่อผ่านกระบวนการสลายตัวทางความร้อนบนไส้หลอดทังสเตนซึ่งมีฮาฟเนียมของโลหะสะสมเพื่อสร้างแท่งที่มีลักษณะโพลีคริสตัลไลน์ (กระบวนการของแท่งผลึกหรือ กระบวนการ Arkel- De Boer):

HfI ₄ (1700 ° C) → Hf + 2 I ₂

โครงสร้างแฮฟเนียม

อะตอมแฮฟเนียม Hf รวมตัวกันที่ความดันโดยรอบในผลึกที่มีโครงสร้างหกเหลี่ยมขนาดกะทัดรัด hcp เช่นเดียวกับโลหะไทเทเนียมและเซอร์โคเนียม ผลึกแฮฟเนียม hcp นี้จะกลายเป็นเฟสαซึ่งจะคงที่จนถึงอุณหภูมิ 2030 K เมื่อผ่านการเปลี่ยนไปสู่เฟสβโดยมีโครงสร้างลูกบาศก์อยู่ตรงกลางร่างกาย bcc

สิ่งนี้เป็นที่เข้าใจได้หากมีการพิจารณาว่าความร้อน "คลายตัว" คริสตัลดังนั้นอะตอม Hf จึงพยายามจัดตำแหน่งตัวเองในลักษณะที่จะลดการบดอัด สองขั้นตอนนี้เพียงพอที่จะพิจารณาความหลากหลายของแฮฟเนียม

ในทำนองเดียวกันมันนำเสนอความหลากหลายที่ขึ้นอยู่กับความกดดันสูง เฟสαและβอยู่ที่ความดัน 1 atm ในขณะที่เฟสωหกเหลี่ยม แต่มีขนาดกะทัดรัดกว่า hcp ธรรมดาจะปรากฏขึ้นเมื่อแรงดันเกิน 40 GPa ที่น่าสนใจคือเมื่อความกดดันยังคงเพิ่มขึ้นเฟสβที่หนาแน่นน้อยที่สุดจะปรากฏขึ้นอีกครั้ง

คุณสมบัติ

ลักษณะทางกายภาพ

ของแข็งสีขาวเงินซึ่งจะแสดงโทนสีเข้มหากมีการเคลือบออกไซด์และไนไตรด์

มวลโมลาร์

178.49 ก. / โมล

จุดหลอมเหลว

2233 ºC

จุดเดือด

4603 ºC

ความหนาแน่น

ที่อุณหภูมิห้อง: 13.31 g / cm ³มีความหนาแน่นเป็นสองเท่าของเซอร์โคเนียม

ตรงจุดหลอมเหลว: 12 g / cm ³

ความร้อนของฟิวชั่น

27.2 กิโลจูล / โมล

ความร้อนของการกลายเป็นไอ

648 กิโลจูล / โมล

อิเล็ก

1.3 ในระดับ Pauling

พลังงานไอออไนเซชัน

แรก: 658.5 kJ / mol (Hf ⁺ gaseous)

วินาที: 1440 kJ / mol ( ก๊าซHf ²⁺ )

ที่สาม: 2250 kJ / mol ( ก๊าซHf ³⁺ )

การนำความร้อน

23.0 วัตต์ / (mK)

ความต้านทานไฟฟ้า

331 nΩม

ความแข็ง Mohs

5.5

การเกิดปฏิกิริยา

เว้นแต่โลหะจะได้รับการขัดเงาและไหม้โดยให้ประกายไฟที่อุณหภูมิ 2,000 ° C ก็ไม่มีความไวต่อการเกิดสนิมหรือการสึกกร่อนเนื่องจากชั้นออกไซด์บาง ๆ จะปกป้องมัน ในแง่นี้จึงเป็นโลหะที่มีเสถียรภาพมากที่สุดชนิดหนึ่ง ในความเป็นจริงกรดแก่หรือเบสแก่ไม่สามารถละลายได้ ยกเว้นกรดไฮโดรฟลูออริกและฮาโลเจนสามารถออกซิไดซ์ได้

การกำหนดค่าอิเล็กทรอนิกส์

อะตอมแฮฟเนียมมีโครงร่างอิเล็กทรอนิกส์ดังต่อไปนี้:

4f ¹⁴ 5d ² 6s ²

สิ่งนี้เกิดขึ้นพร้อมกับข้อเท็จจริงของการอยู่ในกลุ่ม 4 ของตารางธาตุร่วมกับไทเทเนียมและเซอร์โคเนียมเนื่องจากมีเวเลนซ์อิเล็กตรอนสี่ตัวในวงโคจร 5d และ 6s นอกจากนี้โปรดทราบว่าแฮฟเนียมไม่สามารถเป็นแลนทานอยด์ได้เนื่องจากมีออร์บิทัล 4f เต็ม

เลขออกซิเดชัน

โครงร่างของอิเล็กตรอนแบบเดียวกันแสดงให้เห็นว่าในทางทฤษฎีมีอิเล็กตรอนกี่อะตอมแฮฟเนียมที่สามารถสูญเสียไปได้ในฐานะที่เป็นส่วนหนึ่งของสารประกอบ สมมติว่ามันสูญเสียเวเลนซ์อิเล็กตรอนไปสี่ตัวมันจะยังคงเป็นไอออนบวกเตตระวาเลนต์ Hf ⁴⁺ (เทียบกับ Ti ⁴⁺และ Zr ⁴⁺ ) ดังนั้นจึงมีเลขออกซิเดชันเป็น +4

อันที่จริงแล้วนี่คือเลขออกซิเดชันที่เสถียรที่สุดและเป็นเรื่องธรรมดา อื่น ๆ ที่เกี่ยวข้องน้อยกว่า ได้แก่ -2 (Hf ^2- ), +1 (Hf ⁺ ), +2 (Hf ²⁺ ) และ +3 (Hf ³⁺ )

ไอโซโทป

แฮฟเนียมเกิดขึ้นบนโลกโดยมีไอโซโทปเสถียร 5 ไอโซโทปและกัมมันตภาพรังสีหนึ่งตัวที่มีอายุการใช้งานยาวนานมาก:

- ¹⁷⁴ Hf (0.16% โดยมีอายุการใช้งานเฉลี่ย 2 · 10 ¹⁵ปีจึงถือว่ามีเสถียรภาพในทางปฏิบัติ)

- ¹⁷⁶ Hf (5.26%)

- ¹⁷⁷ Hf (18.60%)

- ¹⁷⁸ Hf (27.28%)

- ¹⁷⁹ Hf (13.62%)

- ¹⁸⁰ Hf (35.08%)

โปรดทราบว่าไม่มีไอโซโทปที่โดดเด่นเป็นจำนวนมากและสิ่งนี้สะท้อนให้เห็นในมวลอะตอมเฉลี่ยของแฮฟเนียม 178.49 amu

ในบรรดาไอโซโทปกัมมันตภาพรังสีของแฮฟเนียมซึ่งรวมกับไอโซโทปตามธรรมชาติรวมกันเป็น 34, ^178m2 Hf เป็นสิ่งที่ถกเถียงกันมากที่สุดเนื่องจากในการสลายตัวของกัมมันตภาพรังสีจะปล่อยรังสีแกมมาออกมาดังนั้นอะตอมเหล่านี้จึงสามารถใช้เป็นอาวุธสงครามได้ .

การประยุกต์ใช้งาน

ปฏิกิริยานิวเคลียร์

แฮฟเนียมเป็นโลหะที่ทนต่อความชื้นและอุณหภูมิสูงรวมทั้งเป็นตัวดูดซับนิวตรอนที่ดีเยี่ยม ด้วยเหตุนี้จึงใช้ในเครื่องปฏิกรณ์น้ำที่มีแรงดันเช่นเดียวกับในการผลิตแท่งควบคุมสำหรับเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ซึ่งสารเคลือบเหล่านี้ทำจากเซอร์โคเนียมบริสุทธิ์พิเศษเนื่องจากต้องสามารถส่งนิวตรอนผ่านได้ .

โลหะผสม

อะตอมของแฮฟเนียมสามารถรวมผลึกโลหะอื่น ๆ เพื่อให้เกิดโลหะผสมที่แตกต่างกัน สิ่งเหล่านี้มีลักษณะเฉพาะคือความทนทานและทนความร้อนซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมจึงมีไว้สำหรับการใช้งานในอวกาศเช่นในการสร้างหัวฉีดของเครื่องยนต์สำหรับจรวด

ในทางกลับกันโลหะผสมและสารประกอบแฮฟเนียมแข็งบางชนิดมีคุณสมบัติพิเศษ เช่นคาร์ไบด์และไนไตรด์ HfC และ HfN ตามลำดับซึ่งเป็นวัสดุทนไฟสูง แทนทาลัมแฮฟเนียมคาร์ไบด์ Ta ₄ HfC _{5 ที่}มีจุดหลอมเหลว 4215 ° C เป็นวัสดุทนไฟมากที่สุดเท่าที่เคยมีมา

ปฏิกิริยาทางเคมี

Hafnium metallocenes ใช้เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาอินทรีย์สำหรับการสังเคราะห์พอลิเมอร์เช่นโพลีเอทิลีนและโพลีสไตรีน

ความเสี่ยง

ยังไม่เป็นที่ทราบแน่ชัดว่าไอออน Hf ⁴⁺มีผลกระทบต่อร่างกายของเราอย่างไร ในทางกลับกันเนื่องจากพบในธรรมชาติในแร่เซอร์โคเนียมจึงไม่เชื่อว่าจะเปลี่ยนแปลงระบบนิเวศโดยการปล่อยเกลือออกสู่สิ่งแวดล้อม

อย่างไรก็ตามขอแนะนำให้จัดการกับสารประกอบแฮฟเนียมด้วยความระมัดระวังราวกับว่ามันเป็นพิษแม้ว่าจะไม่มีการศึกษาทางการแพทย์ที่พิสูจน์ว่าเป็นอันตรายต่อสุขภาพก็ตาม

อันตรายที่แท้จริงของแฮฟเนียมอยู่ในอนุภาคของของแข็งที่บดละเอียดซึ่งแทบไม่สามารถเผาไหม้ได้เมื่อสัมผัสกับออกซิเจนในอากาศ

สิ่งนี้อธิบายได้ว่าทำไมเมื่อมันถูกขัดการกระทำที่ขูดพื้นผิวและปล่อยอนุภาคของโลหะบริสุทธิ์ประกายไฟที่ลุกไหม้จะถูกปล่อยออกมาด้วยอุณหภูมิ 2,000 ºC; นั่นคือแฮฟเนียมจัดแสดง pyrophoricity ซึ่งเป็นทรัพย์สินเดียวที่เสี่ยงต่อการเกิดไฟไหม้หรือการไหม้ร้ายแรง

อ้างอิง

1. ตัวสั่นและแอตกินส์ (2008) เคมีอนินทรีย์. (พิมพ์ครั้งที่สี่). Mc Graw Hill
2. วิกิพีเดีย (2020) แฮฟเนียม สืบค้นจาก: en.wikipedia.org
3. สตีฟแกกนอน (เอสเอฟ) ธาตุแฮฟเนียม แหล่งข้อมูลของ Jefferson Lab สืบค้นจาก: education.jlab.org
4. บรรณาธิการของสารานุกรมบริแทนนิกา (18 ธันวาคม 2562). แฮฟเนียม สารานุกรมบริแทนนิกา. ดึงมาจาก: britannica.com
5. ดร. ดั๊กสจ๊วต (2020) ข้อเท็จจริงของธาตุแฮฟเนียม ดึงมาจาก: chemicool.com
6. ศูนย์ข้อมูลเทคโนโลยีชีวภาพแห่งชาติ (2020) แฮฟเนียม PubChem Database, AtomicNumber = 72 สืบค้นจาก: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
7. K. Pandey และคณะ (เอสเอฟ) การตรวจสอบความแตกต่างของความดันสูงในโลหะแฮฟเนียมอีกครั้ง สืบค้นจาก: arxiv.org
8. Eric Scerri (1 กันยายน 2552). แฮฟเนียม เคมีในองค์ประกอบของมัน ดึงมาจาก: chemistryworld.com