Hafnium

Hööftartikel: Isotopen vun Hafnium
Iso	VN	t_½	VO	VE (MeV)	VP
¹⁷²Hf	nee	1,87 a	ε	0,350	¹⁷²Lu
¹⁷⁴Hf	0,162 %	2×10¹⁵ a	α	2,495	¹⁷⁰Yb
¹⁷⁶Hf	5,206 %	Hf is mit 104 Neutronen bestännig.
¹⁷⁷Hf	18,606 %	Hf is mit 105 Neutronen bestännig.
¹⁷⁸Hf	27,297 %	Hf is mit 106 Neutronen bestännig.
¹⁷⁹Hf	13,629 %	Hf is mit 107 Neutronen bestännig.
¹⁸⁰Hf	35,1 %	Hf is mit 108 Neutronen bestännig.
¹⁸²Hf	nee	9×10⁶ a	β^-	0,373	¹⁸²Ta

Hafnium is en cheemsch Element ut dat Periodensystem mit dat Atomteken Hf un de Atomtall 72. Nöömt is dat Element na den latienschen Naam vun de däänschen Hööftstadt Kopenhagen, Hafnia. Dor is dat Element opdeckt worrn. Hafnium is en Swormetall vun de Övergangselementen mit teemlich lieke Egenschoppen as dat in’t Periodensystem doröver liggen Zirkon. Bioloogsch Funkschonen vun’t Hafnium sünd nich bekannt. Normalerwies kummt dat Element nich in’n minschlichen Lief vör, aver giftig is dat ok nich^[1].

Historie

Vun de bestännigen Elementen vun’t Periodensystem weer Hafnium een vun de letzten, de opdeckt worrn sünd. Den eersten Henwies dorop, dat dat twüschen Lutetium un Tantal noch en Element geven müss, het sik ut dat 1912 opdeckte Moseleysche Gesett afleidt. Henry Moseley hett 1914 versöcht, dat bit dorhen unbekannte, aver na dat Gesett to vermodende Element mit de Atomtall 72 in Mineralen vun de Roor Eerden (vundaag Lanthanoiden nöömt) to finnen. Man he harr dormit keen Spood^[2].

In sien Arbeit to de Atomtheorie vun 1922 segg Niels Bohr vörut, dat de Reeg vun de Lanthanoiden mit dat Lutetium to Enn is un dat Element 72 dorüm lieke Egenschoppen hebben müss as dat Element Zirkon. Een Johr later al künn Hafnium nawiest warrn, as 1923 Dirk Coster un George de Hevesy in Kopenhagen dat Element dör Röntgenspektroskopie in en norweegsch Zirkon-Mineral funnen hebbt. Wietere Ünnersöken an annere Mineralen hebbt denn wiest, dat Hafnium jümmer in zirkonhollige Mineralen antofinnen is. Dat Afscheeden vun’t Zirkon hebbt Jantzen un Hevesy dör mehrmolig Kristallisatschoon vun de Diammonium- un Dikaliumfluoriden vun de beiden Elementen henkregen. Dat elementare Hafnium künn dorna dör Redukschoon mit Natrium wunnen warrn.

Vörkamen

Zirkon-Mineralen sünd de wichtigsten Borns för Hafnium

Dat Element Hafnium kummt op de Eer blots roor vör. De kontinentale Eerdköst hett en Hafnium-Andeel vun ruchweg 4,9 ppm^[3] un is dorüm vun de Männichkeit her to verglieken mit de Elementen Brom oder Cäsium un kummt somit faker vör as de al lang bekannten Elementen Gold oder Quecksülver.

Hafnium kummt in de Natur nich gediegen vör un ok nich in egene Mineralen. Dorför kummt dat Metall aver in all Zirkon-Mineralen vör as Zirkon oder Baddeleyit. De Andeel an Hafnium liggt dorbi tomeist bi ruchweg 2% vun’t Zirkon in’t Mineral (1-5 Gewichtsprozent Hafnium). Een vun de roren Mineralen, wo mehr Hafnium binnen is as Zirkon, is de Zirkon-Varietät Alvit [(Hf,Th,Zr)SiO₄].

Jüst as bi’t Zirkon sünd de bedüdensten Lagersteden för Hafnium de Zirkon-Lagersteden in Australien un Süüdafrika. De Reserven warrt op ruchweg 1,1 Mio. t schätzt (rekent as Hafniumoxid)^[4].

Winnen un Dorstellen

Üm Hafnium to winnen, mutt dat Element vun’t Zirkon afscheedt warrn. Dat geiht aver nich wiel den Vörgang vun’t Herstellen, man dat mutt in en Arbeitsschritt för sik maakt warrn. Dorför warrt sünnere Extrakschoonsverfohren anwennt, de de ünnerscheedliche Löslichkeit vun sünnere Hafnium- un Zirkonsolten in sünnere Löösmiddels utnütten doot. Bispelen dorför sünd de verscheden Löslichkeiten vun de Nitraten in Tri-n-butylphosphat oder de vun de Thiocyanaten in Methylisobutylketon. Annere Möglichkeiten to’n Afscheeden sünd Ionenuttuuschers un de frakschoneert Destillatschoon vun dorför egent Verbinnen.

Dat Hafnium kann na’t Afscheeden na den Kroll-Vörgang toeerst in Hafnium(IV)-chlorid ümwannelt un denn mit Natrium oder Magnesium reduzeert warrn:

\mathrm {HfCl_{4}+2\ Mg\longrightarrow Hf+2\ MgCl_{2}}

Warrt hoochrein’t Hafnium bruukt, kann dat Van-Arkel-de-Boer-Verfohren insett warrn. Dorbi warrt dat Hafnium in’n Autoklaven hitt maakt un reageert dorbi mit Jod to Hafnium(IV)-iodid. Dat warrt an en hitten Draht wedder to Hafnium un Jod opsplitt:

\mathrm {Hf+2\ I_{2}\ \rightleftharpoons \ HfI_{4}}

Produzeert warrt Hafnium blots in lütte Mengden in Gröttenoorden vun 100 Tünnen^[1]. Dat Element warrt nich egens wunnen, man dat fallt blangento af bi’t Herstellen vun Hafnium-free Zirkon för Brennstääv.

Egenschoppen

Physikaalsch

Hafnium is en sülvern-gleemen Swormetall mit en hoge Dicht vun 13,31 g/cm³^[1]. Dat Metall kristalliseert afhangig vun de Temperatur in twee ünnerscheedliche Modifikatschonen. Bi Normalbedingen kristalliseert dat in en hexagonal-dichtste Kugelpacken (α-Hf) un is dormit isotyyp to α-Zr. Baven vun 1775 °C^[1] geiht dat in en kuubsch-ruumzentreert Kristallsystem över (β-Hf).

Wenn Hafnium bannig rein is, is dat Metall teemlich week un good to verformen. Dat kann denn licht smeedt, walzt oder hammert warrn. Man, wenn dor Sporen vun Suerstoff, Stickstoff oder Kohlenstoff binnen sünd, denn warrt Hafnium sprääd un is sworer to bearbeiten. De Smölt- un de Kaakpunkt vun Hafnium sünd mit 2227 °C un 4450 °C^[1] de hööchsten in de Grupp.

In meist all anner’n Egenschoppen gliekt dat Metall sien lichteren Homoloog Zirkon. Dat kummt vun de Lanthanoidenkontrakschoon de för üm un bi lieke Ionenradien sorgt (Zr: 159 pm, Hf: 156 pm^[1]). Blots de Dichte stellt en Utnahm dor, wo Zirkon mit 6,5 g/cm³ en düütlich sieteren Weert opwiest. För de Technik is en wichtigen Ünnerscheed, dat Hafnium 600 mol beter Neutronen absorbeeren kann. Ut den Grund is dat nödig, dat Hafnium vun’t Zirkon aftoscheden, wenn dat Zirkon in Karnkraftwarken insett warrn schall.

Ünner de Sprungtempetatur vun 0,08 K is Hafnium supraleidend^[1].

Cheemsch

Hafnium is en uneddel Metall, dat mit Suerstoff to Hafniumdioxid reageert, wenn dat hitt maakt warrt. Ok annere Nichtmetallen as Stickstoff, Kohlenstoff, Bor un Silizium billt ünner disse Bedingen Verbinnen mit Hafnium. Bi Ruumtemperatur billt sik gau en Oxidschicht ut, de dat Metall passiveert un so vör’n wietere Oxidatschoon schuult.

Vun wegen disse Passiveeren is Hafnium in de meisten Süren ünner normalbedingen nich löslich, blots Flusssüür un Königswater griept dat Metall an. Hanfium is ok in waterige Basen nich löslich.

Isotopen

Vun Hafnium sünd tosamen 35 Isotopen un 18 Karnisomeren vun ¹⁵³Hf bis ¹⁸⁸Hf bekannt^[5]. Dat natürliche Hafnium is en Mischelement ut söss verscheden Isotopen. Dat fakenste mit üm un bi 35 % is ¹⁸⁰Hf. Denn kamt ¹⁷⁸Hf mit 27,28 %, ¹⁷⁷Hf mit 18,61 %, ¹⁷⁹Hf mit 13,62 %, ¹⁷⁶Hf mit 5,27 % un ¹⁷⁴Hf mit 0,16 %. ¹⁷⁴Hf is dat enzige natürlich Isotop, dat swach radioaktiv is. Dat is en Alphastrahler mit en Halfweertstiet vun 2 · 10¹⁵ Johren.

Dat Karnisomer ^{178 2m}Hf is mit en Halfweertstiet vun 31 Johren lang bestännig un sennt bi’n Verfall en starke Gammastrahlen vun 2,45 MeV^[5] ut. Dat is de hööchste Energie, de en över längere Tiet bestännig Isotop afstrahlen deit. En mögliche Anwennen för dit Isomer is de Bruuk as Born in starke Laser-Apparaten^[6].

Bruuk

Hoochrein elementar Hafnium

Allgemeen warrt Hafnium nich in grote Mengen bruukt, wieldat de Produkschoon so swor is. Vör allen warrt Hafnium in de Karntechnik insett as Stüerstaff to’n Reguleeren vun de Kedenreakschoon in Reakters. Hefnium hett gegenöver annere Stoffen, de in de Laag sünd Neutropnen to absorbeeren, enige Vördelen. To’n Bispeel is dat Element düchtig bestännig gegen Korrosion un togliek entstaht bi de Karnreakschoon mit de Neutronen Hafniumisotopen, de ok wedder hoge Absorpschoonsdwersnitten opwiest^[7]. Vun wegen sien hogen Pries warrt Hafnium vör allen för militäärsch Anwennen, to’n Bispeel Reakters in Atom-U-Bööd verwennt.

Bruukt warnn kann dat aver ok noch annerswo. So reageert Hafnium gau mit lütte Mengden Suerstoff un Stickstoff un kann dorüm as Getterstoff insett warrn, üm lüttste Mengden vun disse Gasen ut Ultrahoochvakuum-Anlagen ruttonehmen. Bi’t Verbrennen strahlt dat Metall en bannig hell Licht ut. Hafnium kann dorüm in Blitzlichtlampen mit sünners hoge Energiebüüt insett warrn. Intressante Verbinnen künnt dorut herstellt warrn, de bannig bestännig sünd un erst bi hoge Temperaturen smölten doot, sünners Hafniumnitrid un Hafniumcarbid.

In Legeeren mit Metallen as Niob, Tantal, Molybdän un Wolfram kann en Tosatz vun üpm un bi 2 % Hafnium de Fastigkeit ropsetten. Dordör kamt sünners faste, hoochsmölten un hittbestännige Warkstoffen tostannen.

Sekerheitshenwiesen

Jüst as vele annere Metallen is Hafnium as fienverdeelt Stoff pyrophor un licht to tünnern. In’n kompakten Tostand brennt dat dorgegen nich. Hafnium is nich toxisch. Dorüm gellt för’n Ümgang mit dat Metall ok keen sünnere Sekerheitsvörschriften.

Verbinnen

Dat gifft en Reeg vun cheemsch Verbinnen mit Hafnium. Tomeist sünd dat Solten oder Mischkristallen, de hoge Smöltpunkten hebbt. De bedüdenste Oxidatschoonsstoop vun Hafnium is +IV, man dat gifft ok Verbinnen mit en sietere Oxidatschoonstallen vun 0 bit +III. In Komplexen sünd ok Oxidatschoonsstopen lütter as 0 bekannt.

Hafnium(IV)-oxid

Hafnium(IV)-oxid is en hoochsmölten Faststoff, de düchtig bestännig is. De hett en hoge Dielektrizitätskonstant vun 25. Siliziumdioxid hett to’n Vergliek 3,9^[8]. Dorüm is de Bruuk as hooch-k-Dielektrikum as Stüeransluss (Gate) för Mikroperzessers möglich. Dör dat Insetten vun Hafnium(IV)-oxid künnt de Schaltkreisen lütter maakt warrn, wieldat mit en düttlich dünnere Isolaterschicht arbeit warrn kann. De kumplette Transister hett dormit blots noch en Grött vun 45 nm. Enige Halfleiderherstellers as Intel oder IBM wennt dat al an^[9].

Annere Hafniumverbinnen

Hafniumcarbid tellt to de Stoffen mit de hööchsten Smöltpunkten, de dat gifft. Tohopen mit Hafniumnitrid un Hafniumborid warrt dat to de Hardstoffen rekent.

Vun Hafnium sünd ok Reeg vun Halogenverbinnen bekannt. In de Oxidatschoonsstoop +IV gifft dat dat Fluorid, as ok Chlorid, Bromid un Iodid. Hafnium(IV)-chlorid und Hafnium(IV)-iodid speelt en Rull bi’t Winnen vun rein Hafnium. Bi lüttere Oxidatschoonstallen sünd blots Chlor- un Bromverbinnen bekannt, as ok dat Hafnium(III)-iodid.

Dat Difluorid Kaliumhexafluorhafnat (K₂HfF₆) kann to’n Afscheeden vun Hafnium vun’t Zirkon bruukt warrn.

Literatur

Holleman-Wiberg: Lehrbuch der Anorganischen Chemie. 102. Oplaag, de Gruyter, Berlin 2007, ISBN 978-3-11-017770-1.
N. N. Greenwood, A. Earnshaw: Chemie der Elemente. 1. Oplaag, VCH Verlagsgesellschaft, 1988, ISBN 3-527-26169-9.

Borns

↑ ^a ^b ^c ^d ^e ^f ^g Holleman-Wiberg: Lehrbuch der Anorganischen Chemie. 102. Oplaag, de Gruyter, Berlin 2007, ISBN 978-3-11-017770-1.
↑ William H. Brock: Viewegs Geschichte der Chemie. Vieweg, Bronsiwek 1997. ISBN 3-540-67033-5
↑ K. H. Wedepohl: The composition of the continental crust in: Geochimica et Cosmochimica Acta, 1995, 59, 7, 1217–1232.
↑ Zirconium und Hafnium bei usgs mineral resources
↑ ^a ^b G. Audi, O. Bersillon, J. Blachot, A. H. Wapstra: The NUBASE evaluation of nuclear and decay properties. In: Nuclear Physics. Bd. A 729, 2003, S. 3–128.
↑ C. B. Collins: Nuclear resonance spectroscopy of the 31-yr isomer of Hf-178 in: Laser Physics Letters, 2005, 2, 3, 162–165.
↑ wissenschaft-online/Hafnium (Artikel ut: Lexikon der Chemie, Spektrum Akademischer Verlag, Heidelbarg Berlin, 2001
↑ G. D. Wilk, R.M. Wallace, J.M. Anthony: High-κ gate dielectrics: Current status and materials properties considerations in: Journal of applied physics, 2001, 89, 10, 5243–5273.
↑ Pressemitdelen vun de Ruhr-Universität Bochum över Hafniumoxid