Характеристика гафния: свойства и области применения
Металл был открыт интернациональным дуэтом химиков - датским Дирком Костером и венгерским Джорджем Шарлем де Хевеши в 1923 году, которые использовали метод (известный теперь как рентгеновская спектроскопия) изучения расположения внешних электронов атомов в образцах циркониевой руды. Между тем гафний обладает электронной структурой, предсказанной ещё Нильсом Бором, а Костер и Хевеши нашли только соответствующую закономерность.
Названный от латинского названия Копенгаген, этот химический элемент представляет собой блестящий серебристо-серый металл, который обычно встречается вместе с цирконием.
Физические свойства элемента
Элемент входит в 4-ю группу, 6-й период периодической системы элементов Д. Менделеева. Основные характеристики:
- Температура плавления - 2233°C.
- Температура кипения - 4850°C.
- Плотность – 13,3 г/см3.
- Атомный номер – 72.
- Относительная атомная масса - 178,48.
- Электроотрицательность – 1,3.
- Край поглощения рентгеновского излучения – 18981 А0.
- Электронная конфигурация - 4f145d26s2.
При температуре 20°C металл имеет три ключевых (устойчивых) изотопа - 177Hf, 178Hf, 180Hf.
По своему внешнему виду представляет собой блестящий серебристый металл, устойчивый к коррозии и очень пластичный: в холодной состоянии легко обрабатывается деформированием, в частности, волочением. Объясняется это тем, что он имеет плотноупакованную гексагональную кристаллическую структуру, допускающую одновременно несколько направлений скольжения.
Прочная и плотная оксидная поверхностная пленка помогает защищать металл от коррозии. На химический элемент также не действуют щёлочи и кислоты (за исключением плавиковой кислоты HF). Однако металл активно реагирует с кислородом, азотом, углеродом, бором, серой и кремнием.
География добычи
Большинство минералов, которые содержат цирконий, имеют в своём составе и несколько процентов гафния, поэтому указанные два элемента сложнее всего разделить. Их химия также практически идентична, ввиду чего данный металл получают теми же методами, что и цирконий.
Минералы, содержащие гафний, встречаются крайне редко. В основном он получается как побочный продукт обработки циркониевой руды. Для промышленного извлечения чаще всего используется циркон. Это минерал с высокой плотностью, который накапливается в россыпных месторождениях, как правило, вместе с минералами титана. Наиболее известные промышленные месторождения известны в Австралии, Южной Африке, Казахстане и США, незначительный процент циркониевых руд имеется в Украине и в Китае.
Металл относится к виду крайне редких. Его расчётное содержание в земной коре составляет 3,0 миллиграмма на килограмм, а в воде морей и океанов - 7×10-6 миллиграммов на литр. Поэтому гафний, свойства которого изучены ещё недостаточно, не имеет отработанных технологических процессов своей добычи.
Технологии промышленного получения
Большинство циркониевых руд содержат около 5% гафния (при меньшем содержании данного металла месторождения не разрабатываются). Значительное количество продукции производится также и из титановых руд - ильменита и рутила, залежи которых нередко встречаются рядом с циркониевыми.
Металл можно получить восстановлением тетрахлорида гафния, которое происходит в присутствии натрия или магния. Более экономически целесообразным считается получение не чистого металла, а его хлорида. В этом случае продукт может поставляться и в виде порошков, которые содержат механическую смесь диоксида гафния и самого металла гафния. Эта смесь должна иметь определённые технические характеристики. Точный химический состав и свойства смеси разрабатываются на основе рыночного спроса и конкретных соглашений о поставках.
Механические и термические характеристики чистого металла:
- Предел временного сопротивления, МПа – 485.
- Предел текучести, МПа – 125.
- Коэффициент Пуассона – 0,265.
- Модуль сдвига, ГПа – 54…58.
- Коэффициент относительного удлинения при растяжении, % - 25.
- Коэффициент теплового расширения в температурном диапазоне от 20 до 1000С, мкм/м°C - 5,90.
- Удельная теплопроводность, Вт/мК – 22.
Ввиду ограниченного количества экспериментальных данных приведенные выше параметры могут несколько различаться между собой.
Сплавы с гафнием
Промышленное значение имеют также устойчивые соединения рассматриваемого металла с другими химическими элементами. Например, карбид HfC при температуре плавления около 3890°C имеет самую высокую температуру плавления среди всех известных двухэлементных химических соединений. Нитрид HfN также имеет высокую температуру плавления, которая составляет около 3305°C. В индустрии полупроводников используется также оксид гафния.
К другим применяемым на практике соединениям относятся хлорид гафния (HfCl4), фторид гафния (HfF4) и оксид гафния (HfO2).
Гафний, хотя и относится к числу неактивных химических элементов, может успешно легироваться рядом металлов (среди которых железо, титан и ниобий), образуя так называемые суперсплавы. Наиболее известными и востребованными являются суперсплавы с никелем и ниобием. Такие соединения обладают весьма высокой температурой плавления и чрезвычайно устойчивой к внешним воздействиям микроструктурой.
Области применения
Гафний – элемент редкий, поэтому сферы его применения относятся к изделиям особо высокой ответственности. В частности, данный металл является хорошим поглотителем нейтронов и поэтому используется вместо токсичного кадмия в управляющих стержнях ядерных реакторов (подобным тем, которые устанавливаются на атомных подводных лодках). Поскольку металл обладает весьма высокой температурой плавления и устойчивостью от разложения в термически активной среде, то он часто используется вместо вольфрама как элемент наконечника горелок, предназначенных для выполнения операций плазменной сварки.
Суперсплавы данного металла на основе никеля, благодаря их высокой прочности и стабильности при работе при очень высоких температурах, используются в реактивных двигателях и наземных промышленных газовых турбинах для выработки электроэнергии. На это приходится почти 60% текущего мирового спроса.
Благодаря высокотемпературным характеристикам гафния и его соединений металл используется в аэрокосмической промышленности, в основном для производства реактивных двигателей. Так, из сплава на основе ниобия, содержащего 10% гафния, производятся сопла ракетных двигателей, а сверхвысокотемпературная керамика на основе гафния используется для тепловой защиты этих двигателей.
Другие области использования:
- Электрические изоляторы в микрочипах.
- Катализаторы для проведения реакций полимеризации, в частности, полиэтилена и полипропилена.
- В электронных лампах как газопоглотитель - материал, который объединяется с газами и удаляет из них такие вещества, как кислород и азот.
- В тонкоплёночной оксидной форме используется вместо диоксида кремния в сплавах, которые обладают эффектом постоянной памяти. Оксид также применяется в качестве поверхностного покрытия для оптических волокон и диэлектрических зеркал ультрафиолетовых лазеров.
До недавнего времени считалось, что биологическая роль гафния, несмотря на его низкую токсичность, невелика. Однако в последних научных исследованиях подтверждается роль данного металла и его соединений (в частности, наночастиц оксида) в методах лечения онкологических заболеваний.
Еще тесты
- Анатомия
- Английский язык
- Астрономия
- Биология
- Физика
- История
- Педсовет
- Естествознание
- Финансы и кредит
- Правоведение
- Товароведение
- Экономика
- Социология
- Маркетинг
- Обществознание
- Культурология
- Математика
- Философия
- Литература
- Психология
- Политология
- Делопроизводство
- Бухгалтерия
- ОБЖ
- Орфография
- География
- Биографии
- Пунктуация
- Краткие содержания
- Химия
- Русский язык
- Менеджмент
- Тест на тему Тест по теме Дыхательная система человека 7 вопросов
- Тест на тему Строение человека - анатомия внутренних органов 7 вопросов
- Тест на тему Гормоны - определение, виды, функции, роль в организме человека 5 вопросов
- Тест на тему Лейкоциты в крови - строение, где образуются и разрушаются, норма содержания 5 вопросов
- Тест на тему Одноклеточные организмы - строение , формы и признаки представителей 8 вопросов
- Тест на тему Бесполое размножение - виды, формы и биологическое значение процесса 9 вопросов
- Тест на тему Синтез АТФ - структура, функции и пути образования аденозинтрифосфорной кислоты 7 вопросов
- Тест на тему Биогеоценоз - определение, структура и свойства 5 вопросов
- Тест на тему Отечественная война 1812 года - причины, основные сражения, итоги 7 вопросов
- Тест на тему Правление Ивана Грозного - внутренняя и внешняя политика 7 вопросов
- Тест на тему Образование СССР - причины, этапы становления, состав, итоги 6 вопросов
- Тест на тему Крещение руси князем Владимиром - причины, история, значение принятия христианства 6 вопросов
- Тест на тему Пищевая цепочка в природе - звенья, схемы и примеры цепей 5 вопросов
- Тест на тему Экологические факторы - классификация, примеры, общие закономерности воздействия 5 вопросов
- Тест на тему Биосфера - определение, состав, свойства, границы 5 вопросов
- Тест на тему Возникновение жизни на земле 6 вопросов
- Тест на тему Права и свободы человека и гражданина 5 вопросов
- Тест на тему Унитарное предприятие - виды, признаки, участники, особенности 7 вопросов
- Тест на тему Формы собственности - типы и виды и их характеристика 7 вопросов
- Тест на тему Предпринимательское право - понятие, принципы, предмет и объект, функции 5 вопросов
- Тест на тему Ликвидность предприятия - определение, виды, формула расчета 7 вопросов
- Тест на тему Процентная ставка - понятие, виды, методы расчета и начисления 5 вопросов
- Тест на тему Финансы - определние, сущность, основные функции, виды 7 вопросов
- Тест на тему Коммерческая деятельность - сущность и содержание 7 вопросов
- Тест на тему Статистическое наблюдение - виды, способы, последовательность этапов 6 вопросов
- Тест на тему Социальный контроль - понятие и функции, формы и методы, значение 5 вопросов
- Тест на тему Анкетирование - правила составления и виды вопросов, оформление результатов 5 вопросов
- Тест на тему Социальная группа — понятие, типы, критерии выделения 8 вопросов
- Тест на тему Деятельность человека - основные виды и характеристики 7 вопросов
- Тест на тему Воздушно-десантные войска (ВДВ) - история создания, подразделения, оснащение 7 вопросов
- Тест на тему Субъекты РФ - количество, виды, правовой статус 7 вопросов
- Тест на тему Социальные нормы - понятие, виды и характеристка, функции, примеры 6 вопросов
- Тест на тему Что такое угол 5 вопросов
- Тест на тему Деление в столбик — подробное описание алгоритма решения задач, примеры 10 вопросов
- Тест на тему Вычитание дробей - правила и примеры с решениями 5 вопросов
- Тест на тему Модуль числа - свойства, действия, как решать уравнения и неравенства с модулем 10 вопросов
- Тест на тему Ислам - история возникновения религии, основные положения 7 вопросов
- Тест на тему Мышление - определение, виды, функции, свойства 5 вопросов
- Тест на тему Что такое мораль, ее категории и функции 6 вопросов
- Тест на тему Буддизм - кратко о религии (история возникновения, основные положения, священные книги) 6 вопросов
- Тест на тему Символизм в литературе - основные черты и представители направления 6 вопросов
- Тест на тему "У Лукоморья дуб зеленый" - анализ стихотворения Александра Сергеевича Пушкина 8 вопросов
- Тест на тему Родион Раскольников и Соня Мармеладова - история взаимоотношений в романе Ф. М. Достоевского "Преступление и наказание" 6 вопросов
- Тест на тему Семья Мелеховых в романе М. Шолохова "Тихий дон" 7 вопросов
- Тест на тему Мотивация - определение, виды и типы в психологии, менеджменте 5 вопросов
- Тест на тему Интеллект - понятие, признаки, как развивать, оценка 5 вопросов
- Тест на тему Социализация личности - понятие и сущность, агенты, примеры 5 вопросов
- Тест на тему Типы темперамента и их психологическая характеристика 5 вопросов
- Тест на тему Органы исполнительной власти РФ - понятие и правовой статус, структура и фунции 7 вопросов
- Тест на тему Европейский союз - история создания, цели, состав 5 вопросов
- Тест на тему Тоталитаризм - определение, характерные черты, плюсы и минусы идеологии 5 вопросов
- Тест на тему Политическая идеология - определение понятия, функции, классификация, особенности 5 вопросов
- Тест на тему Оборотные средства предприятия, их структура, учет и анализ 7 вопросов
- Тест на тему Бюджетная классификация - определение, структура 7 вопросов
- Тест на тему Калькуляция - основные понятия, примеры расчетов себестоимости 7 вопросов
- Тест на тему Бухгалтерский учет материально-производственных запасов на предприятии 8 вопросов
- Тест на тему Пистолет Макарова - шпаргалка по тактико-техническим характеристикам 9 вопросов
- Тест на тему Чрезвычайная ситуация - понятие, типы ЧС, причины возникновения, стадии развития 7 вопросов
- Тест на тему Вооруженные силы Российской Федерации — организационная структура и предназначение 7 вопросов
- Тест на тему ВМФ (Военно-Морской флот) России - структура, история, состав 7 вопросов
- Тест на тему Перу - географическое положение, климат и достопримечательности 9 вопросов
- Тест на тему Климатические пояса Земли - характеристика и особенности 8 вопросов
- Тест на тему Тайга - географическое положение, животный и растительный мир, особенности и характеристика природной зоны 7 вопросов
- Тест на тему Озеро - определение, классификация, признаки 6 вопросов
- Тест на тему Братья Гримм - биография, жизнь и творчество немецких писателей 10 вопросов
- Тест на тему Тамерлан (1336-1405) - биография, жизнь и завоевания великого полководца 10 вопросов
- Тест на тему Максим Горький (1868-1936) - биография, кратко самое важное, интересные факты из жизни писателя 9 вопросов
- Тест на тему Блок Александр Александрович (1880-1921) - биография, жизненный и творческий путь 11 вопросов
- Тест на тему "Ночь перед Рождеством" - краткое содержание повести Н. В. Гоголя 10 вопросов
- Тест на тему "Маленький Мук" - краткое содержание сказки Вильгельма Гауфа 10 вопросов
- Тест на тему "Дворянское гнездо" - краткое содержание романа И.С. Тургенева 8 вопросов
- Тест на тему "Бирюк" - краткое содержание рассказа И.С. Тургенева 10 вопросов
- Тест на тему Серная кислота - химические и физические свойства и реакции 8 вопросов
- Тест на тему Муравьиная кислота - формула, свойства, получение и применение 7 вопросов
- Тест на тему Сложные эфиры - характеристика, классификация и примеры соединений 8 вопросов
- Тест на тему Толуол - формула, свойства и применение химического вещества 8 вопросов
- Тест на тему Безличные предложения в русском языке 8 вопросов
- Тест на тему Ударение в словах в русском языке - правила и проверка постановки 5 вопросов
- Тест на тему Морфемный разбор слова - правила выполнения с примерами 5 вопросов
- Тест на тему Сложноподчиненные предложения в русском языке 6 вопросов
- Тест на тему Оценка персонала - виды, критерии и методы 7 вопросов
- Тест на тему Управление персоналом - задачи, функции, современные подходы 5 вопросов
- Тест на тему Менеджмент предприятий — сущность, виды, задачи и цели 7 вопросов
- Тест на тему Организационная структура предприятия — типы и предназначение 7 вопросов