Содержание:

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:

  1. Температура плавления - 2233°C.
  2. Температура кипения - 4850°C.
  3. Плотность – 13,3 г/см3.
  4. Атомный номер – 72.
  5. Относительная атомная масса - 178,48.
  6. Электроотрицательность – 1,3.
  7. Край поглощения рентгеновского излучения – 18981 А0.
  8. 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:

  1. Предел временного сопротивления, МПа – 485.
  2. Предел текучести, МПа – 125.
  3. Коэффициент Пуассона – 0,265.
  4. Модуль сдвига, ГПа – 54…58.
  5. Коэффициент относительного удлинения при растяжении, % - 25.
  6. Коэффициент теплового расширения в температурном диапазоне от 20 до 1000С, мкм/м°C - 5,90.
  7. 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:

  1. Электрические изоляторы в микрочипах.
  2. Катализаторы для проведения реакций полимеризации, в частности, полиэтилена и полипропилена.
  3. В электронных лампах как газопоглотитель - материал, который объединяется с газами и удаляет из них такие вещества, как кислород и азот.
  4. 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.