Feiten over Hafnium

Hafnium is een glanzend, zilvergrijs overgangsmetaal. Ontdekt in 1923, was het het voorlaatste element met stabiele kernen dat aan het periodiek systeem werd toegevoegd (de laatste was renium in 1925). Hafnium is genoemd naar het Latijnse woord voor Kopenhagen: Hafnia. Het element heeft enkele zeer belangrijke commerciële toepassingen, waaronder het gebruik ervan in de kernenergie-industrie, elektronische apparatuur, keramiek, gloeilampen en bij het maken van superlegeringen.

Hafnium wordt zelden vrij in de natuur aangetroffen, en is in plaats daarvan in de meeste zirkoniummineralen aanwezig in een concentratie van maximaal 5 procent. In feite is hafnium zo chemisch vergelijkbaar met zirkonium dat het scheiden van de twee elementen buitengewoon moeilijk is. Het meeste commerciële hafnium wordt geproduceerd als een bijproduct van zirkoniumraffinage.

Hafnium is het 45e meest voorkomende element op aarde en omvat volgens Chemicool ongeveer 3,3 delen per miljoen (ppm) van de aardkorst. Hafnium is vrij goed bestand tegen corrosie vanwege de vorming van een oxidefilm op blootgestelde oppervlakken. In feite wordt het niet beïnvloed door water, lucht en alle logen en zuren behalve waterstoffluoride.

Hafniumcarbide (HfC) heeft volgens Jefferson Lab het hoogste smeltpunt van alle bekende twee-elementenverbinding bij bijna 7034 graden Fahrenheit (3890 graden Celsius). De verbinding hafniumnitride (HfN) heeft ook een hoog smeltpunt, ongeveer 5,981 graden F (3,305 graden C). Van de verbindingen van drie elementen heeft het gemengde carbide van wolfraam en hafnium volgens Chemistry World het hoogste smeltpunt van alle bekende verbindingen bij 7.457 graden F (4.125 graden C). Enkele andere hafniumverbindingen omvatten hafniumfluoride (HfF₄) hafniumchloride (HfCl₄) en hafniumoxide (HfO₂).

Gewoon de feiten

• Atoomnummer (aantal protonen in de kern): 72
• Atoomsymbool (op het periodiek systeem der elementen): Hf
• Atoomgewicht (gemiddelde massa van het atoom): 178,49
• Dichtheid: 13,3 gram per kubieke centimeter
• Fase bij kamertemperatuur: vast
• Smeltpunt: 4.051 graden Fahrenheit (2.233 graden Celsius)
• Kookpunt: 8.317 graden F (4.603 graden C)
• Aantal isotopen (atomen van hetzelfde element met een verschillend aantal neutronen): 32 waarvan de halfwaardetijden bekend zijn met massagetallen 154 tot 185
• De meest voorkomende isotopen: Hf-174, Hf-176, Hf-177, Hf-178, Hf-179 en Hf-180.

Ontdekking

Volgens Chemistry World was de aanwezigheid van Hafnium decennia vóór de ontdekking ervan voorspeld. Het element bleek tamelijk ongrijpbaar te zijn, aangezien het bijna onmogelijk was om het chemisch te onderscheiden van het veel meer voorkomende zirkonium.

Hafnium was nog onbekend toen de Russische chemicus en uitvinder Dimitri Mendelejev in 1869 de Periodieke Wet ontwikkelde - een premoderne versie van het periodiek systeem der elementen. In zijn werk voorspelde Mendelejev echter correct dat er een element zou zijn waarvan de eigenschappen vergelijkbaar waren maar zwaarder dan zirkonium en titanium.

In 1911 geloofde de Franse chemicus Georges Urbain, die het zeldzame aarde-element lutetium al had ontdekt, dat hij eindelijk het ontbrekende element 72 had ontdekt - dat hij volgens Chemicool vervolgens celtium noemde. Een paar jaar later bleek echter dat zijn ontdekking een combinatie was van reeds ontdekte lanthaniden (de 15 metalen elementen met atoomnummers 57 tot en met 71 in het periodiek systeem).

Het was nog onduidelijk of het ontbrekende element 72 een overgangsmetaal of een zeldzaam aardmetaal zou zijn, aangezien het op de grens tussen deze twee soorten elementen in de tabel viel. De chemici die dachten dat het een zeldzaam aardelement zou zijn, voerden volgens Chemistry World veel vruchteloze zoekopdrachten uit naar mineralen die zeldzame aarden bevatten..

Nieuw bewijs dat voortkwam uit zowel de scheikunde als de natuurkunde ondersteunde echter het idee dat element 72 een overgangselement zou zijn. Wetenschappers wisten bijvoorbeeld dat element 72 onder titanium en zirkonium viel in het periodiek systeem en beide waren bekende overgangselementen. Bovendien voorspelde de Deense natuurkundige Niels Bohr, een van de grondleggers van de kwantumtheorie, dat element 72 een overgangsmetaal zou zijn op basis van zijn elektronische configuratie voor het element, volgens Chemistry World.

In 1921 moedigde Bohr de Hongaarse chemicus Georg von Hevesy en de Nederlandse natuurkundige Dirk Costerto - destijds twee jonge onderzoekers in zijn instituut - aan om in zirkoniumerts te zoeken naar element 72. Op basis van zijn kwantumtheorie van atomaire structuur wist Bohr dat het nieuwe metaal een vergelijkbare chemische structuur zou hebben als zirkonium, dus er was een grote kans dat de twee elementen in dezelfde ertsen zouden worden gevonden, aldus Chemicool..

Von Hevesy en Coster namen het advies van Bohr over en gingen verder met het bestuderen van zirkoniumerts met behulp van röntgenspectroscopie. Ze gebruikten Bohr's theorie over hoe elektronen schalen en subschalen in atomen vullen om de verschillen tussen de röntgenspectra van de twee elementen te voorspellen, volgens Chemical and Engineering News. Deze methode leidde uiteindelijk tot de ontdekking van hafnium in 1923. De ontdekking was een van de enige zes toen nog resterende hiaten in het periodiek systeem. Ze noemden het nieuwe element naar Bohr's geboorteplaats Kopenhagen (Hafniain Latijns).

Toepassingen

Hafnium is opmerkelijk corrosiebestendig en een uitstekende absorber van neutronen, waardoor het kan worden gebruikt in nucleaire onderzeeërs en regelstaven voor kernreactoren, een kritische technologie die wordt gebruikt om splijtingsreacties in stand te houden. Regelstaven houden de kettingreactie van kernsplijting actief, maar voorkomen ook dat deze oncontroleerbaar versnelt.

Hafnium wordt gebruikt in elektronische apparatuur zoals kathodes en condensatoren, maar ook in keramiek, flitslampen voor fotografie en gloeilampen. Het wordt gebruikt in vacuümbuizen als een getter, een stof die volgens Jefferson Lab combineert met en sporengassen uit de buizen verwijdert. Hafnium wordt gewoonlijk gelegeerd met andere metalen zoals titanium, ijzer, niobium en tantaal. Hittebestendige hafnium-nobium-legeringen worden bijvoorbeeld gebruikt in ruimtevaarttoepassingen, zoals ruimteraketmotoren.

Het samengestelde hafniumcarbide heeft het hoogste smeltpunt van elke verbinding die uit slechts twee elementen bestaat, waardoor het volgens Chemicool kan worden gebruikt om ovens en ovens op hoge temperatuur te bekleden..

Wie weet?

• Hafnium is pyrofoor (ontbrandt spontaan) in poedervorm.
• De Engelse chemicus Henry Moseley was de wetenschapper die zich realiseerde dat het element "celtium" van Georges Urbain niet het echte element was dat zich onder zirkonium bevindt. Helaas heeft de Eerste Wereldoorlog het belangrijke onderzoek van deze jonge wetenschapper onderbroken. Moseley meldde zich plichtsgetrouw aan bij de Royal Engineers van het Britse leger en werd in 1915 gedood door een sluipschutter. Zijn dood bracht Engeland ertoe een nieuw beleid vast te stellen dat prominente wetenschappers verbood deel te nemen aan de strijd..
• In 1925 bedachten de Nederlandse chemici Anton Eduard van Arkel en Jan Hendrik de Boer een methode om zeer zuiver hafnium te produceren. Om dit te doen, ontbonden de wetenschappers hafniumtetrajodide op een hete wolfraamdraad, wat volgens Chemicool resulteerde in een kristallen staaf van puur hafnium. Deze methode wordt het kristalstaafproces genoemd.
• De nucleaire isomeer van hafnium is lang besproken als een potentieel wapen. In de Hafnium Controversy debatteren wetenschappers of het element in staat is om een ​​snelle afgifte van energie teweeg te brengen.
• Hoewel zirkonium chemisch sterk lijkt op hafnium, is het in tegenstelling tot hafnium omdat het erg slecht is in het absorberen van neutronen. Daarom wordt zirkonium gebruikt in de buitenste laag van brandstofstaven waar het belangrijk is dat neutronen gemakkelijk kunnen reizen.

De aardlagen dateren met hafnium

In een recente studie kon een internationaal team van onderzoekers bevestigen dat de eerste aardkorst ongeveer 4,5 miljard jaar geleden werd gevormd, dankzij hun chemische analyse van hafnium in een zeldzame meteoriet. De onderzoekers geloven dat de meteoriet afkomstig is van de asteroïde Vesta, na een grote inslag die rotsfragmenten naar de aarde heeft gestuurd, volgens het persbericht van de studie in Science Daily. Volgens de onderzoekers zijn meteorieten stukjes van de originele materialen die alle planeten hebben gevormd. Voor de studie maten ze de verhouding van de isotopen hafnium-176 en hafnium-177 in de meteoriet. Dit gaf hen een startpunt voor de samenstelling van de aarde. Ze vergeleken de resultaten met de oudste rotsen op aarde, wat in wezen bevestigde dat er zich ongeveer 4,5 miljard jaar geleden al een korst had gevormd op het aardoppervlak. Hun bevindingen zijn gepubliceerd in de Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).