Что такое Гафний — описание химического элемента, свойства и цена

Новый, но востребованный во многих отраслях химический элемент знаком далеко не каждому. Разберем подробнее, Hf — что это за вещество и зачем он нужен.

Происхождение

Редкий, тугоплавкий металл, во многом схожий с цирконием, был официально признан в середине прошлого века. Хотя ещё Д.И. Менделеев, когда создал периодическую таблицу, предрек появление 72-го элемента.

Внешний вид гафния

Научные специалисты Д. Хевеши и Д. Костер в 1923 году проводили процесс выщелачивания циркониевой руды для получения одноимённого металла. Проанализировав все вещества, полученные после переработки, учёные по рентгенограмме выявили новый Гафний и назвали его в честь города, в котором было сделано открытие, Копенгаген (лат. hafnium).

Официальное признание Hf получил только в 1949 году, именно тогда общество признало существование того самого 72-го элемента. Гафний в таблице Менделеева появился в то же время.

Строение и химические свойства

Многие ученые по сей день занимаются его исследованием и вопросом к какому семейству относится гафний. По последним данным, отнесен к 4-й группе и V периоду таблицы, при этом его причисляют к подгруппе титана, куда входят так же и цирконий, сам титан и резерфордий. Исследуя строение атома гафния, химики зафиксировали массовое число 178, в нем 72 электрона, а ядро содержит столько же протонов, но 106 нейтронов.

В природе на данный момент обнаружено 6 различных изотопов гафния, массовые числа которых варьируются от 174 до 180. Замечено, что один из них может проявлять выраженные радиоактивные свойства. Электронная формула гафния выглядит как 4f5d6s. Степень окисления металла +4, но периодически встречаются +3 и +2, это зависит от перехода неспаренных электронов в возбужденном состоянии. Электроотрицательность составляет 1,6.

Важнейшие соединения:

• оксид гафния;
• диоксид гафния;
• гидроксид гафния;
• хлорид гафния;
• оксохлорид гафния;
• сульфат гафния.

Детальные исследования способствовали подтверждению того, что химический элемент гафний в абсолютном большинстве случаев выявляется в соединениях циркония, но в чистом виде в природе встречается крайне редко. При этом химические свойства нового для ученых металла соответствуют характеристикам циркония.

Физические и механические свойства

Изначально новый элемент Hf в химии был причиной споров в научных кругах. Некоторые из ученых высказывали свои сомнения гафний — металл или неметалл, но к середине века пришли к общему мнению и единогласно признали превосходство металлических особенностей. При правильной обработке и выделения чистого металла он будет весьма прочным и тугоплавким, но есть будут примеси кислорода, углерода или азота, то станет достаточно хрупким.

Гафний плавится при весьма высокой температуре в 2222 ºC, а закипает при 5400 ºC. При этом плотность его составляет 13,3 г/см³. Именно эти особенности, особенно температура плавления, обуславливают его применение для разработки высокопрочных материалов или жаростойких поверхностей в сфере металлургии. При этом он часто становится одной из составляющих новых прочных, устойчивых к нагреву и ржавчине материалов.

В чистом виде этот металл очень пластичный, может подвергнуться горячей и холодной обработке, легко поддается сварочным работам и часто применяется для создания особо ответственных металлических сложных сооружений, сцепок и различных деталей.

Именно этот элемент входит в состав огнеупорного химического соединения, которое имеет одну из высших температур плавления, равную 3990 ºC. Если рассматривать карбид тантала и гафния, то именно в них зафиксированы имеют высшие точки плавления среди бинарных соединений.

Добыча и производственное выделение

Как таковой руды гафния не существует и получают его из минеральных циркониевых руд. В большинстве случаев он смешан с другими минералами и найти его довольно трудно. Как упоминалось ранее, находят металл чаще всего вместе с цирконием, его даже называют «тенью», из-за того, что металл обнаружен во всех циркониевых минералах. Даже сам минерал руды гафния в промышленности называется — циркон ZrSiO.

Цирконий, который зачастую содержит значительную долю гафния

Производство включает в себя промышленный способ выделения гафния, который состоит из рядя последовательных процессов:

1. В измельченный циркон добавляется графит, после чего смесь отправляют в герметичную дуго плавильную печь. Попадание туда кислорода исключается. Для образования карбидов циркония и гафния печь нагревается до 1800 ºC, при такой температуре кремний испаряется.
2. После дробления полученных карбидов в шахтной печи при 500 °С проводится реакция с Cl в газообразном состоянии. В результате чего получаются тетрахлориды.
3. На следующей ступени обработки есть два пути: отделение необходимого металла при добавлении метилизобутилкетона или трибутилфосфата; дробная кристаллизация комплексных фторидов.

Запасы столь редкого элемента по всей планете составляют чуть больше 1 млн. тонн. Большинство залежей руды на территории Австралии. Меньшими, но всё же запасами могут похвастаться ЮАР, США, Индия и Бразилия. Как правило, промышленные запасы – это циркон из прибрежных морских россыпей. В России месторождения цирконов находятся на склонах Урала и в Хибинах.

Наиболее известные в мире компании, занимающиеся производством и продажей гафния, это Allegheny Techno logies Incorporated, Western Zirconium и Cezus.

Отрасли использования

Главной отраслью, где с начала 1950-х годов востребован этот металл является атомная промышленность. Такие его свойства, как прочность и термостойкость, позволяют разрабатывать износостойкие регулирующие стержни для ядерных реакторов. Именно сюда уходит более 90% всего гафния.

Другие сферы, использующие его, довольствуются малым количеством. Он, как легирующее вещество, весьма востребован в металлурги. Тугоплавкий металл становится более прочным при сплаве с кобальтом, никелем, титаном. Такие свойства позволили начать применение HfCo в турбостроении, а также пищевой, нефтяной и химической промышленности.

Рыночная стоимость

Одним из серьезных минусов можно считать то, что цена гафния включает в себя затраты на производство. Для выделения чистого металла требуется провести немало дорогостоящих процессов. Особые требования предъявляются к поставкам ядерного сорта.

По данным журнала Metal Bulletin стоимость одного килограмма чистого гафния равна 710 $. В РФ он продается в виде различных металлических материалов или порошка. В чистый гафний не пользуется спросом. С учетом высокой стоимости гафния, а также его соединений и сплавов, прежде чем их закупать, важно учесть экономическую и техническую обоснованность.

В заключении можно сделать вывод, что применение такого металла в производстве возможно только в случае невозможности использования иных, более дешевых, материалов для выполнения технологических и производственных задач различного уровня сложности.

С учетом текущей экономической ситуации и малого уровня добычи, вопросы вторичной переработки гафния и его сплавов становятся весьма актуальными и своевременными. Благодаря гафнию появилась возможность создания особо прочных, жаростойких материалов для решения сложнейших инженерных задач.