Fakta om Hafnium

Hafnium är en glansig, silver-grå övergångsmetall. Upptäckt 1923 var det det näst sista elementet med stabila kärnor som skulle läggas till det periodiska systemet (det sista var renium 1925). Hafnium är uppkallad efter det latinska ordet för Köpenhamn: Hafnia. Elementet har några mycket viktiga kommersiella tillämpningar, inklusive dess användning i kärnkraftsindustrin, elektronisk utrustning, keramik, glödlampor och i tillverkning av superlegeringar.

Hafnium hittas sällan fritt i naturen, och finns istället i de flesta zirkoniummineraler i en koncentration av upp till 5 procent. I själva verket är hafnium så kemiskt likt zirkonium att det är extremt svårt att separera de två elementen. De flesta kommersiella hafnium produceras som en biprodukt av zirkoniumraffinering.

Hafnium är det 45: e rikaste elementet på jorden, som omfattar cirka 3,3 delar per miljon (ppm) av jordens jordskorpa, enligt Chemicool. Hafnium är ganska resistent mot korrosion på grund av bildandet av en oxidfilm på utsatta ytor. Faktum är att den inte påverkas av vatten, luft och alla alkalier och syror förutom vätefluorid.

Hafniumkarbid (HfC) har den högsta smältpunkten för någon känd tvåelementförening vid nästan 7 034 grader Fahrenheit (3 890 grader Celsius), enligt Jefferson Lab. Föreningen hafniumnitrid (HfN) har också en hög smältpunkt, cirka 5 981 grader F (3 305 grader C). Bland föreningar med tre element har den blandade karbiden av volfram och hafnium den enskilt högsta smältpunkten av någon känd förening vid 4545 grader F (4,125 grader C), enligt Chemistry World. Vissa andra hafniumföreningar inkluderar hafniumfluorid (HfF₄) hafniumklorid (HfCl₄) och hafniumoxid (HfO₂).

Bara fakta

• Atomnummer (antal protoner i kärnan): 72
• Atomsymbol (på elementets periodiska tabell): Hf
• Atomvikt (atomens medelmassa): 178,49
• Densitet: 13,3 gram per kubikcentimeter
• Fas vid rumstemperatur: fast
• Smältpunkt: 4 051 grader Fahrenheit (2233 grader Celsius)
• Kokpunkt: 8 317 grader F (4 603 grader C)
• Antal isotoper (atomer av samma element med olika antal neutroner): 32 vars halveringstid är känd med massantal 154 till 185
• Vanliga isotoper: Hf-174, Hf-176, Hf-177, Hf-178, Hf-179 och Hf-180.

Upptäckt

Hafniums närvaro hade förutspått decennier innan dess upptäckt, enligt Chemistry World. Elementet visade sig vara ganska svårfångat, eftersom det var nästan omöjligt att skilja det kemiskt från det mycket vanligare zirkonium.

Hafnium var fortfarande okänd när den ryska kemisten och uppfinnaren Dimitri Mendeleev utvecklade den periodiska lagen - en förmodern version av det periodiska elementet - 1869. I sitt arbete förutsåg dock Mendeleev korrekt att det skulle finnas ett element vars egenskaper var liknande till men tyngre än zirkonium och titan.

1911 trodde den franska kemisten Georges Urbain, som redan hade upptäckt det sällsynta jordelementet lutetium, att han äntligen hade upptäckt det saknade elementet 72 - som han fortsatte att namnge celtium, enligt Chemicool. Några år senare visade han sig dock vara en kombination av redan upptäckta lantanider (de 15 metallelementen med atomnummer 57 till 71 i den periodiska tabellen).

Det var fortfarande oklart om det saknade elementet 72 skulle vara en övergångsmetall eller en sällsynt jordartsmetall eftersom det föll vid gränsen mellan dessa två typer av element i tabellen. Kemisterna som trodde att det skulle vara ett sällsynt jordelement genomförde många fruktlösa sökningar bland mineraler som innehåller sällsynta jordar, enligt Chemistry World.

Emellertid stödde nya bevis från både kemi- och fysikområdet idén att element 72 skulle vara ett övergångselement. Till exempel visste forskare att element 72 föll under titan och zirkonium i det periodiska systemet och båda dessa var kända övergångselement. Dessutom förutspådde den danska fysikern Niels Bohr, en av grundarna av kvantteorin, att element 72 skulle vara en övergångsmetall baserad på hans elektroniska konfiguration för elementet, enligt Chemistry World.

1921 uppmuntrade Bohr den ungerska kemisten Georg von Hevesy och den nederländska fysikern Dirk Costerto - två unga forskare på hans institut vid den tiden - att söka efter element 72 i zirkoniummalm. Baserat på hans kvantteori om atomstruktur visste Bohr att den nya metallen skulle ha en liknande kemisk struktur som zirkonium, så det var en stor chans att de två elementen skulle hittas i samma malmer, enligt Chemicool.

Von Hevesy och Coster tog Bohrs råd och fortsatte att studera zirkoniummalm med hjälp av röntgenspektroskopi. De använde Bohrs teori om hur elektroner fyller skal och underskal i atomer för att förutsäga skillnaderna mellan de två elementens röntgenspektra, enligt Chemical and Engineering News. Denna metod ledde slutligen till upptäckten av hafnium 1923. Upptäckten var en av de enda sex då återstående luckorna i det periodiska systemet. De namnger det nya elementet efter Bohrs hemstad Köpenhamn (Hafniapå latin).

användningsområden

Hafnium är anmärkningsvärt korrosionsbeständig och en utmärkt absorberare av neutroner, vilket tillåter användning i kärnkraftsbåtar och kärnreaktorkontrollstänger, en kritisk teknik som används för att upprätthålla klyvningsreaktioner. Kontrollstänger håller klyvningskedjereaktionen aktiv men förhindrar också att den accelererar utanför kontrollen.

Hafnium används i elektronisk utrustning som katoder och kondensatorer, såväl som i keramik, fotografering av glödlampor och glödlampor. Det används i vakuumrör som en getter, ett ämne som kombineras med och tar bort spårgaser från rören, enligt Jefferson Lab. Hafnium är ofta legerat med andra metaller som titan, järn, niob och tantal. Exempelvis används värmebeständiga hafnium-nobium-legeringar i flyg- och rymdapplikationer, såsom rymdraketsmotorer.

Föreningen hafniumkarbid har den högsta smältpunkten för alla föreningar som består av bara två element, vilket tillåter att den används för att leda högtemperaturugnar och ugnar, enligt Chemicool.

Vem visste?

• Hafnium är pyroforisk (antänds spontant) i pulverform.
• Den engelska kemisten Henry Moseley var forskaren som insåg att Georges Urbains element "celtium" inte var det sanna elementet som låg under zirkonium. Tyvärr avbröt första världskriget denna unga forskares viktiga forskning. Moseley tecknade pliktskyldigt till den brittiska arméns kungliga ingenjörer och dödades av en skyttskytt 1915. Hans död fick England att etablera en ny politik som förbjuder framstående forskare från att engagera sig i strid.
• 1925 kom holländska kemister Anton Eduard van Arkel och Jan Hendrik de Boer med en metod för att producera hafnium med hög renhet. För att göra detta sönderdelade forskarna hafnium-tetraiodid på en varm volframtråd vilket resulterade i en kristallstång av ren hafnium, enligt Chemicool. Denna metod kallas kristallstångsprocessen.
• Hafniums kärnämne har länge diskuterats som ett potentiellt vapen. I Hafnium-kontroversen diskuterar forskare om elementet kan leda till en snabb frigöring av energi.
• Även om zirkonium är kemiskt mycket lik hafnium, är det till skillnad från hafnium i det att det är mycket dåligt på absorberande neutroner. Därför används zirkonium i det yttre lagret av bränslestavar där det är viktigt att neutroner lätt kan resa.

Dejta jordens lager med hafnium

I en ny studie kunde ett internationellt forskarteam bekräfta att jordens första skorpa bildades för cirka 4,5 miljarder år sedan, tack vare deras kemiska analys av hafnium i en sällsynt meteorit. Forskarna tror att meteoriten härstammar från asteroiden Vesta, efter en stor påverkan som skickade stenfragment till jorden, enligt studiens pressmeddelande i Science Daily. Enligt forskarna är meteoriter bitar av de ursprungliga materialen som bildade alla planeter. För studien mätte de förhållandet mellan isotoperna hafnium-176 och hafnium-177 i meteoriten. Detta gav dem en utgångspunkt för jordens sammansättning. De jämförde resultaten med de äldsta klipporna på jorden och bekräftade i huvudsak att en jordskorpa redan hade bildats på jordytan för cirka 4,5 miljarder år sedan. Deras resultat publiceras i Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).