Fakta om Hafnium

Hafnium er et glansfullt, sølvgrått overgangsmetall. Oppdaget i 1923, var det det nest siste elementet med stabile kjerner som ble lagt til det periodiske systemet (det siste var renium i 1925). Hafnium er oppkalt etter det latinske ordet for København: Hafnia. Elementet har noen veldig viktige kommersielle applikasjoner, inkludert dets bruk i kjernekraftindustrien, elektronisk utstyr, keramikk, lyspærer og til fremstilling av superlegeringer.

Hafnium finnes sjelden fri i naturen, og er i stedet til stede i de fleste zirkoniummineraler i en konsentrasjon på opptil 5 prosent. Faktisk er hafnium så kjemisk lik zirkonium at det er ekstremt vanskelig å skille de to elementene. Mest kommersiell hafnium produseres som et biprodukt av zirkoniumraffinering.

Hafnium er det 45. rikeste elementet på jorden, og inneholder omtrent 3,3 deler per million (ppm) av jordskorpen i vekt, ifølge Chemicool. Hafnium er ganske motstandsdyktig mot korrosjon på grunn av dannelsen av en oksydfilm på utsatte overflater. Faktisk er den ikke påvirket av vann, luft og alle baser og syrer bortsett fra hydrogenfluorid.

Hafniumkarbid (HfC) har det høyeste smeltepunktet av noen kjent toelementforbindelse på nesten 7 034 grader Fahrenheit (3,890 grader celsius), ifølge Jefferson Lab. Forbindelsen hafnium nitrid (HfN) har også et høyt smeltepunkt, rundt 3.985 grader F (3.305 grader C). Blant forbindelser av tre elementer har blandet karbid av wolfram og hafnium det høyeste smeltepunktet av en hvilken som helst kjent forbindelse ved 4545 grader F, ifølge Chemistry World. Noen andre hafniumforbindelser inkluderer hafniumfluorid (HfF₄) hafniumklorid (HfCl₄) og hafniumoksid (HfO₂).

Bare fakta

• Atomnummer (antall protoner i kjernen): 72
• Atomsymbol (på elementets periodiske tabell): Hf
• Atomvekt (atomets gjennomsnittlige masse): 178,49
• Tetthet: 13,3 gram per kubikkcentimeter
• Fase ved romtemperatur: Fast
• Smeltepunkt: 4.051 grader Fahrenheit (2.233 grader celsius)
• Kokepunkt: 8,317 grader F (4603 grader C)
• Antall isotoper (atomer av samme element med et annet antall nøytroner): 32 hvis halveringstid er kjent med massetall 154 til 185
• Vanlige isotoper: Hf-174, Hf-176, Hf-177, Hf-178, Hf-179 og Hf-180.

Oppdagelse

Hafniums tilstedeværelse var blitt spådd tiår før den ble oppdaget, ifølge Chemistry World. Elementet viste seg å være ganske unnvikende, ettersom det nesten ikke var mulig å skille det kjemisk fra det mye vanligere zirkonium.

Hafnium var fremdeles ukjent da den russiske kjemikeren og oppfinneren Dimitri Mendeleev utviklet den periodiske loven - en førmoderne versjon av det periodiske elementet - i 1869. I sitt arbeid forutslo imidlertid Mendeleev riktig at det ville være et element hvis egenskaper var like til men tyngre enn zirkonium og titan.

I 1911 trodde den franske kjemikeren Georges Urbain, som allerede hadde oppdaget det sjeldne jordelementet lutetium, han til slutt hadde oppdaget savnet element 72 - som han fortsatte med å kalle celtium, ifølge Chemicool. Noen år senere viste han seg imidlertid å være en kombinasjon av allerede oppdagede lantanider (de 15 metalliske elementene med atomnummer 57 til 71 i den periodiske tabellen).

Det var fremdeles uklart om manglende element 72 ville være et overgangsmetall eller et sjeldent jordmetall siden det falt ved grensen mellom disse to typer elementer i tabellen. Kjemikerne som trodde det ville være et sjeldent jordelement, gjennomførte mange fruktløse søk blant mineraler som inneholder sjeldne jordarter, ifølge Chemistry World.

Imidlertid støttet nye bevis fra både kjemi- og fysikkfeltet ideen om at element 72 ville være et overgangselement. For eksempel visste forskere at element 72 falt under titan og zirkonium i periodiske tabeller, og begge disse var kjente overgangselementer. I tillegg spådde den danske fysikeren Niels Bohr, en av grunnleggerne av kvanteteori, at element 72 ville være et overgangsmetall basert på hans elektroniske konfigurasjon for elementet, i følge Chemistry World.

I 1921 oppfordret Bohr den ungarske kjemikeren Georg von Hevesy og den nederlandske fysikeren Dirk Costerto - to unge forskere på hans institutt på den tiden - til å søke etter element 72 i zirkoniummalm. Basert på hans kvante teori om atomstruktur, visste Bohr at det nye metallet ville ha en lignende kjemisk struktur som zirkonium, så det var en stor sjanse for at de to elementene vil bli funnet i de samme malmene, ifølge Chemicool.

Von Hevesy og Coster tok Bohrs råd og fortsatte å studere zirkoniummalm ved bruk av røntgenspektroskopi. De brukte Bohrs teori om hvordan elektroner fyller skjell og underhull i atomer for å forutsi forskjellene mellom de to elementenes røntgenspektre, ifølge Chemical and Engineering News. Denne metoden førte til slutt til oppdagelsen av hafnium i 1923. Oppdagelsen var en av de eneste seks da gjenværende hullene i det periodiske systemet. De navngav det nye elementet etter Bohrs hjemby København (Hafniapå latin).

Bruker

Hafnium er bemerkelsesverdig korrosjonsbestandig og en utmerket absorber av nøytroner, noe som tillater bruk i kjernefysiske ubåter og kjernefysiske reaktorkontrollstenger, en kritisk teknologi som brukes til å opprettholde fisjonreaksjoner. Kontrollstenger holder fisjonskjedereaksjonen aktiv, men forhindrer også at den akselererer utenfor kontrollen.

Hafnium brukes i elektronisk utstyr som katoder og kondensatorer, så vel som i keramikk, fotografering av lyspærer og lyspærer. Det brukes i vakuumrør som en getter, et stoff som kombineres med og fjerner sporingsgasser fra rørene, ifølge Jefferson Lab. Hafnium er ofte legert med andre metaller som titan, jern, niob og tantal. For eksempel brukes varmebestandige hafnium-nobium-legeringer i romfartsapplikasjoner, som romrakettmotorer.

Forbindelse hafniumkarbid har det høyeste smeltepunktet av en hvilken som helst forbindelse bestående av bare to elementer, slik at det kan brukes til å lineere høye temperaturovner og -ovner, ifølge Chemicool.

Hvem visste det?

• Hafnium er pyroforisk (antennes spontant) i pulverform.
• Den engelske kjemikeren Henry Moseley var forskeren som innså at Georges Urbains element "celtium" ikke var det sanne elementet som ligger under zirkonium. Dessverre avbrøt første verdenskrig denne unge forskerens viktige forskning. Moseley vervet pliktoppfyllt til Royal Engineers of the British Army og ble drept av en snikskytter i 1915. Hans død førte til at England etablerte en ny politikk som forbød prominente forskere å delta i kamp.
• I 1925 kom nederlandske kjemikere Anton Eduard van Arkel og Jan Hendrik de Boer opp med en metode for å produsere hafnium med høy renhet. For å gjøre dette, dekomponerte forskerne hafnium tetraiodide på en varm wolframtråd, noe som resulterte i en krystallstang av ren hafnium, ifølge Chemicool. Denne metoden kalles krystallstangprosessen.
• Hafniums nukleære isomer har lenge blitt diskutert som et potensielt våpen. I Hafnium-kontroversen diskuterer forskere om elementet er i stand til å utløse en rask frigjøring av energi.
• Selv om zirkonium kjemisk er veldig likt hafnium, er det i motsetning til hafnium ved at det er veldig dårlig til å absorbere nøytroner. Derfor brukes zirkonium i det ytre laget av drivstoffstenger der det er viktig at nøytroner lett kan bevege seg.

Dating jordens lag med hafnium

I en fersk studie kunne et internasjonalt team av forskere bekrefte at jordens første skorpe dannet seg for rundt 4,5 milliarder år siden, takket være deres kjemiske analyse av hafnium i en sjelden meteoritt. Forskerne mener meteoritten stammet fra asteroiden Vesta, etter en stor innvirkning som sendte steinfragmenter til jorden, ifølge studiens pressemelding i Science Daily. I følge forskerne er meteoritter biter av de originale materialene som dannet alle planeter. For studien målte de forholdet mellom isotopen hafnium-176 og hafnium-177 i meteoritten. Dette ga dem et utgangspunkt for jordas sammensetning. De sammenlignet resultatene med de eldste bergartene på jorden, og bekreftet i det vesentlige at det allerede hadde dannet seg en skorpe på jordoverflaten for rundt 4,5 milliarder år siden. Funnene deres er publisert i Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).