Hafnium
Hafnium ist ein chemisches Element im Periodensystem der Elemente mit dem Symbol Hf und der Ordnungszahl 72. Es ist ein silbergrau glänzendes, schweres, stark dehnbares, sehr korrosionsbeständiges Metall.
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| Allgemein | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| Name, Symbol, Ordnungszahl | Hafnium, Hf, 72 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Serie | Übergangsmetalle | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Gruppe, Periode, Block | 4 (IVB), 6, d | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Dichte, Mohshärte | 13310 kg/m3, 5,5 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Aussehen | stahlgrau | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Atomar | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Atomgewicht | 178,49 amu | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Atomradius (berechnet) | 155 (208) pm | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Kovalenter Radius | 150 pm | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| van der Waals-Radius | k. A. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Elektronenkonfiguration | [Xe]4f14 5d2 6s2 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| e- 's pro Energieniveau | 2, 8, 18, 32, 10, 2 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Oxidationszustände (Oxid) | 4 (amphoter) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Kristallstruktur | Hexagonal | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Physikalisch | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Aggregatzustand (Magnetismus) | fest | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Schmelzpunkt | 2506 K (2233 °C) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Siedepunkt | 4876 K (4603 °C) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Molares Volumen | 13,44 · 10-3 m3/mol | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Verdampfungswärme | 575 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Schmelzwärme | 24,06 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Dampfdruck | 0,00112Pa bei 2500 K | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Schallgeschwindigkeit | 3010 m/s bei 293,15 K | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Verschiedenes | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Elektronegativität | 1,3 (Pauling-Skala) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Spezifische Wärmekapazität | 140 J/(kg · K) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Elektrische Leitfähigkeit | 3,12 · 106/m Ohm | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Wärmeleitfähigkeit | 23 W/(m · K) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 1. Ionisierungsenergie | 658,5 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 2. Ionisierungsenergie | 1440 kJ/mol | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Stabilste Isotope | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| NMR-Eigenschaften | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| SI-Einheiten und Standardbedingungen werden benutzt, sofern nicht anders angegeben. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Bemerkenswerte Eigenschaften
Die Atom- und Ionenradien unterscheiden sich aufgrund der Lantanoidenkontraktion nur wenig von denen des Zirkoniums. Beide Metalle verhalten sich deshalb chemisch sehr ähnlich und sind nur schwer zu trennen. An Luft überzieht es sich mit einer dünnen passivierenden Oxidschicht. In Mineralsäuren, auch heißen konzentrierten, wird es wenig angegriffen. Nur Königswasser und Fluorwasserstoffsäure lösen Hafnium unter Bildung von Hafnium(IV)-Salzen auf.
Hafniumcarbid, HfC ist sehr temperaturbeständig und hat einen extrem hohen Schmelzpunkt von etwa 3890 °C.
Anwendungen
Hafnium wird wegen des großen Einfangquerschnitts für Neutronen zur Herstellung von Regel- und Kontrollstäben in Atomreaktoren verwendet. Die Absorptionsrate ist etwa 600-mal größer als die des Zirkoniums.
Weitere Anwendungen:
- Gettersubstanz zum Abbinden von Sauerstoff und Stickstoff
- Blitzlichtlampen mit besonders hoher Lichtausbeute
- Hochdruckglühlampen
- Legierungszusatz in Eisen-, Titan-, Niob-, Tantal-, Nickel- und anderen metallischen Werkstoffen
- Hafniumnitrid als Elektrodenwerkstoff in Vakuumröhren (geringere Verdampfungsneigung als Wolfram)
- Herstellung von Hartstoffen wie Hafniumcarbid und Hafniumnitrid.
Geschichte
Hafnium (lat. Hafnia für Kopenhagen) wurde 1923 in Kopenhagen von Dirk Coster und Georg von Hevesy entdeckt. Niels Bohr sagte in seiner 1922 veröffentlichten Arbeit zur Atomtheorie die Ähnlichkeit des Elementes 72 mit dem Zirkonium voraus. Schon ein Jahr später konnte Hafnium durch Röntgenspektralanalyse in norwegischem Zirkon nachgewiesen werden. Weitere Untersuchungen anderer Mineralien zeigten, dass Hafnium immer in zirkoniumhaltigen Mineralien enthalten ist. Die Trennung vom Zirkonium gelang Jantzen und Hevesy durch wiederholte Kristallisation der Di-Ammonium- und Di-Kalium-Fluoride der beiden Elemente. Metallisches Hafnium wurde erstmals durch Anton Eduard van Arkel und Jan Hendrik de Boer (van Arkel de Boer Prozess) durch Abscheidung von Hafnium(IV)-iodid an einem glühendem Woframdraht hergestellt. Die späte Entdeckung des Hafniums beruht auf dem gleichen chemischen Verhalten der Elemente Zirkonium und Hafnium. Mit den üblichen chemischen Trennmethoden ließen sie sich nicht trennen.
Quellen
Hafnium kommt immer verschwistert mit Zirkoniumverbindungen vor. Metallisches Hafnium kommt natürlich nicht vor. Zirkoniumhaltige Mineralien wie
Alvit [(Hf, Th, Zr) SiO4H2O],
Thortveitit (Sc, Y)2 [Si2O7] und
Zirkon (ZrSiO4)
enthalten gewöhnlich 1 bis 5 % Hafnium.
Zirkonium und Hafnium sind wegen ihrer Ähnlichkeit im chemischen Verhalten nur äußerst aufwändig zu trennen. Mehr als die Hälfte des gehandelten Hafniums fällt als Nebenprodukt bei der Zirkoniumherstellung an. Im Kroll-Prozess wird Hafniumtetrachlorid durch Magnesium oder Natrium zum metallischen Hafnium reduziert.
Heute erfolgt die Trennung von Zirkonium und Hafnium wegen der höheren Selektivität
- durch Ionentausch
- chromatografisch methanolischer, salzsaurer Metallchloridlösungen an Kieselgel
- durch Mehrfachextraktion saurer Sulfate mit Ether oder
- durch fraktionierte Destillation phosphorhaltiger Oxi-Chloridkomplexe
Verbindungen
Vorsichtsmaßnahmen
Hafnium ist pyrophor. Späne und Staub aus metallischem Hafnium entzünden sich an Luft. Metallisches Hafnium ist normalerweise nicht toxisch. Hafniumhaltige Verbindungen sollten als toxisch angesehen werden.