하프늄 : 발견, 구조, 속성, 용도, 위험 - 화학 - 2026

하프늄 화학적 인 심볼의 Hf이며, 72의 원자 번호를 갖는 전이 금속이고 그것은 주기율표 제 4 족, 동족체 인 티타늄과 지르코늄의 세 번째 요소이다. 후자와 함께 그것은 지각의 미네랄에 함께 위치하는 많은 화학적 특성을 공유합니다.

하프늄을 찾는 것은 추출의 부산물이기 때문에 지르코늄이 어디에 있는지 찾는 것입니다. 이 금속의 이름은 라틴어 '하프 니아'에서 유래되었으며, 그 의미는 지르콘 광물에서 발견 된 도시인 코펜하겐의 이름이며 진정한 화학적 성질에 대한 논쟁이 끝났습니다.

금속 하프늄 샘플. 출처 : 화학 원소의 고해상도 이미지

하프늄은 일반 지성으로는 눈에 띄지 않는 금속입니다. 사실 이전에 들어 본 적이있는 사람은 거의 없습니다. 일부 화학 물질 중에서도 대부분의 응용 분야에서 지르코늄이 문제없이 대체 할 수 있기 때문에 부분적으로 높은 생산 비용으로 인해 희귀 한 원소입니다.

이 금속은 지구상에서 발견 된 가장 안정적인 원소 중 마지막 원소라는 특징을 지니고 있습니다. 즉, 다른 발견은 일련의 초 무겁 방사성 원소 및 / 또는 인공 동위 원소를 구성했습니다.

하프늄 화합물은 HFCL +4로서 우위의 산화수와, 티타늄 및 지르코늄과 유사하다 ₍₄₎ , HfO2과 ₂ , HFI ₄ 및 HFBR ₄ . 그들 중 일부는 지금까지 생성 된 가장 내화성 물질과 내열성이 뛰어나고 중성자를 흡수하는 우수한 합금으로도 유명합니다.

이러한 이유로 하프늄은 특히 가압 수로와 관련하여 핵 화학에 많은 참여를하고 있습니다.

발견

전이 또는 희토류 금속

하프늄의 발견은 멘델레예프의 주기율표 덕분에 1869 년 이후 이미 그 존재가 예측 되었음에도 불구하고 논쟁으로 둘러싸여있었습니다.

문제는 그것이 지르코늄 아래에 있었지만 희토류 원소 인 란타 노이드와 같은 기간에 일치했다는 것입니다. 당시의 화학자들은 그것이 전이 금속인지 희토류 금속인지 몰랐습니다.

프랑스의 화학자 인 조르주 어 베인 (Georges Urbain)은 이웃하는 하프늄 금속 인 루테튬을 발견 한 사람이 1911 년에 원소 72를 발견했다고 주장했습니다. 그러나 3 년 후 그의 결과가 틀 렸으며 란타 노이드 혼합물만을 분리했다는 결론을 내 렸습니다.

1914 년 Henry Moseley의 연구 덕분에 원소가 원자 번호로 정렬 될 때까지는 루테튬과 원소 72 사이의 이웃이 증거로 등장했으며, 후자의 원소가 위치했을 때 멘델레예프의 예측에 동의했습니다. 금속 티타늄과 지르코늄과 같은 그룹.

코펜하겐에서 탐지

1921 년 Niels Bohr가 원자 구조를 연구하고 원소 72에 대한 X 선 방출 스펙트럼을 예측 한 후 희토류 광물에서이 금속에 대한 검색이 중단되었습니다. 대신 그는 지르코늄 광물에 초점을 두었습니다. 두 원소 모두 다양한 화학적 특성을 공유했을 것입니다.

덴마크 화학자 Dirk Coster와 헝가리 화학자 Georg von Hevesy는 1923 년에 노르웨이와 그린란드의 지르콘 샘플에서 Niels Bohr가 예측 한 스펙트럼을 마침내 인식했습니다. 코펜하겐에서 발견 한 후 그들은이 도시의 라틴어 이름 인 하프 니아 (Hafnia)로 요소 72를 불렀으며 나중에 '하프늄'에서 파생되었습니다.

격리 및 생산

그러나 하프늄 원자와 지르코늄 원자를 분리하는 것은 쉬운 일이 아니 었습니다. 그 크기가 비슷하고 같은 방식으로 반응하기 때문입니다. 분수 재결정 방법은 하프늄 테트라 클로라이드, HFCL 얻기 위해 1924 년에 고안되었다했지만 ₄ , 그것은 하프늄 금속으로 감소 네덜란드의 화학자 안톤 에두아르드 반 아켈과 얀 헨드릭 드 보어이었다.

이를 위해 HFCL ₄ 금속 마그네슘 (크롤 프로세스)을 사용하여 환원시켰다 :

HfCl ₄ + 2 Mg (1100 ° C) → 2 MgCl ₂ + Hf

한편, 하프늄 테트라 요오다 이드 (HfI ₄₎ 에서 시작하여 이를 증발시켜 백열 텅스텐 필라멘트에서 열분해를 수행하고, 그 위에 금속 하프늄을 증착하여 다결정 모양의 바를 생성합니다 (결정 바 또는 Arkel- De Boer 프로세스) :

HfI ₄ (1700 ° C) → Hf + 2 I ₂

하프늄 구조

하프늄 원자 Hf는 금속 티타늄과 지르코늄처럼 콤팩트 한 육각형 구조 인 hcp를 가진 결정으로 주위 압력에서 함께 뭉칩니다. 이 hcp 하프늄 결정은 몸을 중심으로하는 입방체 구조 인 bcc와 함께 β 상으로 전환 될 때 2030K의 온도까지 일정하게 유지되는 α 상이됩니다.

이것은 열이 결정을 "이완"시키고 따라서 Hf 원자가 압축을 감소시키는 방식으로 자신의 위치를 ​​찾는다고 생각되면 이해됩니다. 이 두 단계는 하프늄의 다형성을 고려하기에 충분합니다.

마찬가지로 고압에 의존하는 다형성을 나타냅니다. α 및 β상은 1 atm의 압력에서 존재합니다. 6 각형이지만 일반 hcp보다 훨씬 더 압축 된 ω 위상은 압력이 40 GPa를 초과 할 때 나타납니다. 흥미롭게도 압력이 계속 증가하면 밀도가 가장 낮은 β 단계가 다시 나타납니다.

속성

외모

은백색 고체로 산화물 및 질화물 코팅이있는 경우 어두운 색조를 나타냅니다.

몰 질량

178.49g / 몰

녹는 점

2233ºC

비점

4603 ºC

밀도

실온에서 : 13.31 g / cm ³ , 지르코늄의 두 배 밀도

녹는 점 바로 : 12g / cm ³

융합 열

27.2 kJ / 몰

기화열

648 kJ / 몰

전기 음성도

1.3 폴링 척도

이온화 에너지

첫 번째 : 658.5kJ / mol (Hf ⁺ 기체)

두 번째 : 1440 kJ / mol (Hf ²⁺ 기체)

세 번째 : 2250 kJ / mol (Hf ³⁺ 기체)

열 전도성

23.0W / (mK)

전기 저항

331nΩ · m

모스 경도

5.5

반동

금속이 연마되고 타지 않는 한 2000 ° C의 온도에서 스파크가 발생하지 않으면 산화물의 얇은 층이 금속을 보호하기 때문에 녹이나 부식에 대한 민감성이 없습니다. 이런 의미에서 가장 안정적인 금속 중 하나입니다. 사실, 강산이나 강염기는 그것을 녹일 수 없습니다. 불산과 그것을 산화시킬 수있는 할로겐을 제외하고.

전자 구성

하프늄 원자는 다음과 같은 전자 구성을 가지고 있습니다.

4f ¹⁴ 5d ² 6s ²

이것은 5d 및 6s 궤도에 4 개의 원자가 전자를 가지고 있기 때문에 티타늄 및 지르코늄과 함께 주기율표의 그룹 4에 속한다는 사실과 일치합니다. 또한 하프늄은 4f 궤도가 완전히 채워져 있기 때문에 란타 노이드가 될 수 없습니다.

산화 번호

동일한 전자 구성은 하프늄 원자가 이론적으로 화합물의 일부로 잃을 수있는 전자의 수를 나타냅니다. 4 개의 원자가 전자를 잃는다 고 가정하면 4가 양이온 Hf ⁴⁺ (Ti ⁴⁺ 및 Zr ⁴⁺ 와 유사)로 남아 있으므로 산화수는 +4입니다.

이것은 실제로 가장 안정적이고 일반적인 산화 수입니다. 관련성이 덜한 기타 : -2 (Hf ^2- ), +1 (Hf ⁺ ), +2 (Hf ²⁺ ) 및 +3 (Hf ³⁺ ).

동위 원소

하프늄은 지구상에서 5 개의 안정 동위 원소와 1 개의 방사성 물질로 매우 긴 수명을 갖습니다.

- ¹⁷⁴ (2의 평균 수명 ·와 0.16 %, 10의 Hf ⁽¹⁵⁾ 년이 실질적으로 안정적인 것으로 간주되도록)

- ¹⁷⁶ 의 Hf (5.26 %)

- ¹⁷⁷ 의 Hf (18.60 %)

- ¹⁷⁸ 의 Hf (27.28 %)

- ¹⁷⁹ 의 Hf (13.62 %)

- ¹⁸⁰ 의 Hf (35.08 %)

풍부한 동위 원소는 존재하지 않으며, 이는 하프늄의 평균 원자 질량 인 178.49 amu에 반영됩니다.

천연 ^원자 와 함께 총 34 개가되는 하프늄의 모든 방사성 동위 원소 중에서 ^178m2 Hf는 방사성 붕괴에서 감마선을 방출하기 때문에이 원자들이 전쟁 무기로 사용될 수 있기 때문에 가장 논란이되고 있습니다. .

응용

핵 반응

하프늄은 습기와 고온에 강한 금속이며 중성자를 흡수하는 데 탁월합니다. 이러한 이유로, 중성자를 통과시킬 수 있어야하기 때문에 고압 수로 및 원자로 용 제어봉의 제조에 사용됩니다. .

합금

하프늄 원자는 다른 금속 결정을 통합하여 다른 합금을 생성 할 수 있습니다. 이들은 견고하고 내열성이 특징이므로 로켓 용 엔진 노즐의 구성과 같은 우주 응용 분야에 사용됩니다.

반면에 일부 합금과 고체 하프늄 화합물은 특별한 특성을 가지고 있습니다. 탄화물과 질화물, HfC 및 HfN과 같이 각각 고 내화 물질입니다. 융점이 4215 ° C 인 탄탈륨 하프늄 카바이드 Ta ₄ HfC ₅ 는 지금까지 알려진 가장 내화 물질 중 하나입니다.

촉매 작용

하프늄 메탈로 센은 폴리에틸렌 및 폴리스티렌과 같은 폴리머 합성을위한 유기 촉매로 사용됩니다.

위험

Hf ⁴⁺ 이온이 우리 몸에 어떤 영향을 미칠 수 있는지는 현재까지 알려지지 않았습니다 . 반면에 지르코늄 광물에서 자연에서 발견되기 때문에 염분을 환경에 방출하여 생태계를 변화시키는 것으로 믿어지지 않습니다.

그러나 하프늄 화합물은 건강에 해롭다는 것을 증명하는 의학 연구가 없더라도 독성이있는 것처럼 조심스럽게 취급하는 것이 좋습니다.

하프늄의 진짜 위험은 미세하게 분쇄 된 고체 입자에 있으며, 이는 공기 중의 산소와 접촉 할 때 간신히 타 버릴 수 있습니다.

이것은 연마 할 때 표면을 긁어 내고 순수한 금속 입자를 방출하는 작용으로 2000ºC의 온도에서 연소 불꽃이 방출되는 이유를 설명합니다. 즉, 하프늄은 화재 또는 심각한 화상의 위험을 수반하는 유일한 속성 인 발화성을 나타냅니다.

참고 문헌

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