Гафний – стратегический металл со светлым будущим

Биологического значения для человека этот элемент не имеет. Однако без него невозможно создание космической техники, компьютеров, оптики. Гафний признан стратегическим материалом.

Гафний элемент

Что представляет собой

Гафний – это элемент №72 таблицы Менделеева.

В чистом виде – блестящий белый с серебристостью металл. В порошке – серый до черноты, матовый.

Его особенность – модификация кристаллической решетки:

  • При комнатной температуре это плотно упакованный шестигранник.
  • Значения около 1700°C превращают ее в кубическую, центрированную по всему объему.

Выявлено три десятка изотопов вещества. Шесть из них природные: пять стабильных плюс один радиоактивный. Однако период его полураспада – два квадриллиона (1015) лет.

Международное обозначение химического элемента – Hf (Hafnium).

Как был открыт и назван

То, что гафний существует как химический элемент, утверждал еще Менделеев в 1870 году.

Гафний

Догадка подтвердилась спустя полвека, к 1923 году:

  • Ориентируясь на таблицу Менделеева, химики разыскивали элемент в «редких землях».
  • В 1911 году француз Жорж Урбен заявил, что открыл новый элемент. Назвал его кельтием, но преждевременно. Это был конгломерат двух элементов с микропримесью гафния.
  • Ясность внес великий датчанин Нильс Бор. Он вычислил, что после №71 «редких земель» быть не может.
  • Элемент стали искать как аналог циркония.
  • Учитывая наработки Бора, венгерский ученый Дьердь Хевеши и его голландский коллега Дирк Костер просветили рентгеном местные цирконы. Результатом стало открытие гафния.
  • Так элемент назвали по месту открытия: на латыни столица Дании Копенгаген – Hafnia.

В середине ХХ века название элемента закрепилось решением IUPAC (Международного союза теоретической и прикладной химии).

Как представлен в природе

Месторождений руд гафния на планете не обнаружено.

Он представлен двумя видами:

  1. Компонент циркониевых руд.
  2. Скандиевые минералы тортвейтит, лопарит, бадделеит.

Доля гафния в них исчисляется единичными процентами.

Глобальные резервы чистого металла оцениваются 600 тысячами тонн.

Месторождения, добыча и получение

Мировые ресурсы гафния распределены по следующим странам (%):

  • Австралия – 60;
  • ЮАР – 29;
  • США – 10;
  • Индия – 0,7;
  • Бразилия – 0,1.

Запасы выявлены и у России.

Тонна земной коры содержит 4 грамма гафния.

Ежегодный глобальный объем добычи – 68-69 тонн.

Он – постоянный «сосед» циркония, добывается переработкой циркониевого сырья. Гафния не более трех процентов, поэтому руду обогащают.

Гафний металл

Далее выделяют гафний. Процесс получения технологически сложен, трудоемок, затратен.

Физико-химические характеристики

На практике интерес представляют следующие характеристики металла:

  • Твердость, тугоплавкость.
  • Инертность вследствие образования на поверхности оксидной пленки.
  • Устойчивость к кислотам, сопоставимая со стеклом.

Кубик из гафния с ребром 1 см весит 13,09 грамма.

Зависимость теплоемкости элемента от температуры ученые объяснить не могут: она не подчиняется известным физическим законам.

Свойства атома
Название, символ, номер Га́фний / Hafnium (Hf), 72
Атомная масса
(молярная масса)
178,49(2) а. е. м. (г/моль)
Электронная конфигурация [Xe]4f14 5d2 6s2
Радиус атома 167 пм
Химические свойства
Ковалентный радиус 144 пм
Радиус иона (+4e) 78 пм
Электроотрицательность 1,3 (шкала Полинга)
Электродный потенциал 0
Степени окисления 0, 2, 3, 4
Энергия ионизации
(первый электрон)
 575,2 (5,96) кДж/моль (эВ)
Термодинамические свойства простого вещества
Плотность (при н. у.) 13,31 г/см³
Температура плавления 2506 K (2233 °C, 4051 °F)
Температура кипения 4876 K (4603 °C, 8317 °F)
Уд. теплота плавления 25,1 кДж/моль
Уд. теплота испарения 575 кДж/моль
Молярная теплоёмкость 25,7 Дж/(K·моль)
Молярный объём 13,6 см³/моль
Кристаллическая решётка простого вещества
Структура решётки гексагональная
Параметры решётки a=3,196 нм; c=5,051 нм
Отношение c/a 1,580
Прочие характеристики
Теплопроводность (300 K) 23,0 Вт/(м·К)
Номер CAS 7440-58-6

Это аналог циркония (например, не смачивается водой), но отличия существенны:

  • Химическая стойкость в разы больше.
  • Цирконий – «сито» для нейтронов, гафний – ловушка.

Последнее свойство делает элемент желанным для атомщиков.

Топливные стержни атомных объектов делают из циркония, регулирующие – из гафния.

Где и как используется

Для практических целей применяются соединения и сплавы гафния.

Применение соединений

Главные сферы применения материала – атомный, космический сегменты, металлургия, специальная оптика:

  • Борид, оксид, карбид элемента входят в материал стержней-регуляторов, защитных экранов от нейтронных потоков, стекла, керамики для атомных объектов.
  • Оксид, фторид используют производители стекла для волоконной оптики, амальгамы зеркал (включая тепловизоры, другие гаджеты ночного видения).
  • Тугоплавкие борид, карбид становятся компонентом сверхтвердых сплавов, материалом прочной проволоки, покрытий.
  • Карбид, как одно из наиболее тугоплавких соединений, задействован в производстве узлов ракет и реактивных двигателей на ядерном топливе.

Самый известный аппарат, детали которого изготовлены из карбида гафния, – американский модуль-луноход.

Двойной борид элемента плюс никель – апробированный композит. Диоксид и силицид используются корпорацией Intel.

Тигель с гафнием
Тигель с гафнием

Использование сплавов

Гафний как металл нашел применение в качестве легирующей добавки и полноценного компонента сплавов:

  • Из сплавов титана с гафниевой лигатурой выполняются детали судовых двигателей.
  • Сплавы со скандием – исходник при изготовлении пленок для нужд микроэлектроники.
  • Добавка микродозы вещества к никелю кратно увеличивает стойкость к коррозии, прочность, кондиции сварных швов.
  • Сплав с вольфрамом и танталом – материал номер один для прокачки топлива двигателей ракет.
  • Тантало-гафниевый карбид устойчив к жаре, перепадам температур. Из него выполняют детали ракет, электроды для резки металлов.
  • Гафний как лигатура в разы повышает порог прочности кобальтовых сплавов. Материал закупают производители турбин, нефтяники, химики, пищевики.
  • Металлурги ценят тугоплавкий элемент как упрочнитель кобальтовых, никелевых, титановых сплавов.

Сплав карбидов тантала и гафния (4:1) – самый тугоплавкий. Микродобавка карбида титана поднимает температуру его плавления еще на 180 единиц, до 4400°С.

Одного процента гафния достаточно, чтобы сплавы алюминия стали сверхпрочными. Попутно повышается стойкость к вибрации, порог прочности при деформации.

Перспективы

Диэлектрики на основе оксида гафния в первой трети века вытеснят из сегмента микроэлектроники оксид кремния.

Чипы станут более емкими. А Кремниевую долину, возможно, переименуют в Гафниевую.

Металл как объект инвестирования

Гафний признан незаменимым в топовых отраслях промышленности.

Малые объемы добычи, трудности производства уравнивают его по ценности с золотом и платиной. Финансисты советуют вкладываться в металл.

Формы разные:

  1. Хранение физического металла в хранилищах, защищенных по стандартам швейцарских банков.
  2. Открытие счета.

Металл признан стратегическим, замены в обозримом будущем не предвидится, вложения надежны.

Конспирология

В разгар «холодной войны» (1960-е годы) прошлого столетия ученые двух супердержав – США и СССР – трудились над созданием «гафниевой бомбы».

Исходили из процессов, используемых производителями лазеров:

  • «Перепрыгивая» на следующий энергетический уровень, электрон поглощает квант энергии.
  • На более низком уровне квант испускается.
  • Процесс проходит на атомном уровне.

Например, в атоме гафния (изотоп Hf176). Вычислили, что грамм такого вещества заменяет 50 кг тротила.

Однако технология оказалась нерентабельной. Создание «супероружия» свернули (по официальной версии).

Стоимость

На российском рынке предлагают купить металл (пруток, слитки, проволоку), порошок, соединения.

Цена (тыс. руб. /кг):

  • металл (99,9%) – 2 700;
  • порошок – 17,5 – 20;
  • стружка – 70 – 400;
  • проволока (1-2 мм) – 200;
  • гафнат лантана – 45,5.

Ценятся все виды гафниевого материала. Можно заработать, сдавая отслужившие мониторы, телевизоры, радиодетали.

Проверить совместимость мужчины и женщины по Знаку Зодиака

Знак Зодиака мужчины

♈ Овен
♉ Телец
♊ Близнецы
♋ Рак
♌ Лев
♍ Дева
♎ Весы
♏ Скорпион
♐ Стрелец
♑ Козерог
♒ Водолей
♓ Рыбы

Знак Зодиака женщины

♈ Овен
♉ Телец
♊ Близнецы
♋ Рак
♌ Лев
♍ Дева
♎ Весы
♏ Скорпион
♐ Стрелец
♑ Козерог
♒ Водолей
♓ Рыбы


Рейтинг автора
Автор статьи
Петрова Вероника Александровна
Мне 36 и я специалист в области минералогии. Сейчас я в декрете и всё свободное время посвящаю самоцветам. В этом блоге я делюсь информацией про камни и их свойства — присоединяйтесь, задавайте вопросы и пишите комментарии!
Написано статей
478
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Звёзд: 1Звёзд: 2Звёзд: 3Звёзд: 4Звёзд: 5 (1 оценок, среднее: 5,00 из 5)
Загрузка...

Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: