Fakten über Hafnium

Hafnium ist ein glänzendes, silbergraues Übergangsmetall. Es wurde 1923 entdeckt und war das vorletzte Element mit stabilen Kernen, das dem Periodensystem hinzugefügt wurde (das letzte war 1925 Rhenium). Hafnium ist nach dem lateinischen Wort für Kopenhagen benannt: Hafnia. Das Element hat einige sehr wichtige kommerzielle Anwendungen, einschließlich seiner Verwendung in der Kernkraftindustrie, elektronischen Geräten, Keramik, Glühbirnen und bei der Herstellung von Superlegierungen.

Hafnium kommt in der Natur selten frei vor und ist stattdessen in den meisten Zirkoniummineralien in einer Konzentration von bis zu 5 Prozent enthalten. Tatsächlich ist Hafnium Zirkonium chemisch so ähnlich, dass es äußerst schwierig ist, die beiden Elemente zu trennen. Das meiste kommerzielle Hafnium entsteht als Nebenprodukt der Zirkoniumraffination.

Hafnium ist das 45. am häufigsten vorkommende Element auf der Erde und umfasst laut Chemicool etwa 3,3 Gewichtsteile (ppm) der Erdkruste. Hafnium ist aufgrund der Bildung eines Oxidfilms auf freiliegenden Oberflächen ziemlich korrosionsbeständig. Tatsächlich wird es von Wasser, Luft und allen Laugen und Säuren mit Ausnahme von Fluorwasserstoff nicht beeinflusst.

Hafniumcarbid (HfC) hat laut Jefferson Lab mit fast 3.890 Grad Celsius den höchsten Schmelzpunkt aller bekannten Zweielementverbindungen. Die Verbindung Hafniumnitrid (HfN) hat ebenfalls einen hohen Schmelzpunkt von etwa 3.305 ° C (5.981 ° F). Unter den Verbindungen aus drei Elementen hat das gemischte Carbid aus Wolfram und Hafnium laut Chemistry World den höchsten Schmelzpunkt aller bekannten Verbindungen bei 4.125 ° C (7.457 ° F). Einige andere Hafniumverbindungen umfassen Hafniumfluorid (HfF)₄) Hafniumchlorid (HfCl₄) und Hafniumoxid (HfO₂).

Nur die Fakten

• Ordnungszahl (Anzahl der Protonen im Kern): 72
• Atomsymbol (im Periodensystem der Elemente): Hf
• Atomgewicht (durchschnittliche Masse des Atoms): 178,49
• Dichte: 13,3 Gramm pro Kubikzentimeter
• Phase bei Raumtemperatur: Fest
• Schmelzpunkt: 2.053 Grad Fahrenheit (2.233 Grad Celsius)
• Siedepunkt: 4.603 ° C (8.317 ° F)
• Anzahl der Isotope (Atome desselben Elements mit einer unterschiedlichen Anzahl von Neutronen): 32, deren Halbwertszeiten mit den Massenzahlen 154 bis 185 bekannt sind
• Die häufigsten Isotope: Hf-174, Hf-176, Hf-177, Hf-178, Hf-179 und Hf-180.

Entdeckung

Laut Chemistry World war die Anwesenheit von Hafnium Jahrzehnte vor seiner Entdeckung vorhergesagt worden. Das Element erwies sich als ziemlich schwer fassbar, da es nahezu unmöglich war, es chemisch von dem viel häufiger vorkommenden Zirkonium zu unterscheiden.

Hafnium war noch unbekannt, als der russische Chemiker und Erfinder Dimitri Mendeleev 1869 das Periodengesetz - eine vormoderne Version des Periodensystems der Elemente - entwickelte. In seiner Arbeit sagte Mendeleev jedoch korrekt voraus, dass es ein Element geben würde, dessen Eigenschaften ähnlich waren zu aber schwerer als Zirkonium und Titan.

Der französische Chemiker Georges Urbain, der bereits das Seltenerdelement Lutetium entdeckt hatte, glaubte 1911, endlich das fehlende Element 72 entdeckt zu haben - das er laut Chemicool Celtium nannte. Einige Jahre später wurde jedoch gezeigt, dass seine Entdeckung eine Kombination bereits entdeckter Lanthaniden ist (die 15 Metallelemente mit den Ordnungszahlen 57 bis 71 im Periodensystem)..

Es war immer noch unklar, ob das fehlende Element 72 ein Übergangsmetall oder ein Seltenerdmetall sein würde, da es an der Grenze zwischen diesen beiden Arten von Elementen in der Tabelle lag. Die Chemiker, die glaubten, es sei ein Seltenerdelement, führten laut Chemistry World viele erfolglose Suchen unter Mineralien durch, die Seltene Erden enthielten.

Neue Erkenntnisse aus dem Bereich der Chemie und der Physik stützten jedoch die Idee, dass Element 72 ein Übergangselement sein würde. Zum Beispiel wussten Wissenschaftler, dass Element 72 im Periodensystem unter Titan und Zirkonium fiel und beide bekannte Übergangselemente waren. Darüber hinaus sagte der dänische Physiker Niels Bohr, einer der Begründer der Quantentheorie, voraus, dass das Element 72 laut Chemistry World ein Übergangsmetall sein würde, basierend auf seiner elektronischen Konfiguration für das Element.

1921 ermutigte Bohr den ungarischen Chemiker Georg von Hevesy und den niederländischen Physiker Dirk Costerto - damals zwei junge Forscher an seinem Institut -, nach Element 72 in Zirkoniumerz zu suchen. Basierend auf seiner Quantentheorie der Atomstruktur wusste Bohr, dass das neue Metall eine ähnliche chemische Struktur wie Zirkonium haben würde, so dass laut Chemicool die Wahrscheinlichkeit groß war, dass die beiden Elemente in denselben Erzen gefunden werden.

Von Hevesy und Coster folgten Bohrs Rat und untersuchten Zirkoniumerz mittels Röntgenspektroskopie. Sie verwendeten Bohrs Theorie, wie Elektronen Schalen und Unterschalen innerhalb von Atomen füllen, um die Unterschiede zwischen den Röntgenspektren der beiden Elemente gemäß Chemical and Engineering News vorherzusagen. Diese Methode führte schließlich 1923 zur Entdeckung von Hafnium. Die Entdeckung war eine der wenigen sechs damals noch verbleibenden Lücken im Periodensystem. Sie benannten das neue Element nach Bohrs Heimatstadt Kopenhagen (Hafniain Latein).

Verwendet

Hafnium ist bemerkenswert korrosionsbeständig und ein ausgezeichneter Absorber von Neutronen. Es ermöglicht den Einsatz in Atom-U-Booten und Kernreaktor-Steuerstäben, einer kritischen Technologie zur Aufrechterhaltung von Spaltreaktionen. Steuerstäbe halten die Spaltkettenreaktion aktiv, verhindern aber auch, dass sie unkontrolliert beschleunigt.

Hafnium wird in elektronischen Geräten wie Kathoden und Kondensatoren sowie in Keramik, Blitzlampen und Glühbirnenfilamenten verwendet. Laut Jefferson Lab wird es in Vakuumröhren als Getter verwendet, eine Substanz, die Spurengase kombiniert und aus diesen entfernt. Hafnium wird üblicherweise mit anderen Metallen wie Titan, Eisen, Niob und Tantal legiert. Beispielsweise werden hitzebeständige Hafnium-Nobium-Legierungen in Luft- und Raumfahrtanwendungen wie Weltraumraketenmotoren verwendet.

Die Verbindung Hafniumcarbid hat den höchsten Schmelzpunkt aller Verbindungen, die nur aus zwei Elementen bestehen, und kann laut Chemicool zur Auskleidung von Hochtemperaturöfen und -öfen verwendet werden.

Wer wusste?

• Hafnium ist pyrophor (entzündet sich spontan) in Pulverform.
• Der englische Chemiker Henry Moseley war der Wissenschaftler, der erkannte, dass Georges Urbains Element "Celtium" nicht das wahre Element unter Zirkonium war. Leider hat der Erste Weltkrieg die wichtige Forschung dieses jungen Wissenschaftlers unterbrochen. Moseley trat pflichtbewusst in die Royal Engineers der britischen Armee ein und wurde 1915 von einem Scharfschützen getötet. Sein Tod veranlasste England, eine neue Politik zu etablieren, die prominenten Wissenschaftlern den Kampf untersagt.
• Die niederländischen Chemiker Anton Eduard van Arkel und Jan Hendrik de Boer entwickelten 1925 eine Methode zur Herstellung von hochreinem Hafnium. Zu diesem Zweck zersetzten die Wissenschaftler Hafniumtetraiodid auf einem heißen Wolframdraht, was laut Chemicool zu einem Kristallstab aus reinem Hafnium führte. Diese Methode wird als Kristallstabprozess bezeichnet.
• Das nukleare Isomer von Hafnium ist seit langem als potenzielle Waffe umstritten. In der Hafnium-Kontroverse diskutieren Wissenschaftler, ob das Element eine schnelle Energiefreisetzung auslösen kann.
• Obwohl Zirkonium Hafnium chemisch sehr ähnlich ist, unterscheidet es sich von Hafnium darin, dass es Neutronen nur sehr schlecht absorbiert. Daher wird Zirkonium in der äußeren Schicht von Brennstäben verwendet, wo es wichtig ist, dass Neutronen sich leicht bewegen können.

Datierung der Erdschichten mit Hafnium

In einer kürzlich durchgeführten Studie konnte ein internationales Forscherteam bestätigen, dass sich die erste Erdkruste vor etwa 4,5 Milliarden Jahren gebildet hat, dank ihrer chemischen Analyse von Hafnium in einem seltenen Meteoriten. Die Forscher glauben, dass der Meteorit nach einem großen Aufprall, der Gesteinsfragmente auf die Erde schickte, vom Asteroiden Vesta stammt, so die Pressemitteilung der Studie in Science Daily. Laut den Forschern sind Meteoriten Teile des ursprünglichen Materials, das alle Planeten gebildet hat. Für die Studie wurde das Verhältnis der Isotope Hafnium-176 und Hafnium-177 im Meteoriten gemessen. Dies gab ihnen einen Ausgangspunkt für die Zusammensetzung der Erde. Sie verglichen die Ergebnisse mit den ältesten Gesteinen der Erde und bestätigten im Wesentlichen, dass sich bereits vor etwa 4,5 Milliarden Jahren eine Kruste auf der Erdoberfläche gebildet hatte. Ihre Ergebnisse werden in den Proceedings der National Academy of Sciences (PNAS) veröffentlicht..