ჰაფნიუმი

ჰაფნიუმი (ქიმიური სიმბოლო — Hf) — ელემენტთა პერიოდული სისტემის მეექვსე პერიოდის, მეოთხე ჯგუფის (მოძველებული კლასიფიკაციით — მეოთხე ჯგუფის თანაური ქვეჯგუფის, IVბ) ქიმიური ელემენტი. მისი ატომური ნომერია — 72, ატომური მასა — 178.49, tდნ — 2233 °C, tდუღ — 4603 °C, სიმკვრივე — 13.31 გ/სმ3. ბზინვარე მოვერცხლისფრო-მოთეთრო ლითონი. ბუნებაში მოიპოვება ჰაფნიუის 6 სტაბილური იზოტოპი, რომელთა მასური რიცხვებია 174 და 176-180. 1923 წელს აღმოაჩინეს ჰოლანდიელმა ფიზიკოსმა დ. კოსტერმა და უნგრელმა ქიმიკოსმა დ. ჰევეშიმ.
აღმოჩენის და სახელწოდების წარმომავლობის ისტორია
აღმოჩენილია 1923 წ. ჰაფნიუმს ეძებდნენ იშვიათმიწა ელემენტებს შორის, რადგანაც არ იყო გარკვეული პერიოდული სისტემის მე-6 პერიოდის აღნაგობა. 1911 წ. ფრანგმა ქიმიკოსმა ჟ. ურბენმა გამოაცხადა ახალი ელემენტის აღმოჩენის შესახებ, რომელსაც მან კელტიუმი უწოდა. სინამდვილეში კი მან მიიღი ნარევი, რომელიც შედგებოდა იტერბიუმისაგან, ლუტეციუმისაგან და სულ ცოტა რაოდენობის ჰაფნიუმისაგან. და მხოლოდ, იმის შემდეგ როდესაც ნილს ბორმა კვანტურმექანიკური გამოთვლების საფუძველზე აჩვენა, რომ ბოლო იშვიათმიწა ელემენტს წარმოადგენს ელემენტი რომლის ატომური ნომერია 71, ნათელი გახდა, რომ ჰაფნიუმი — ცირკონიუმის ანალოგი იყო. ბორის დასკვნებზე დაყრდნობით, რომელმაც იწინასწარმეტყველა მისი თვისებები და ვალენტობა, 1923 წ. დიკ კოსტერმა და დიორდ დე ჰევაშიმ ნორვეგიული და გრენლანდიური ცირკონიუმის სისტემატიურად რენტგენოსპექტრული მეთოდით გააანალიზეს. მდუღარე მჟავეების ხსნარებით ცირკონის გამოტუტების შემდეგ ნარჩენის რენტგენოგრამების ხაზების დამთხვევამ მოზლის კანონის გამოთვლებთან 72-ე ელემენტისათვის მისცა მათ საშუალება გამოეცხადებინათ ახალი ელემენტის აღმოჩენის შესახებ, რომელსაც სახელად მისცეს ჰაფნიუმი, იმ ქალაქის პატივსაცემად სადაც იქნა აღმოჩენილი (Hafnia — კოპენჰაგენის ლათინური სახელია). ამის შემდეგ დაწყებული კამათი აღმოჩენის პრიორიტეტის შესახებ ჟ. ურბენს, ნ. კოსტერს და დ ხევაშს შორის გრძელდებოდა დიდ ხანს. 1949 წ. ელემენტ «ჰაფნიუმის» სახელწოდება დამტკიცებულ იქნა საერთაშორისო კომისიის მიერ.
მიღება
დედამიწის ქერქში ჰაფნიუმის შემცველობა შეადგენს მიახლოებით 4 გრ/ტ. ჰაფნიუმს საკუთარი მინერალები არ გააჩნია და სულ თან ახლავს ცირკონიუმს თავის მინერალებში, მას იღებენ ცირკონიუმის მადნების გადამუშავებით, სადაც ის არის მიახლოებით ცირკონიუმის მასის 2,5 %. (ცირკონი შეიცავს 4 % HfO2, ბადელეიტი 4 — 6 % HfO2). მსოფლიოში ყოველ წელს მოიპოვებენ მიახლოებით 70 ტონა ჰაფნიუმს, და მისი მოპოვების მოცულობა პროპორციულია ცირკონიუმის მოპოვების მოცულობაზე. საინტერესოა სკანდიუმის მინერალის ტორტვეიტიტის თავისებურებები: რომელიც პროცენტულად შეიცავს ჰაფნიუმს, გაცილებით მეტს, ვიდრე ცირკონიუმს, და ეს გარემოება ძალიან მნიშვნელოვანია ტორტვეიტიტის გადამუშავებისას მისგან სკანდიუმის და ჰაფნიუმის კონცენტრირებულ ჰაფნიუმის მისაღებად.
ჰაფნიუმის მსოფლიო რესურსები
99 %-იან სიწმინდის ჰაფნიუმის ღირებულება 2007 წელს საშუალოდ $780 შეადგინა კილოგრამზე
ჰაფნიუმის მსოფლიო რესურსები ჰაფნიუმის დიოქსიდზე გადათვლით აღემატება 1 მილიონ ტონას. ამ რესურსების განაწილების სტრუქტურა მიახლოებით გამოიყურება შემდეგნაირად:
ავსტრალია — 630 ათას ტონაზე მეტი,
სამხრეთ აფრიკის რესპუბლიკა — თითქმის 287 ათასი ტონა,
აშშ — 105 ათას ტონაზე ცოტა მეტი,
ინდოეთი — მიახლოებით 70 ათასი ტონა,
ბრაზილია — 9,88 ათასი ტონა.
ჰაფნიუმის ნედლეულის ბაზის უმეტესობა წარმოდგენილია ზღვისპირა ცირკონიუმის ქვიშრობებით.
ჰაფნიუმის მარაგი რუსეთში და დსთ-ს ქვეყნებში, დამოუკიდებელი სპეციალისტების მონაცემებით საკმაოდ დიდია.
ფიზიკური თვისებები
ჰაფნიუმი ფლობს სითბური ნეიტრონების მიტაცების მაღალი განიკვეთს — (115 ბარნი იზოტოპების ბუნებრივი ნარევს), როდესაც მის ქიმიურ ანალოგს - ცირკონიუმს, მიტაცების განიკვეთი 3 რიგით ნაკლები აქვს, მიახლოებით 2 ბარნი. ამის გამო ცირკონიუმი, გამოიყენება რეაქტორული თერმოგამომყოფი ელემენტების შესაქმნელად, და დიდი ყურადღებით წმინდავენ ჰაფნიუმისაგან. ჰაფნიუმის ერთ ერთი ბუნებრივი იშვიათი იზოტოპი, 174Hf, ავლენს სუსტ ალფა-აქტივობას (ნახევარდაშლის პერიოდი 2 წელი).
ქიმიური თვისებები
ჰაფნიუმი როგორც ტანტალი, საკმაოდ ინერტული მასალებია თხელი პასიური ზედა ფენის ოქსიდების წარმოქმნის გამო. მთლიანობაში ჰაფნიუმის ქიმიური მდგრადობა გაცილებით მაღალია, ვიდრე მისი ანალოგის - ცირკონიუმის.
ჰაფნიუმის საუკეთესო გამხსნელია ფტორწალბადმჟავა (HF), ან ფტორწყალბადისა და აზოტმჟავის ნარევი, ასევე სამეფო წყალი.
მაღალი ტემპერატურებისას (1000 К-ზე მაღლა) ჰაფნიუმი იჟანგება ჰაერზე, ხოლო ჟანგბადში იწვის. რეაგირებს ჰალოგენებთან. მედეგობით მჟავეებთან მიმართებაში მინის მსგავსია. ისევე როგორც ცირკონიუმი, ხასიათდება ჰიდროფობური თვისებებით (არ სველდება წყლით).
მნიშვნელოვანი ქიმიური ნაერთები
ორვალენტიანი ჰაფნიუმის ნაერთები
HfBr2 — მაგარი შავი ფერის ნივთიერებაა, რომელიც ჰაერზე თვითაალდება. იშლება 400 °C ტემპერატურაზე ჰაფნიუმად და ჰაფნიუმის ტეტრაბრომიდად. მიიღებენ გახურებელი ჰაფნიუმის ტრიბრომიდის დისპროპორციონირებით ვაკუუმში .
Hf(HPO4)2 — თეთრი ნალექი, რომელიც იხსნება გოგირდმჟავაში და ფტორწყალბადმჟავაში. მიიღებენ ჰაფნიუმ (II) მარილების ხსნარების დამუშავებით ორთოფოსფორმჟავით.
სამვალენტიანი ჰაფნიუმის ნაერთები
HfBr3 — მოშავო-მოლურჯო მყარი ნივთიერება. დისპროპორციონირებს 400 °C-ზე ჰაფნიუმის დიბრომიდად და ტეტრაბრომიდად. იღებენ ჰაფნიუმის ტეტრაბრომიდის აღდგენით მისი გახურებით წყალბადის ატმოსფეროში ან ლითონური ალუმინით.
ოთხვალენტიანი ჰაფნიუმის ნაერთები
HfO2 — უფერო მონოსოლური კრისტალები (სიმკვრივე — 9,98 გრ/სმ³) ან უფერო ტეტრაგონალური კრისტალები (სიმკვრივე — 10,47 გრ/სმ³). უკანასკნელის დნობის ტემპერატურაა tდნ 2900 °C, მცირედხსნადია წყალში, დიამაგნიტურია, აქვთ უფრო ფუძე თვისებები, ვიდრე ZrO2 და ავლენენ კატალიტიკურ თვისებებს. იღებენ ლითონური ჰაფნიუმის გახურებით ჟანგბადში ან ჰიდროქსიდის, დიოქსალატის, ჰაფნიუმის დისულფატის გავარვარებით.
Hf(OH)4 — თეთრი ნალექი, რომელიც იხსნება ტუტეების და წყალბადის პეროქსიდის დამატებით, პეროქსოჰაფნიატის წარმოქმნით. მიიღებენ ითხვალენტიანი ჰაფნიუმის მარილების ღრმა ჰიდროლიზით გახურებით ან ჰაფნიუმი(IV)-ის მარილების ხსნარების ტუტეებით დამუშავებით.
HfF4 — უფერო კრისტალები. tდნ 1025 °C, სიმკვრივე — 7,13 გრ/სმ³. იხსნება წყალში. მიიღებენ ნაერთის (NH4)2[HfF6] თერმული დაშლით აზოტის დენში 300 °C-ზე.
HfCl4 — თეთრი ფხვნილი, სუბლიმირდება 317 °C-ზე. tდნ 432 °C. მიიღებენ ქლორის ზემოქმედებით ლითონურ ჰაფნიუმზე, ჰაფნიუმის კარბიდზე ან ჰაფნიუმის (II) ოქსიდის ნახშირთან ნარევზე.
HfBr4 — უფერო კრისტალები. სუბლიმირდება 322 °C-ზე. tდნ 420 °C. მიიღებენ ბრომის ორთქლის ზემოქმედებით 500 °C-მდე გახურებულ ჰაფნიუმის (II) ოქსიდის და ნახშირის ნარევზე.
HfI4 — ყვითელი კრისტალები. სუბლიმირებს 427 °C-ზე და თერმულად დისოცირდება 1400 °C-ზე. მიიღება ჰაფნიუმის ურთიერთქმედებით იოდთან 300 °C-ზე.
გამოყენება
ლითონური ჰაფნიუმის გამოყენების ძირითადი დარგებია — აეროკოსმოსური ტექნიკის შენადნობების წარმოება, ატომური მრეწველობა, სპეციალური ოპტიკა.
ატომურ ტექნიკაში გამოიყენება ჰაფნიუმის ნეიტრონების მიტაცების უნარი, და გამოიყენება ატომურ მრეწველობაში როგორც — მარეგულირებელი ღეროები ასევე სპეციალურ კერამიკაში და მინებში (ოქსიდი, კარბიდი, ბორიდი, ოქსოკარბიდი, დისპროზიუმის ჰაფნატი, ლითიუმის ჰაფნატი). ჰაფნიუმის დიბორიდის თავისებურებას და უპირატესობას წარმოადგენს ძალიან მცირე აირგამოყოფა (გელიუმი, წყალბადი) ბორის «გამოხუნებით».
ოპტიკაში გამოიყენება ჰაფნიუმის ოქსიდი მისი ტემპერატურული მედეგობის გამო (დნ. ტ. 2780 °C) და ძალიან მაღალი გარდატეხის მაჩვენებელის გამო. ჰაფნიუმის მოხმარების მნიშვნელოვან სფეროს წარმოადგენს სპეციალური მარკის მინების წარმოება ბოჭკოვან-ოპტიკური ნაკეთობებისათვის, ასევე განსაკუთრებული მაღალხარისხოვანი ოპტიკური ნაკეთობების მისაღებად, სარკეების საფარებისათვის, მათ შორის ღამის ხედვის ხელსაწყოების და თბოვიზორების. გამოყენების მსგავს სფეროებშიგამოიყენება ჰაფნიუმის ფტორიდი.
ჰაფნიუმის კარბიდი და ჰაფნიუმის ბორიდი (დნ. ტემპ. 3250 °C) გამოიყენება როგორც მეტად ცვეთამედეგი საფარი და ზემაგარი შენადნობების წარმოებაში. ამას გარდა, გაფნიუმის კარბიდი წარმოადგენს ერთ-ერთ ყველაზე ძნელად დნობად ნაერთს (დნ. ტემპ. 3960 °C) და გამოიყენება კოსმოური რაკეტების საქშენების და გაზოფაზური ბირთვული რეაქტიული ძრავეების ზოგი კონსტრუქციულ ელემენტების წარმოაებაში.
ჰაფნიუმი გამოირჩევა ელექტრონის გამოსვლის შედარებით დაბალი მუშაობით (3,53 ევ), და ამიტომაც ის გამოიყენება მძლავრი რადიონათურების და ელექტრული ქვემეხების ლათოდების დასამზადებლად. ამავე დროს ეს მისი თვისება დნობის მაღალ ტემპერატურასთან ერთად გამოიყენება არგონში ლითონების შესადუღაბებელი ელექტროდების წარმოებისათვის და განსაკუთრებით ნახშირორჟანგში დაბალნახშირბადიანი ფოლადების შესადუღაბებელი ელექტროდების (კათოდები) წარმოებისათვის. ასეთი ელექტროდების მედეგობა ნახშირორჟანგში 3,7 -ჯერ მეტია ვიდრე ვოლფრამის ელექტროდებისა.
ჰაფნიუმის კარბიდი მწვრილფოროვანი კერამიკის ნაკეთობის სახით შეიძლება იყოს ძალიან ეფექტური ელექტრონების კოლექტორი იმ პირობით რომ, მოხდება ცეზიუმ-133-ის ორთქლის ვაკუუმში მისი ზედაპირიდან აორთქლება, ამ შემთხვევაში ელექტრონების გამოსვლის მუშაობა მცირდება 0,1-0,12 ევ-ზე ქვემოთ და ეს ფაქტი შეიძლება გამოყენებულ იქნას მაღალეფექტური თერმოემისიური ელექტროგენერატორების და მძლავრი იონური ძრავების წარმოებისათვის.
ჰაფნიუმის დიბორიდის და ნიკელის საფუძველზე შემუშვებულია და უკვე დიდი ხანია გამოიყენება ძლიერ ცვეთა მედეგი და მაგარი კომპოზიციური საფარების წარმოებისათვის.
ტიტან-ვოლფრამ-ჰაფნიუმის შენადნობები წარმოადგენენ საუკეთესო შენადნობს სითბოს მიწოდებისათვის გაზოფაზურ ბირთვულ სარაკეტო ძრავებში.
ჰაფნიუმით ლეგირებული ტიტანის შენადნობები, გამოიყენება გემთმშენებლობაში (გემის ძრავების ნაწილების წარმოებისათვის), ხოლო ჰაფნიუმით ლეგირება ნიკელში არა მარტო ზრდის მის სიმტკიცეს და კოროზიამედეგობას, არამედ მკვეთრად აუმჯობესებს მის შედუღაბებულობას.
ტანტალ-ჰაფნიუმის კარბიდი. ჰაფნიუმის დამატებით ტანტალში მკვეთრად ზრდის ჰაერზე მის მედეგობას ჟანგვის მიმართ (ცეცხლმედეგობა) ზედაპირზე რთული, მკვრივი, შეუღწევადი და გაუმტარი ოქსიდების ფენის წარმოქმნის გამო და, უპირველეს ყოვლისა ოქსიდების ეს ფენა ძალიან მდგრადია თერმოცვლილებების (სითბური დარტყმა) მიმართ. ათ თვისებამ განაპირობა ამ შენადნობით დაემზადებინათ რაკეტის ძალიან მნიშვნელოვანი ნაწილები საქშენები და აირების საჭეები. ჰაფნიუმისა და ტანტალის საუკეთესო შენადნობი რომელსაც რაკეტის საქშენებისათვის გამოიყენებენ შეიცავს 20 %-მდე ჰაფნიუმს. ასევე აღსანიშნავია დიდი ეკონომიკური ეფექტი ამ შენადნობების გამოყენებისას ლითონის ჰაერ-პლაზმური და ჟანგბად-ალის საჭრელ ელექტროდების დასამზადებლად. ასეთი შენადნობის (ჰაფნიუმი - 77 %, ტანტალი - 20 %, ვოლფრამი - 2 %, ვერცხლი - 0.5 %, ცეზიუმი - 0,1 %, ვოლფრამი - 0,4 %) გამოყენების გამოცდილებამ აჩვენა 9-ჯერ მეტი მუშაობის რესურსი ვიდრე სუფთა ჰაფნიუმის გამოყენებამ.
კობალტის ბევრ შენადნობს რომლებსაც გამოიყენებენ ტურბინების მშენებლობაში, ნავთობის, ქიმიურ და კვების მრეწველობაში უკეთებენ ჰაფნიუმით ლეგირებას რაც მკვეთრად ზრდის მის სიმტკიცეს.
ჰაფნიუმს გამოიყენებენ ზოგიერთ შენადნობში რომლებსაც იშვიათ მიწა ელემენტების (კერძოდ კი ტერბიუმისა და სამარიუმის) საფუძველზე არსებული ზემძლავრი მუდმივი მაგნიტებისათვის იყენებენ.
ჰაფნიუმის კარბიდის (HfC, 20 %) შენადნობი ტანტალის კარბიდთან (TaC, 80 %) წარმოადგენს ყველაზე ძნელადლღვობად შენადნობს (დნ.ტემპ. 4216 °C). ამას გარდა, არის ცალკეული მინიშნება იმაზე, რომ ამ შშენადნობის ცოტაოდენი ლეგირებისას ტიტანის კარბიდით დნობის ტემპერატურა შეიძლება გაიზარდოს კიდევ 180 გრადუსით.
ალუმინში 1 % ჰაფნიუმის დამატებით მიიღებენ ალუმინის ზემტკიცე შენადნობს სადაც ლითონის მარცვლის ზომებია 40-50 ნმ. ამასთან არამარტო მტკიცდება შენადნობი, არამედ მიიღწევა მნიშვნელოვანი შეფარდებითი დაგრძელება და იზრდება სიმტკიცის ზღვარი ძვრისა და გრეხვისას, ასევე უმჯობესდება ვიბრომედეგობა.
ჰაფნიუმის ოქსიდის საფუძველზე არსებული მაღალი დიელექტრიკული შეღწევადობის დიელექტრიკები მომავალი ათწლეულებში შეცვლიან მიკროელექტრონიკაში ტრადიციულ სილიციუმის ოქსიდს, რაც საშუალებას მისცემს მიღწეული იქნას ჩიპების ელემენტების გაცილებით მაღალი სიმკვრივე. 2007 წლიდან ჰაფნიუმის დიოქსიდი გამოიყენება 45-ნმ პროცესორებში Intel Penryn. ასევე დიელექტრიკის სახით მაღალი დიელექტრიკული შეღწევადობის გამო ელექტრონიკაში გამოიყენება ჰაფნიუმის სილიციდი. ჰფნიუმისა და სკანდიუმის შენადნობები გამოიყენება მიკროელექტრონიკაში მანსაკუთრებული თვისებების რეზისტული ლენტის მისაღებად.
ჰაფნიუმი გამოიყენება მაღალხარისხოვანი მრავალფენიანი რენტგენის სარკეების წარმოებაში.
გამოყენების პერსპექტიული სფეროები
ჰაფნიუმ-178m2 მეტასტაბილურ ბირთვებს (ნახევარდაშლის პერიოდი 31,0 წელი) აქვს ჭარბი ენერგია, რომელიც შეიძლება გამონთავისუფლებული იქნას ბირთვზე გარეშე ზემოქმედებით (რენტგენური გამოსხივება), და ეს ეფექტი შეიძლება გამოყენებული იქნას უსაფრთხო (რადიოაქტიური გამოსხივების შექმნის გარეშე) ბირთვული იარაღის კონსტრუირებისათვის. 1 გრამი ჰაფნიუმ-178m2-ის მიერ გამოყოფილი ენერგია მიახლოებით შეესაბამება 50 კგ ტროტილს. ჰაფნიუმის მეტასტაბილური იზომერი შეიძლება გამოყენებულ იქნას საბრძოლო კომპაქტური ლაზერების «ჩასატვირთად» (ჰაფნიუმის ატომების ნაწილების ჩანაცვლება 178m2Hf-ით იძლევა საშუალებას, ჰაფნიუმის ოქსიდს როგორც ლაზერული კრისტალის კომპონენტი, აერთიანებს ენერგიის წყაროს და გამომსხივებელს).
ამ ბირთვული იზოტოპის სამშვიდობოდ გამოყენება საინტერესოა იმით, რომ ის შეიძლება გამოყენებულ იქნას როგორც მძლავრი გამა-გამოსხივების წყარო, სადაც შეიძლება გამოსხივების (დეფექტოსკოპია) დოზის რეგულირება, ტრანსპორტის ენერგიის წყარო, ძალიან ტევადი ენერგიის აკუმულატორი (1 კილოგრამი მიახლოებით 4,35 ტონა ბენზინის ექვივალენტურია).
ჰაფნიუმ-178m2-ის გამოყენების ძიროთადი პრობლემას წარმოადგენს ამ იზომერის დამუშავება. ამავე დროს ის წარმოადგენს ატომური ელექტროსადგურის (გადამუშავებული მშთანთქმელი ჰაფნიუმის ღეროები) უბრალო პროდუქტს (ნარჩენი).
იზომერ 178m2Hf საფუძველზე ეგრეთ წოდებული «ჰაფნიუმის ბომბის» შემუშავებაზე 1998 - 2004 წლებში მუშაობდა სააგენტო DARPA. თუმცა, დიდი სიმძლავრეების რენტგენის გამოსხივების წყაროების გამოყენებამაც კი შედეგი არ გამოიღო, ვერ იქნა აღმოჩენილი ინდუცირებული დაშლის ეფექტი. 2005 წელს ნაჩვენები იქნა, რომ დღესდღეობით არსებული ტექნოლოგიების გამოყენებით ჰაფნიუმ-178m2-ის ბირთვიდან ჭარბი ენერგიის გამონთავისუფლება შეუძლებელია.
რესურსები ინტერნეტში
ჰაფნიუმი Webelements-ზე
ჰაფნიუმი ქიმიური ელემენტების პოპულარულ ბიბლიოთეკაში
იშვიათი და გაბნეული ელემენტების ქიმია და ტექნოლოგიები. ნაწ. 2. რედაქტ. კ. ბოლშაკოვა. გამოც. 2. მ.: ვიშაია შკოლა, 1976.
სქოლიო