标题：铪
基本释义
铪 hā
部首笔画
部首:钅 部外笔画:6 总笔画:11
五笔86:QWGK 五笔98:QWGK 仓颉:OPOMR
四角号码:88761 Unicode:CJK 统一汉字 U+94EA
基本字义
1. 一种金属元素，符号Hf，熔点高，与锆共存。用作X射线管的阴极，铪和钨或钼的合金用作高压放电管的电极
◎ hafnium
元素简介
元素名称：铪
CAS号：7440-58-6[1]
元素原子量：178.5
元素类型：金属  原子体积:(立方厘米/摩尔) 
13.6
地壳中含量：（ppm） 
5.3
元素在太阳中的含量:(ppm) 
0.001
元素在海水中的含量:(ppm) 
0.000007
原子序数：72
元素符号：Hf
元素中文名称：铪  锆、铪元素英文名称：Hafnium
相对原子质量：178.5
核内质子数：72
核外电子数：72
核电核数：72
质子质量：1.20456E-25
质子相对质量：72.504
氧化态：
Main Hf+4 
Other Hf+1, Hf+2, Hf+3 
所属周期：6
所属族数：IVB  铪摩尔质量：178
密度：13.2
熔点：2233 Celsuis(摄氏度）
沸点：4603 Celsuis（摄氏度）
外围电子排布：5d2 6s2
核外电子排布：2,8,18,32,10,2
核电荷数：72
电子层：K-L-M-N-O-P
晶体结构：晶胞为六方晶胞。
晶胞参数：
a = 319.64 pm 
b = 319.64 pm  铪丝c = 505.11 pm 
α = 90° 
β = 90° 
γ = 120° 
莫氏硬度：5.5
声音在其中的传播速率：（m/S） 3010
电离能(kJ /mol) 
M - M+ 642 
M+ - M2+ 1440 
M2+ - M3+ 2250 
M3+ - M4+ 3216 
颜色和状态：金属
原子半径：2.16
常见化合价：+4
元素来源：它存在于大多数锆矿中[2-3]。因为地壳中含量很少。常与锆共存，无单独矿石。可由四氯化铪（HfCl4）与钠共热经还原而制得。[4]
性质与稳定性
在空气中加热易生成氧化物膜。耐一般酸碱的侵蚀。能强烈吸收气体(如氧气、氮气、氢气等)。吸收热中子能力特别强。没有独立矿床，常与锆共生。避免与强酸、强氧化剂、氧、卤素、硫、磷接触。有延性，在常温下将铪保存于空气中，表面会生成一层氧化物薄膜，可防止继续氧化。能溶于浓硫酸、王水和氢氟酸，不与水、稀酸及碱作用[5]。
发现过程
在莫斯莱对元素的X射线研究后，确定在钡和钽之间应当有16个元素存在。这时除了61号元素和72号元素之外，其余14个元素都已经被发现，而且它们都属于今天所属的镧系，也就是当时认为的稀土元素。
那么72号元素应当归属于稀土元素？还是和钛、锆同属一族？当时多数化学家主张属于前者。法国化学家乌尔班1911年从镱的氧化物中分离出镥后，又分离出一个新的元素。在1914年乌尔班去英国将该元素的样品送请莫斯莱进行X射线光谱检测，得到的结论是否定的，没有发现相当于72号元素的谱线。乌尔班坚信新元素的存在，认为出现这样的结果是因为新研制的机器灵敏度不够，无法检测到样品中痕量新元素的存在。他回到巴黎后与光谱科学家达维利埃共同用第一次世界大战后改进的X射线谱仪进行检测。1922年5月，他们宣布测到两条X谱线，因此断定新元素是存在的。1913年，丹麦物理学家玻尔提出了原子结构的量子论。接着在1921-1922年之间又提出原子核外电子排布理论。玻尔认为根据他的理论，72号元素不属于稀土元素，而和锆一样是同族元素。也就是说，72号元素不会从稀土元素矿物中出现，而应当从含锆和钛的矿石中去寻找。
根据玻尔的推论，在1922年，匈牙利化学家赫维西和丹麦物理学家科斯特对多种含锆矿石进行了X射线光谱分析，果真发现了这一元素。他们为了纪念该元素的发现所在地——丹麦的首都哥本哈根，命名它为hafnium，元素符号定为Hf。后来赫维西制得了几毫克纯铪的样品。[6]
晶体性质
晶体结构有两种：在1300℃以下时，为六方密堆积（α-式）；在1300℃以上时，为体心立方（β-式）。具有塑性的金属，当有杂质存在时质变硬而脆。空气中稳定，灼烧时仅在表面上发暗。细丝可用火柴的火焰点燃。性质似锆。不和水、稀酸或强碱作用，但易溶解在王水和氢氟酸中。在化合物中主要呈+4价。铪合金（Ta4HfC5）是已知熔点最高的物质（约4215℃）。[6]
贮存方法
储存于阴凉、通风的库房。远离火种、热源。应与氧化剂、酸类、卤素等分开存放，切忌混储。采用防爆型照明、通风设施。禁止使用易产生火花的机械设备和工具。储区应备有合适的材料收容泄漏物。
合成方法
1.可由镁还原四氯化铪或热分解四碘化铪制取。也可以HfCl4和K2HfF6为原料。在NaCl-KCl-HfCl4或K2HfF6熔体中电解制取，其工艺过程与锆的电解制取相近。
2.铪多与锆共存，没有单独存在的铪原料。目前铪的制造原料是在制造锆的工艺流程中分离出来的粗氧化铪。用离子交换树脂的方法提取氧化铪，随后利用与锆相同的方法从这种氧化铪中制取金属铪。
用途
由于它容易发射电子而很有用处(如用作白炽灯的灯丝)。用作X射线管的阴极，铪和钨或钼的合金用作高压放电管的电极。常用作X射线的阴极和钨丝制造工业。纯铪具有可塑性、易加工、耐高温抗腐蚀，是原子能工业重要材料。铪的热中子捕获截面大，是较理想的中子吸收体，可作原子反应堆的控制棒和保护装置。铪粉可作火箭的推进器。在电器工业上可制造X射线管的阴极。铪的合金可作火箭喷嘴和滑翔式重返大气层的飞行器的前沿保护层，Hf-Ta合金可制造工具钢及电阻材料。在耐热合金中铪用作添加元素，例如钨、钼、钽的合金中有的添加铪。HfC由于硬度和熔点高，可作硬质合金添加剂。4TaCHfC的熔点约为4215℃，为已知的熔点最高的化合物。铪可作为很多充气系统的吸气剂。铪吸气剂可除去系统中存在的氧、氮等不需要气体。铪常作为液压油的一种添加剂，防止在高危作业时候液压油的挥发，具有很强的抗挥发性，这个特性的话，所以一般用于工业液压油。医学液压油。
铪元素也用于最新的intel45纳米处理器。由于二氧化硅（SiO2）具有易制性 (Manufacturability)，且能减少厚度以持续改善晶体管效能，因此过去40余年来，处理器厂商均采用二氧化硅做为制作闸极电介质的材料。当英特尔导入65纳米制造工艺时，虽已全力将二氧化硅闸极电介质厚度降低至1.2纳米，相当于5层原子，但由于晶体管缩至原子大小的尺寸时，耗电和散热亦会同时增加，产生电流浪费和不必要的热能，因此若继续采用目前材料，进一步减少厚度，闸极电介质的漏电情况势将会明显攀升，令缩小晶体管技术遭遇极限。为解决此关键问题，英特尔正规划改用较厚的High-K材料(铪元素为基础的物质）作为闸极电介质，取代沿用至今已超过40年的二氧化硅，此举也成功使漏电量降低10倍以上。另与上一代65纳米技术相较，英特尔的45纳米制程令晶体管密度提升近2倍，得以增加处理器的晶体管总数或缩小处理器体积，令产品较对手更具竞争力，此外，晶体管开关动作所需电力更低，耗电量减少近30%，内部连接线 (interconnects) 采用铜线搭配 Low-k电介质，顺利提升效能并降低耗电量，开关动作速度约加快 20%。[7]
能源争议
1998年德克萨斯州大学的Carl Collins教授做的一次实验中他声称经伽玛射线照射的铪178m2（铪的同质异能素）可以释放巨大的能量,其能量比化学反应高5个数量级,但比核反应低3个数量级。[8-9]Hf178m2在相似的长寿命同位素中有着最长的寿命：Hf178m2的半衰期长达31年，因此其天然放射性活度约为1.6万亿贝克勒尔。Collins报告一克纯Hf178m2包含约1330兆焦耳，这相当于300千克TNT炸药爆炸释放的能量。Collins报告这一反应中所有的能量都以X射线或伽玛射线形式释放，这一能量释放速度极快，且Hf178m2在极低浓度下仍可发生反应。[9]五角大楼为此拨款研究。[10]这次实验信噪比很低(误差较大)，且自此之后，尽管经过包括由美国国防部先进项目研究局（DARPA）[11-12]及 JASON Defense Advisory Group[13]等多国组织科学家多次试验，没有任何科学家能在Collins声称的条件下实现这一反应[14]，而Collins也未能给出有力的证据证明这一反应的存在。[13]2006年，Collins提出利用诱发伽玛射线发射使Hf178m2释放能量的方法[15]，但另曾有科学家在理论上证明了这种反应不可能实现。[16]如今，Hf178m2在学术界被普遍认为不能作为能源来源。[17]
常见化合物
二氧化铪名称 二氧化铪;hafnium dioxide  二氧化铪资料 分子式：HfO
CAS号：12055-23-1
性质：白色粉末，有单斜、四方和立方三种晶体结构。密度分别为10.3，10.1和10.43g/cm3。熔点2780～2920K。沸点5400K。热膨胀系数5.8×10-6/℃。不溶于水、盐酸和硝酸，可溶于浓硫酸和氟氢酸。由硫酸铪、氯氧化铪等化合物热分解或水解制取。为生产金属铪和铪合金的原料。用作耐火材料、抗放射性涂料和催化剂。[18]四氯化铪四氯化铪（Hafnium(IV)chloride,Hafnium tetrachloride） 分子式 HfCl4 分子量 320.30 CAS编号：13499-05-3， 性状： 白色结晶块。对湿敏感。溶于丙酮和甲醇。遇水水解生成氯化氧铪(HfOCl2)。热至250℃挥发。对眼睛、呼吸系统、皮肤有刺激性。[19]氢氧化铪氢氧化铪（Hafnium Hydroxide，H4HfO4）CAS号12027-05-3 氢氧化铪通常以水合氧化物HfO2·nH2O存在，难溶于水，易溶于无机酸，不溶于氨水，很少溶于氢氧化钠。加热至100℃，生成羟基氧化铪HfO(OH)2。可由铪（IV）盐与氨水反应得到白色氢氧化铪沉淀。可用于制取其他铪化合物。[20]
制备
可由四氯化铪（HfCl4）与钠共热经还原而制得。从锆化合物中分离铪可用溶剂萃取法，然后用金属镁还原四氯化铪，可得金属铪，再用碘化物热分解法可得高纯金属。
在自然界中，铪常与锆共生，含锆的矿物中都含铪，铪与锆呈类质同像，铪主要赋存在锆英石中。工业上用的锆石中含HfO2量为0.5-2%。次生锆矿石中的铍锆石含HfO2可以高达15%。还有一种变质锆石曲晶石，含HfO2达5%以上。后两种矿物的储量少，工业上尚未采用。铪主要由生产锆的过程中回收。　铪的冶炼与锆基本相同，一般分五步。第一步为矿石的分解，有三种方法：①锆石氯化得(Zr,Hf)Cl4。②锆石的碱熔，锆石与NaOH在600℃左右熔融，有90%以上的(Zr,Hf)O2转变为Na2(Zr,Hf)O3，其中的SiO2变成Na2SiO3，用水溶除去。Na2(Zr,Hf)O3用HNO3溶解后可作锆铪分离的原液，但因含有SiO2胶体，给溶剂萃取分离造成困难。③用K2SiF6烧结，水浸后得K2(Zr,Hf)F6溶液。溶液可以通过分步结晶分离锆铪。第二步为锆铪分离，可用盐酸-MIBK（甲基异丁基酮）系统和HNO3-TBP(磷酸三丁酯)系统的溶剂萃取分离方法。利用高压下(高于20大气压)HfCl4和ZrCl4熔体蒸气压的差异而进行多级分馏的技术早有研究，可省去二次氯化过程，降低成本。但由于(Zr，Hf)Cl4和HCl的腐蚀问题，既不易找到合适的分馏柱材质，又会使ZrCl4和HfCl4质量降低，增加提纯费用。第三步为HfO2的二次氯化以制得还原用粗HfCl4。第四步为HfCl4的提纯和加镁还原。本过程与ZrCl4的提纯和还原相同，所得半成品为粗海绵铪。第五步为真空蒸馏粗海绵铪，以除去MgCl2和回收多余的金属镁，所得成品为海绵金属铪。如还原剂不用镁而用钠，则第五步改为水浸。　海绵铪自坩埚中取出时要格外小心，以免自燃。大块海绵铪要破碎成一定尺寸的小块，以便压成自耗电极，再熔铸成锭。破碎时也应防止自燃。海绵铪的进一步提纯与钛和锆一样，用碘化物热分解法。控制条件与锆略有不同，在碘化罐四周的海绵铪小块,保持温度为600℃，而中心的热丝温度为1600℃，比制取锆的“结晶棒”时的1300℃为高。铪的加工成型包括锻造、挤压、拉管等步骤，与加工锆的方法一样。[21]