హాఫ్నియం

హాఫ్నియం (Hf) పరమాణు సంఖ్య 72 కలిగిన రసాయన మూలకం. ఇది మెరిసే, వెండి బూడిద రంగులో ఉండే, టెట్రావాలెంట్ ట్రాన్సిషన్ లోహం. హాఫ్నియం రసాయనికంగా జిర్కోనియంను పోలి ఉంటుంది. అనేక జిర్కోనియం ఖనిజాలలో ఇది కనిపిస్తుంది. దీని ఉనికిని 1869లో డిమిత్రి మెండలీవ్ అంచనా వేశాడు. అయితే 1923 లో డిర్క్ కోస్టర్, జార్జ్ డి హెవీసీలు కనుగొనేవరకు దీన్ని గుర్తించలేదు.  చివరిగా కనుగొన్న స్థిరమైన మూలకాల్లో, ఇది అన్నిటికంటే చివరి నుండి నుండి రెండవది (చివరిది 1925లో రీనియం). హాఫ్నియంకు ఆ పేరు కోపెన్‌హాగన్‌కు లాటిన్ పేరైన  అనే పేరు నుండి వచ్చింది. ఈ మూలకాన్ని కనుగొన్నది కోపెన్‌హాగన్ లోనే.  

హాఫ్నియంను తంతువులు, ఎలక్ట్రోడ్లలో ఉపయోగిస్తారు. కొన్ని సెమీకండక్టర్ల తయారీలో 45 నానోమీటర్లు, అంతకంటే చిన్న పొడవు గల ఇంటిగ్రేటెడ్ సర్క్యూట్‌ల కోసం దాని ఆక్సైడ్‌ను ఉపయోగిస్తారు. ప్రత్యేక అనువర్తనాల కోసం ఉపయోగించే కొన్ని సూపర్‌ అల్లాయ్‌ల్లో నియోబియం, టైటానియం లేదా టంగ్‌స్టన్‌తో పాటు హాఫ్నియంను ఉంటుంది.

హాఫ్నియం యొక్క పెద్ద న్యూట్రాన్ క్యాప్చర్ క్రాస్ సెక్షన్ కారణంగా అణు విద్యుత్ ప్లాంట్‌లలోని కంట్రోల్ రాడ్‌లలో న్యూట్రాన్ శోషణకు ఇది చక్కని పదార్థం. అయితే అదే సమయంలో అణు రియాక్టర్‌లలో ఉపయోగించే న్యూట్రాన్-పారదర్శక తుప్పు-నిరోధక జిర్కోనియం మిశ్రమాల నుండి దాన్ని తొలగించాల్సిన అవసరం ఉంది.

లక్షణాలు

భౌతిక లక్షణాలు 
హాఫ్నియం మెరిసే వెండి రంగులో ఉండే, సాగే గుణం గల లోహం. ఇది తుప్పు -నిరోధకతలోను, రసాయనికంగానూ జిర్కోనియంతో సమానంగా ఉంటుంది  (అదే సంఖ్యలో వాలెన్స్ ఎలక్ట్రాన్‌లను కలిగి ఉండటం వలన). హాఫ్నియం దాని ఆల్ఫా రూపం, షట్కోణ క్లోజ్-ప్యాక్డ్ లాటిస్ నుండి బాడీ సెంటర్‌డ్ క్యూబిక్ లాటిస్‌ లోని దాని బీటా రూపానికి, 2388 K వద్ద మారుతుంది.  హాఫ్నియం లోహ భౌతిక లక్షణాలు, ప్రత్యేకించి అణు లక్షణాలు, జిర్కోనియం మలినాల ద్వారా గణనీయంగా ప్రభావితమవుతాయి. ఎందుకంటే ఈ రెండు మూలకాలను వాటి రసాయన సారూప్యత కారణంగా వేరు చేయడం చాలా కష్టం. 

ఈ లోహాల మధ్య గుర్తించదగిన భౌతిక వ్యత్యాసం వాటి సాంద్రత. జిర్కోనియం సాంద్రత హాఫ్నియం సాంద్రతలో సగమే ఉంటుంది. హాఫ్నియం యొక్క అత్యంత ముఖ్యమైన అణు లక్షణాలు దాని అధిక థర్మల్ న్యూట్రాన్ క్యాప్చర్ క్రాస్ సెక్షన్. అలాగే అనేక విభిన్న హాఫ్నియం ఐసోటోపుల న్యూక్లియైలు రెండు లేదా అంతకంటే ఎక్కువ న్యూట్రాన్‌లను తక్షణమే గ్రహిస్తాయి.  దీనికి విరుద్ధంగా, జిర్కోనియం థర్మల్ న్యూట్రాన్‌లకు పారదర్శకంగా ఉంటుంది. ఇది సాధారణంగా అణు రియాక్టర్‌ల లోహ భాగాలకు - ముఖ్యంగా వాటి అణు ఇంధన రాడ్‌ల క్లాడింగ్‌కు ఉపయోగిస్తారు.

రసాయన లక్షణాలు 

హాఫ్నియం గాలిలో చర్య జరిపి, మరింత తుప్పు పట్టకుండా నిరోధించే రక్షిత పొరను ఏర్పరుస్తుంది. ఈ లోహంపై ఆమ్లాలు తక్షణమే దాడి చేయవు గానీ హాలోజన్‌లతో ఆక్సీకరణం చెందుతుంది లేదా గాలిలో కాలిపోతుంది. దాని సోదర లోహం జిర్కోనియం లాగా, చక్కగా పొడిపొడిగా హాఫ్నియం గాలిలో ఆకస్మికంగా మండగలదు. హాఫ్నియంకు సాంద్ర క్షారాలకు వ్యతిరేకంగా నిరోధకత ఉంది.

లాంథనైడ్ సంకోచం పర్యవసానంగా, హాఫ్నియం, జిర్కోనియంల రసాయనికత చాలా సారూప్యంగా ఉంటుంది. విభిన్న రసాయన ప్రతిచర్యల ఆధారంగా రెండింటినీ వేరు చేయలేము. సమ్మేళనాల ద్రవీభవన బిందువులు, మరిగే బిందువులు, ద్రావకాలలోని ద్రావణీయతలు ఈ మూలకాల రసాయన గుణాల్లో ప్రధానమైన తేడాలు.

ఐసోటోపులు 
హాఫ్నియంకు కనీసం 34 ఐసోటోప్‌లున్నట్లు గమనించారు. ఇవి 153 నుండి 186 వరకు ఉంటాయి.   176 నుండి 180 పరిధిలో ఐదు స్థిరమైన ఐసోటోప్‌లు ఉంటాయి. రేడియోధార్మిక ఐసోటోపుల అర్ధ జీవితకాలం 153Hf కు కేవలం 400 మిల్లీ సెకండ్ల నుండి  అత్యంత స్థిరమైన 174Hf కు 2.0 పెటా సంవత్సరాల (1015 సంవత్సరాలు) వరకు ఉంటుంది. 

అంతరించిపోయిన రేడియోన్యూక్లైడ్ 182Hf కు అర్ధ జీవితం  ఉండేది. గ్రహ కోర్ల ఏర్పాటును పరిశీలించడంలో ముఖ్యమైన ఐసోటోప్ ఇది. న్యూక్లియర్ ఐసోమర్ 178m2 Hf ను ఆయుధంగా వాడే విషయమై చాలా సంవత్సరాలుగా వివాదాస్పదంగా ఉంది .

లభ్యత 

హాఫ్నియం భూమి పై పెంకులో ద్రవ్యరాశి ప్రకారం 5.8 ppm వరకు ఉంటుందని అంచనా వేసారు. ఇది భూమిపై స్వేచ్ఛా మూలకం లాగా లభించదు. జిర్కోనియంతో కలిసి జిర్కాన్, ZrSiO 4 వంటి సహజ సమ్మేళనాలలో లభిస్తుంది. ఈ సమ్మేళనంలో సాధారణంగా 1-4% Zr స్థానంలో Hf ఉంటుంది. అరుదుగా, స్ఫటికీకరణ సమయంలో Hf/Zr నిష్పత్తి పెరిగి ఐసోస్ట్రక్చరల్ ఖనిజం హాఫ్నాన్‌ను  ఇస్తుంది.  అసాధారణంగా అధిక Hf కంటెంట్‌ని కలిగి ఉండి వాడుకలో లేని వివిధ రకాల జిర్కాన్‌లకు పేరు ఆల్వైట్ . 

జిర్కాన్ (అందుకే హాఫ్నియం) ఖనిజాలకు ప్రధాన వనరు భారీ ఖనిజ ఇసుక ధాతువు నిక్షేపాలు, పెగ్మాటైట్లు. ఇవి ముఖ్యంగా బ్రెజిల్, మలావిలలో లభిస్తాయి. పశ్చిమ ఆస్ట్రేలియాలోని మౌంట్ వెల్డ్ వద్ద ఉన్న క్రౌన్ పాలీమెటాలిక్ డిపాజిట్లలో కార్బొనాటైట్ చొరబాట్లలో లభిస్తుంది. ఆస్ట్రేలియాలోని న్యూ సౌత్ వేల్స్‌లోని డబ్బో వద్ద అరుదైన జిర్కాన్-హాఫ్నియం సిలికేట్‌లైన యూడియాలైట్ లేదా ఆర్మ్‌స్ట్రాంగ్‌లైట్‌లను కలిగి ఉన్న ట్రాచైట్ టఫ్‌లలో హాఫ్నియం ఉండే అవకాశం ఉంది.

రసాయన సమ్మేళనాలు 
లాంతనైడ్ సంకోచం కారణంగా, హాఫ్నియం(IV) అయానిక్ వ్యాసార్థం (0.78 ångström), జిర్కోనియం (IV) (0.79 angstroms) తో దాదాపుగా సమానంగా ఉంటుంది.  తత్ఫలితంగా, హాఫ్నియం(IV), జిర్కోనియం(IV) సమ్మేళనాలు చాలా సారూప్య రసాయన, భౌతిక లక్షణాలను కలిగి ఉంటాయి.  హాఫ్నియం, జిర్కోనియం ప్రకృతిలో కలిసి ఉంటాయి. వాటి అయానిక్ వ్యాసార్థాల సారూప్యత కారణంగా వాటి రసాయన విభజన కష్టం. హాఫ్నియం +4 ఆక్సీకరణ స్థితిలో అకర్బన సమ్మేళనాలను ఏర్పరుస్తుంది. హాలోజెన్‌లు దానితో చర్య జరిపి హాఫ్నియం టెట్రాహలైడ్‌లను ఏర్పరుస్తాయి.  అధిక ఉష్ణోగ్రతల వద్ద హాఫ్నియం ఆక్సిజన్, నైట్రోజన్, కార్బన్, బోరాన్, సల్ఫర్, సిలికాన్‌లతో చర్య జరుపుతుంది.  తక్కువ ఆక్సీకరణ స్థితుల వద్ద కూడా కొన్ని హాఫ్నియం సమ్మేళనాలు ఉన్నాయి. 

హాఫ్నియం (IV) క్లోరైడ్, హాఫ్నియం (IV) అయోడైడ్ లను హాఫ్నియం లోహం ఉత్పత్తిలో, శుద్ధీకరణలో వాడతారు. అవి పాలీమెరిక్ నిర్మాణాలు కలిగిన అస్థిర ఘనపదార్థాలు.  ఈ టెట్రాక్లోరైడ్‌లు హాఫ్నోసిన్ డైక్లోరైడ్, టెట్రాబెంజైల్హాఫ్నియం వంటి వివిధ ఆర్గానోహాఫ్నియం సమ్మేళనాలకు పూర్వగాములు.

తెల్లటి హాఫ్నియం ఆక్సైడ్ (HfO2) ద్రవీభవన స్థానం 2,812 °C, మరిగే స్థానం సుమారు 5,100 °C. ఇవి జిర్కోనియాతో సమానంగా ఉంటాయి. కానీ క్షారత్వం కొంచెం ఎక్కువగా ఉంటుంది. హాఫ్నియం కార్బైడ్ అనేది 3,890 °C కంటే ఎక్కువ ద్రవీభవన స్థానం కలిగిన అత్యంత ఉష్ణ నిరోధక బైనరీ సమ్మేళనం. హాఫ్నియం నైట్రైడ్ అనేది 3,310 °C ద్రవీభవన స్థానంతో లోహ నైట్రైడ్‌లన్నిటిలోకీ అత్యంత ఉష్ణ నిరోధక పదార్థం.  దీనివలన హాఫ్నియం లేదా దాని కార్బైడ్‌లు చాలా అధిక ఉష్ణోగ్రతలకు లోనయ్యే నిర్మాణ వస్తువులుగా ఉపయోగపడతాయని భావిస్తారు. మిశ్రమ కార్బైడ్ టాంటలమ్ హాఫ్నియం కార్బైడ్ ( ) ద్రవీభవన స్థానం, . ఇది సమ్మేళనాల్లోకెల్లా అత్యధికం. ఇటీవలి సూపర్ కంప్యూటర్ సిమ్యుల్కేషన్లలో 4,400 కెల్విన్ల ద్రవీభవన స్థానం కలిగిన హాఫ్నియం మిశ్రమం ఒకదాన్ని సూచిస్తున్నాయి .

ఉపయోగాలు 
ప్రస్తుతం ఉత్పత్తి అవుతున్న హాఫ్నియంలో ఎక్కువ భాగం అణు రియాక్టర్ల నియంత్రణ కడ్డీల తయారీలో ఉపయోగపడుతోంది. 

హాఫ్నియంకు సాంకేతిక ఉపయోగాలు కొన్ని మాత్రమే ఉన్నాయి. దానికి కారణాలు: మొదటిది, హాఫ్నియం, జిర్కోనియంల మధ్య ఉన్న దగ్గరి సారూప్యత వలన చాలా అనువర్తనాల్లో మరింత సమృద్ధిగా లభించే జిర్కోనియంను ఉపయోగిస్తారు; రెండవది, 1950ల చివరలో హాఫ్నియం లేని జిర్కోనియంను అణు పరిశ్రమలో ఉపయోగించిన తర్వాతనే హాఫ్నియం మొట్టమొదటిసారిగా స్వచ్ఛమైన లోహంగా అందుబాటులోకి వచ్చింది. పైగా, తక్కువ సమృద్ధి, కష్టతరమైన వేరుచేసే పద్ధతుల కారణంగా హాఫ్నియం లభ్యత తక్కువగా ఉంటుంది.  ఫుకుషిమా విపత్తు తర్వాత హాఫ్నియం-రహిత జిర్కోనియం కోసం డిమాండ్ పడిపోయింది. దాంతో, 2014 లో $500–600/kg ఉన్న హాఫ్నియం ధర 2015 లో  దాదాపు $1000/kgకి పెరిగింది.

అణు రియాక్టర్లు 
అనేక హాఫ్నియం ఐసోటోపుల కేంద్రకాలు బహుళ న్యూట్రాన్‌లను గ్రహించగలవు. దీనివలన అణు రియాక్టర్ల నియంత్రణ కడ్డీలలో ఉపయోగించడానికి హాఫ్నియం మంచి పదార్థంగా మారింది. దీని న్యూట్రాన్ క్యాప్చర్ క్రాస్ సెక్షన్ (క్యాప్చర్ రెసొనెన్స్ ఇంటెగ్రల్ I o ≈ 2000 బార్న్స్)  జిర్కోనియం కంటే దాదాపు 600 రెట్లు ఎక్కువ (నియంత్రణ కడ్డీలకు మంచి న్యూట్రాన్లను శోషించే ఇతర మూలకాలు కాడ్మియం, బోరాన్). అద్భుతమైన యాంత్రిక లక్షణాలు, అసాధారణమైన తుప్పు-నిరోధక లక్షణాల కారణంగా ప్రెషరైస్‌డ్ నీటి రియాక్టర్ల కఠినమైన వాతావరణంలో దాని వినియోగం ఎక్కువగా ఉంది.  జర్మన్ రీసెర్చ్ రియాక్టర్ FRM II హాఫ్నియంను న్యూట్రాన్ అబ్జార్బర్‌గా ఉపయోగిస్తుంది.  సైనిక రియాక్టర్లలో, ప్రత్యేకించి US నౌకాదళ రియాక్టర్లలో కూడా హాఫ్నియం వాడుక సర్వసాధారణం,  కానీ పౌర రియాక్టర్లలో దాని వాడుక అరుదు. షిప్పింగ్‌పోర్ట్ అటామిక్ పవర్ స్టేషన్ లోని మొదటి కోర్ దీనికి మినహాయింపు.

మైక్రోప్రాసెసర్లు 
హాఫ్నియం-ఆధారిత సమ్మేళనాలను 45nm తరం ఇంటెల్, IBM తదితరుల ఇంటిగ్రేటెడ్ సర్క్యూట్‌లలో గేట్ ఇన్సులేటర్లలో వాడతారు.   హాఫ్నియం ఆక్సైడ్-ఆధారిత సమ్మేళనాలు హై-కె డైలెక్ట్రిక్‌లు, గేట్ లీకేజ్ కరెంట్‌ను తగ్గిస్తాయి. ఇది వాటి పనితీరును మెరుగుపరుస్తుంది.

ఇతర ఉపయోగాలు 
హాఫ్నియంకు ఉన్న వేడి నిరోధకత, ఆక్సిజన్, నైట్రోజన్‌లతో దాని అనుబంధం కారణంగా, హాఫ్నియం వాయువుతో నిండిన ప్రకాశించే బల్బులలో ఆక్సిజన్, నైట్రోజన్‌లకు ఇది మంచి స్కావెంజర్. ఎలక్ట్రాన్‌లను గాలిలోకి పంపే హాఫ్నియం సామర్థ్యం కారణంగా దీన్ని ప్లాస్మా కట్టింగ్‌లో ఎలక్ట్రోడ్‌గా కూడా ఉపయోగిస్తారు. 

ప్రొపైలిన్ యొక్క నియంత్రిత ఐసో-సెలెక్టివ్ పాలిమరైజేషన్ కోసం పిరిడైల్-అమిడోహాఫ్నియంను ఉత్ప్రేరకంగా ఉపయోగిస్తారు. దీంతో చాలా గట్టి రీసైకిల్ ప్లాస్టిక్‌ను తయారు చేస్తారు.

జాగ్రత్తలు 
హాఫ్నియం గాలికి గురైనప్పుడు సూక్ష్మ కణాలు ఆకస్మికంగా మండుతాయి. అందుచేత దాన్ని మెషినింగు చేసేటప్పుడు జాగ్రత్తలు తీసుకోవాలి. ఈ లోహాన్ని కలిగి ఉన్న సమ్మేళనాలను చాలా అరుదుగా ఎదుర్కొంటారు. స్వచ్ఛమైన లోహం విషపూరితమైనది కాదు. అయితే హాఫ్నియం సమ్మేళనాలను విషపూరితంగానే భావించాలి. ఎందుకంటే లోహాల అయానిక్ రూపాలు సాధారణంగా విషపూరితం అయ్యే ప్రమాదం ఎక్కువ. హాఫ్నియం సమ్మేళనాలను జంతువులపై పరిమితంగానే పరీక్షించారు. 

మానవులు హాఫ్నియంను పీల్చడం, మింగడం, చర్మానికి అంటుకోవడం, కంటికి తాకడం వంటివి చేయవచ్చు. ఆక్యుపేషనల్ సేఫ్టీ అండ్ హెల్త్ అడ్మినిస్ట్రేషన్ (OSHA) ప్రకారం హాఫ్నియం, హాఫ్నియం సమ్మేళనాల ఎక్‌స్పోజరు పరిమితిని 8 గంటలలో TWA 0.5mg/m3 ఉండవచ్చని నిర్ణయించింది. నేషనల్ ఇన్స్టిట్యూట్ ఫర్ ఆక్యుపేషనల్ సేఫ్టీ అండ్ హెల్త్ (NIOSH) కూడా అదే పరిమితిని (REL) నిర్ణయించింది. 50 mg/m 3 స్థాయిలలో హాఫ్నియం జీవితానికి, ఆరోగ్యానికి తక్షణ ప్రమాదకరం.

మూలాలు 

మూలకాలు
ట్రాన్సిషన్ లోహాలు