کاربرد عنصر هافنیم چیست؟ خواص هافنیوم را می شناسید؟

عنصر هافنیم از عناصر شیمیایی جدول تناوبی مندلیف بوده و با نماد شیمیایی Hf شناخته می شود. عدد اتمی عنصر هافنیم ۷۲ و عدد جرمی آن ۱۷۸.۴۸۶ است. خواص عنصر هافنیم موجب شده است تا در گروه ۴ و تناوب ۶ جدول تناوبی جای بگیرد. از خواص عنصر هافنیم می توان به رنگ نقره ای خاکستری تیره و نقطه ذوب بالای آن اشاره کرد. کاربرد عنصر هافنیم در علوم هسته ای و ساخت آلیاژ بسیار به چشم می خورد. ترکیبات عنصر هافنیم نیز وجود داشته و هر یک کاربردی دارند. عنصر هافنیم از عناصر واسطه است. در ادامه این مقاله به ایزوتوپ عنصر هافنیم نیز پرداخته می شود. برای شناخت بیشتر این ماده می توان مدل اتمی بور برای عنصر هافنیم را بررسی نمود. عنصر هافنیم بسیار شبیه زیرکونیم بوده و جداسازی این دو از هم کار مشکلی است.

نشریه علمی جهان شیمی فیزیک به معرفی و بررسی کاربرد و خواص عناصر جدول تناوبی پرداخته است. عناصری مانند: لوتسیم، هولمیم، ساماریم و… . در ادامه با شناخت ویژگی عنصر هافنیم با ما همراه باشید.

درباره تاریخچه عنصر هافنیم

نام عنصر هافنیم از واژه لاتین Hafnia گرفته شده است. در سال ۱۹۲۳ دانشمندانی به نام Dirk Coster و Georg von Hevesy  در کپنهاک دانمارک این ماده را کشف کردند. کمی بعد از کشف آن، با استفاده از نظریه اتمی بور احتمال پیوند این عنصر تازه کشف شده با زیرکونیم پیش بینی شد. در نهایت با تحلیل طیف نمای اشعه X در نروژ، عنصر هافنیوم را در زیرکن کشف کردند.

با روش تبلور سازی های پی در پی فلورید های آمونیم یا پتاسیم Jantzen و von Hevesy توانستند هافنیم را از زیرکونیم جدا کنند. Jan Hendrik deBoer و Anton Eduard Van Arkel نیز برای نخستین بار توانستند با عبور بخار تترا یدید از روی مفتول تنگستن داغ، موفق به تهیه هافنیم فلزی شوند.

ویژگی عنصر هافنیم عنصر شماره ۷۲ جدول تناوبی مندلیف

• عدد اتمی: ۷۲
• جرم اتمی: ۱۷۸٫۴۹
• گروه: ۴
• تناوب (دوره): ۶
• نقطه ذوب: ۲۲۳۳ درجه سانتی گراد
• نقطه جوش: ۴۶۰۳ درجه سانتی گراد
• شعاع اتمی: ۱۵۹ pm
• الکترونگاتیویته: ۱.۳ مقیاس پائولینگ
• ظرفیت: ۴
• رنگ: خاکستری تیره
• حالت در شرایط استاندارد (STP): جامد
• حالت اکسیداسیون: ۴
• دانسیته: ۱۳٫۳۱ گرم بر سانتی متر مکعب
• گرمای فروپاشی:  ۲۴.۰۶ کیلو ژول بر مول
• گرمای تبخیر: ۵۷۵ کیلو ژول بر مول
• آرایش الکترونی: ۴f^۱۴ ۵d^۲ ۶s^۲ [Xe]
• لایه های الکترونی: ۲, ۸, ۱۸, ۳۲, ۱۰, ۲

خواص عنصر هافنیم

از خواص عنصر هافنیم فلزی می توان به چکش خواری و رنگ نقره ای براق آن اشاره کرد. این فلز واسطه در برابر فرسودگی نیز مقاوم است. این ماده از لحاظ شیمیایی مانند زیرکونیم است. ویژگی عنصر هافنیم به طور چشمگیری تحت تاثیر ناخالصی های زیرکونیم قرار دارد. تفکیک این دو عنصر در دسته مشکل ترین تفکیک ها می باشند.

تنها تفاوت بین این دو عنصر، تفاوت در مقدار چگالی آن ها است. چگالی هافنیم دو برابر زیرکونیم است. ترکیب کاربید هافنیم مقاوم ترین ترکیب دو بنیانی شناخته شده در برابر حرارت است. ترکیب نیترید هافنیم با نقطه ذوب ۳۳۱۰ درجه دیر گدازتر از تمامی نیترید های فلزی است.

هافنیوم نسبت به قلیایی های غلیظ نیز مقاومت دارد. هالوژن ها با این فلز واکنش داده و تتراهالید های هافنیم را تولید می کنند. از دیگر خواص عنصر هافنیم این است که در دمای بالاتر با اکسیژن، نیتروژن، کربن، بور، گوگرد و سیلیکون واکنش می دهد. ایزومر اتمی Hf-2-178 منبع پر انرژی برای اشعه های گاما است. کاربرد عنصر هافنیم به عنوان منبع نیرو برای لیزر های اشعه گاما نیز در دست بررسی است. برای اطلاعات بیشتر از خواص این ماده به مدل اتمی بور برای عنصر هافنیم مراجعه نمایید.

فلزات واسطه

به عناصری که اوربیتال فرعی d آن ها به صورت جزئی پر شده باشد و یا از طریق آرایش اوربیتالی ناقص به صورت کاتیون وجود داشته باشند، عناصر واسطه گفته می شود. درواقع عناصر واسطه به عنوان هر عنصر از بلوک d جدول تناوبی  شناخته می شود. گروه‌ ۳ تا ۱۲ جدول تناوبی عناصر از فلزات واسطه تشکیل شده است. عناصر بلوک f شامل لانتانید ها و اکتینید ها نیز در طبقه ‌بندی فلزات واسطه قرار می‌گیرند. فلزات واسطه داخلی نامی است که بر آن ها نهاده‌اند. درواقع فلزات واسطه در میان فلزات قلیایی خاکی و عناصر گروه بور قرار دارند. همانطور که از نام این عناصر پیداست، تمامی فلزات واسطه رسانای خوب جریان الکتریسیته هستند.

درواقع عناصر دسته d، چگالی، نقطه ذوب و نقطه جوش بالایی دارند. این خاصیت به خاطر پیوند فلزی و جذب الکترون‌ های زیر لایه d است. این موارد به چسبندگی مولکول‌ ها و افزایش تعداد الکترون‌های اشتراکی منجر شده است.

خواص عناصر واسطه

این عناصر به دلیل انتقال الکترونی d-d تشکیل ترکیبات رنگی می دهند. علت رنگی بودن برخی ترکیبات در فلزات واسطه در حالت گذار الکترونی است که شامل دو اصل مهم می شود. انتقال بار و حالت گذار اوربیتال های d.

به دلیل اختلاف انرژی پایین در حالات مختلف عدد اکسایش، ترکیباتی با اعداد اکسایش متفاوت تشکیل می شود.

به دلیل حضور الکترون ‌های جفت نشده بسیاری از ترکیبات پارامغناطیسی تشکیل می شود.

در پیوند با لیگاند ‌ها، بیشتر فلزات واسطه موجب تشکیل کمپلکس‌های فلزی بسیاری می‌شوند.

‌ عدد اکسایش متفاوت یکی از شاخصه‌ های مهم عناصر واسطه است.

عناصر واسطه و ترکیباتشان بر اساس فعالیت‌های کاتالیستی همگن و ناهمگن نیز شناخته می‌شوند.

کاربرد عنصر هافنیم (هافنیوم)

عنصر هافنیم و آلیاژهای آن برای میله کنترل در راکتورهای اتمی و زیر دریایی هسته ای کاربرد دارد. کاربرد هافنیوم برای جذب نوترون بسیار عالی است. این ماده نقطه ذوب بسیار بالایی داشته و در برابر خوردگی مقاوم است.

این ماده در آلیاژ های دمای بالا و سرامیک ها نیز کاربرد دارد. هافنیوم ترکیباتی بسیار مقاوم و نسوز تشکیل می دهد. این ترکیبات تنها در دما های خیلی بالا ذوب می شوند.

این ماده در لامپ های گازی و برقی نیز استفاده می شود.

کاربرد هافنیوم برای پالایش اکسیژن و نیتروژن نیز صورت می گیرد.

در آلیاژ های آهن، تیتانیم، نیوبیم، تانتالیم و فلزات دیگر از هافنیوم استفاده می شود.

کاربرد در جوشکاری پلاسما و تراشکاری قوسی: عنصر هافنیوم به الکترون‌ ها اجازه آزاد شدن در هوا و متعاقبا تشکیل قوس الکتریکی می‌دهد. این ماده به عنوان الکترود و به جای تنگستن در نوک دستگاه جوشکاری پلاسما به کار می رود. علاوه بر آن به عنوان کاتد در دستگاه تراشکاری قوس پلاسما نیز کاربرد دارد.

ایزوتوپ عنصر هافنیم

عنصر هافنیم ۵ ایزوتوپ پایدار دارد. این ایزوتوپ ها شامل ^۱۷۹Hf، ^۱۷۸Hf، ^۱۷۷Hf، ^۱۷۶Hf، ^۱۷۹Hf است. عنصر هافنیوم ۳۰ ایزوتوپ پرتوزا نیز دارد. در بین این ایزوتوپ ها ^۱۸۲Hf با نیمه عمر ۲×۱۰۱۵ سال پایدار ترین رادیو ایزوتوپ عنصر هافنیم است.

نیمه عمر	ایزوتوپ
۱.۹ سال	Hf-172
۲.0E15 سال	Hf-174
۷۰ روز	Hf-175
پایدار	Hf-176
پایدار	Hf-177
پایدار	Hf-178
پایدار	Hf-179
پایدار	Hf-180
پایدار	Hf-182

 

کاربرد ایزوتوپ عنصر هافنیوم

مطالعات تایید نموده اند که اولین پوسته زمین حدود ۴.۵ میلیارد سال پیش تشکیل شده است. تجزیه و تحلیل شیمیایی دانشمندان از هافنیوم در یک شهاب سنگ نادر مشخص نموده است که این شهاب سنگ از سیارک وستا منشأ گرفته است.

شهاب سنگ ها قطعاتی از مواد اصلی هستند که همه سیارات را تشکیل داده اند. برای این مطالعه، آن ها نسبت ایزوتوپ هافنیم -۱۷۶ و هافنیم -۱۷۷ را در شهاب سنگ اندازه گیری کردند. این مطالعه نقطه آغازی برای کشف ترکیب زمین بود.

آن ها نتایج بدست آمده را با قدیمی ترین سنگ های کره زمین مقایسه نمودند. تأیید شد که پوسته ای در سطح زمین حدود ۴.۵ میلیارد سال پیش تشکیل شده است.

تاثیر خواص عنصر هافنیم در سلامتی

فلز هافنیوم به طور طبیعی ایجاد عارضه و ناراحتی نمی کند. اما ترکیبات هافنیوم همگی سمی هستند. شواهد نشان داده است که خطر آن ها محدود است.

گرد و غبار هافنیوم خطر آتش سوزی و انفجار ایجاد می کند. هافنیم در آب، محلول های نمکی یا ترکیبات شیمیایی بدن نامحلول است.

عنصر هافنیم از طریق تنفس، خوردن و چشم یا تماس پوستی می تواند وارد بدن شود.

قرار گرفتن در معرض هافنیم و ترکیبات آن در طولانی مدت باعث حساسیت خفیف چشم، پوست و غشای مخاطی می شود.

لازم به ذکر است که قرار گرفتن در معرض هافنیم هیچ علامت و نشانه ای در انسان ایجاد نمی کند.

ترکیبات عنصر هافنیم

اکسید هافنیم

اکسید هافنیم (Hafnium(IV) oxide) با فرمول شیمیایی HfO_۲ ترکیبی شیمیایی است. جرم مولی این ترکیب ۲۱۰.۴۹ g/mol است. شکل ظاهری این ترکیب پودری سفید رنگ است.

اثرات زیست محیطی هافنیم

اثرات هافنیم بر روی جانوران: اطلاعات کمی در مورد سمیت فلز هافنیم یا گرد و غبار آن بر جانوران موجود است. مطالعات بر روی جانوران نشان داده است که ترکیبات هافنیم باعث سوزش چشم، پوست و غشای مخاطی و نیز آسیب های کبد می شوند.

LD50  تتراکلرید هافنیم در موش های صحرایی ۲.۳۶۲  mg/kg است و LD 50 اکسی کلرید هافنیم در این موش ها ۱۱۲  mg/kg است.

هشدار

تبدیل این فلز به قطعات کوچک ممکن است آتش گیر باشد و این ماده می تواند خود به خود در مجاورت هوا محترق شود. بنابراین در هنگام برش هافنیوم باید بسیار دقت نمود.

مردم عادی به ندرت با ترکیباتی که دارای این فلز مواجه می شوند و فلز خالص عموماً سمی نیست. اما با تمامی ترکیبات این ماده باید به گونه ای رفتار شود که سمی هستند. حتی اگر خطر دسترسی افراد به آن ها بسیار کم باشد.

قیمت عنصر هافنیم

قیمت هافنیم دو ویژگی جالب دارد. اول اینکه قیمت فلز هافنیم به نظر بسیار ارزان می آید. دوم اینکه از سال ۱۹۷۰ تا ۲۰۰۰ به طور شگفت آوری ثبات داشته است. در واقع قیمت عنصر هافنیم نوسان بسیار اندکی را طی این سال ها تجربه نموده است.

البته قیمت هافنیوم با درصد ناخالصی پایین (کمتر از ۰٫۱ درصد زیرکونیوم) قطعا قیمت بالاتری خواهد داشت. مقایسه میزان تولید و قیمت عنصر هافنیم با عناصر دیگری نظیر رنیوم ممکن است باعث تعجب شود. میزان تولید سالیانه عنصر هافنیوم و رنیوم در حدود یکدیگر است، هافنیوم ۷۰ تن و رنیوم ۵۰ تن. اما قیمت ها به طور قابل ملاحظه‌ای متفاوتند.

سخن آخر

در جدول تناوبی مندلیف عناصر گوناگونی جای گرفته اند. عناصر موجود در جدول تناوبی از لحاظ خواص فیزیکی و شیمیایی با یکدیگر تفاوت دارند. وجود این تفاوت ها منجر به خواص متفاوت آن ها شده است. ویژگی و خواص متفاوت این عناصر، کاربرد متنوع عناصر را به وجود آورده است. اغلب عناصری که در یک گروه از جدول تناوبی مندلیف قرار گرفته اند خواصی شبیه به هم نیز دارند. برای شناخت جایگاه این عناصر می توان به جدول تناوبی مندلیف مراجعه نمود. با نگاه به جدول تناوبی مشاهده می شود که تمام عناصر جایگاه مخصوص به خود را دارند. در واقع عناصر در گروه ها و دوره هایی مرتب شده اند.

با شناخت بهتر عناصر جدول تناوبی می توان به کاربرد و ویژگی عناصر پی برد. کاربرد مختلف عناصر در صنایع و سلامت و پزشکی و کشاورزی و… تنها با شناخت درست عناصر امکان پذیر خواهد بود. دانشمندان همواره در تلاش بوده اند تا شناخت بیشتری از این عناصر به دست آورند. زیرا توسعه بیشتر علم به توسعه و پیشرفت بیشتر جوامع انسانی می انجامد.

نکته

عناصر موجود در جدول تناوبی مندلیف می توانند حالات مختلفی را داشته باشند. جامد، مایع، گاز، حالت های مختلف این عناصر است. برخی از عناصر جدول فلز و برخی نافلز و برخی از عناصر نیز شبه فلز هستند.

اهمیت بالای عناصر شیمیایی در زندگی روزمره انسان و پیشرفت صنایع و آینده بشر منجر شده تا نشریه علمی جهان شیمی فیزیک به توضیح و بررسی عناصر بپردازد. برای آشنایی با خواص و کاربرد و تاریخچه هر عنصر می توانید به سایت نشریه علمی جهان شیمی فیزیک مراجعه کنید.