Hafn (Hf)

Hafn w układzie okresowym

Pierwiastek leży w szóstym okresie, czyli w szóstym poziomym rzędzie tablicy — to oznacza, że jego elektrony rozmieszczone są na 6 powłokach. Znajduje się w 4 grupie (blok d — pierwiastek przejściowy, zapełniana jest podpowłoka d). W tej samej grupie stoją: Tytan, Cyrkon, Ruterford — pierwiastki z jednej grupy mają podobną liczbę elektronów walencyjnych, dlatego zachowują się chemicznie podobnie. W temperaturze pokojowej Hafn jest ciałem stałym (topnieje w 2233 °C, wrze w 4603 °C).

Hafn — co to za pierwiastek

Pręty regulacyjne reaktorów i izolator bramki w nowoczesnych tranzystorach.

Właściwości pierwiastka Hafn

Hafn jest błyszczącym, srebrzystym metalem przejściowym, gęstym — 13,31 grama na centymetr sześcienny — i wyjątkowo trudno topliwym: topnieje dopiero w 2233 stopniach Celsjusza, a wrze w 4603. Jest ciągliwy i daje się kuć, a na powietrzu pokrywa się szczelną warstwą tlenku, chroniącą go przed korozją nawet w gorącej wodzie i w roztworach zasad. Rozpuszcza go dopiero kwas fluorowodorowy. W związkach występuje niemal wyłącznie na stopniu utlenienia +4. Chemicznie jest tak podobny do cyrkonu, że oba pierwiastki towarzyszą sobie we wszystkich rudach i rozdziela się je z ogromnym trudem — mimo że pod względem pochłaniania neutronów zachowują się przeciwnie. Drobny pył hafnu jest łatwopalny.

Zastosowanie pierwiastka Hafn

Hafn chłonie neutrony i na tym opiera się jego główne zastosowanie: pręty regulacyjne reaktorów jądrowych, zwłaszcza w napędach okrętów, gdzie liczy się trwałość i odporność na korozję w gorącej wodzie. Druga ważna dziedzina to elektronika — tlenek hafnu zastąpił tlenek krzemu jako izolator bramki w tranzystorach, bo przy tej samej grubości znacznie lepiej odcina prąd upływu, co pozwoliło dalej zmniejszać układy scalone. Elektrody palników do cięcia plazmowego mają hafnowe wkładki, ponieważ znoszą łuk elektryczny w atmosferze tlenu. Niewielkie dodatki hafnu poprawiają też nadstopy niklu w silnikach odrzutowych, a węglik hafnu należy do materiałów o najwyższych znanych temperaturach topnienia. Ze względu na cenę i rzadkość hafn stosuje się w niewielkich ilościach, ale tam, gdzie zamiennika po prostu nie ma.

Hafn — najważniejsze związki chemiczne

Tlenek hafnu, HfO₂, to biała, bardzo trudno topliwa ceramika o dużej przenikalności elektrycznej; to on stał się izolatorem bramki we współczesnych procesorach, bywa też składnikiem powłok optycznych. Węglik hafnu, HfC, i azotek, HfN, należą do najbardziej żaroodpornych znanych materiałów i bada się je jako osłony konstrukcji lecących z prędkościami hipersonicznymi. Chlorek hafnu(IV), HfCl₄, służy jako półprodukt przy otrzymywaniu metalu oraz przy nanoszeniu cienkich warstw tlenku. Wszystkie te związki odpowiadają stopniowi utlenienia +4, jedynemu, jaki hafn tworzy w praktyce; ich cyrkonowe odpowiedniki mają niemal identyczne właściwości chemiczne.

Hafn — gdzie go spotykasz

• pręty reaktorów
• tranzystory
• palniki plazmowe

Hafn w szkole — co trzeba wiedzieć

Hafn stoi w 4. grupie i 6. okresie, w bloku d; jego konfiguracja to [Xe] 4f¹⁴ 5d² 6s². W szkolnym programie pojawia się rzadko, ale bywa przykładem w dwóch tematach. Pierwszy to kontrakcja lantanowców: po zapełnieniu podpowłoki 4f atomy kurczą się na tyle, że hafn ma niemal ten sam rozmiar co leżący nad nim cyrkon, i dlatego oba pierwiastki są chemicznie prawie nierozróżnialne. Drugi to opóźnione odkrycia — hafn znaleziono dopiero w 1923 roku, choć jego puste miejsce w tablicy było znane od dawna. Zapamiętaj proste przeciwstawienie: cyrkon przepuszcza neutrony i robi się z niego koszulki paliwowe, hafn je pochłania i robi się z niego pręty regulacyjne.

Hafn — historia odkrycia

Hafnu długo brakowało w układzie okresowym: przewidywano istnienie pierwiastka o liczbie atomowej 72, ale szukano go wśród metali ziem rzadkich. Dopiero model atomu Nielsa Bohra wskazał, że powinien on przypominać cyrkon. W 1923 roku Dirk Coster i George de Hevesy, pracujący w instytucie Bohra w Kopenhadze, znaleźli go metodą spektroskopii rentgenowskiej w rudach cyrkonu — dokładnie tam, gdzie kazała szukać teoria. Nazwa upamiętnia miasto odkrycia: Hafnia to łacińska nazwa Kopenhagi. Był to jeden z pierwszych przypadków, gdy nowy pierwiastek znaleziono nie przypadkiem, lecz dzięki wskazówce płynącej z teorii budowy atomu.

Hafn — skąd wzięła się nazwa

łac. Hafnia — Kopenhaga

Hafn — izotopy

hafn-180 dominuje

Hafn — bezpieczeństwo

Niskotoksyczny; pyły palne.

Ciekawostki o pierwiastku Hafn

• Jego tlenek zastąpił krzemowy izolator w procesorach po 2007 roku.
• Cyrkon przeznaczony do reaktorów musi być praktycznie wolny od hafnu; ich rozdzielenie należy do trudniejszych i droższych operacji w metalurgii.
• George de Hevesy, współodkrywca hafnu, otrzymał później Nagrodę Nobla za wprowadzenie znaczników promieniotwórczych do badań biologicznych.
• Bez tlenku hafnu miniaturyzacja procesorów by się zatrzymała — warstwa krzemionki była już tak cienka, że elektrony przenikały przez nią na wylot.

Najczęstsze pytania o pierwiastek Hafn