Hafn (Hf)
Hafn (Hf, łac. Hafnium) to pierwiastek o liczbie atomowej 72, leżący w 6 okresie układu okresowego i 4 grupie. Należy do kategorii: Metale przejściowe.
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).
Dane pierwiastka Hafn
| Symbol chemiczny | Hf |
|---|---|
| Liczba atomowa (Z) | 72 |
| Masa atomowa | 178,49 u |
| Liczba masowa | 180 |
| Grupa | 4 |
| Okres | 6 |
| Blok | d |
| Kategoria | Metale przejściowe |
| Konfiguracja elektronowa | [Xe] 4f¹⁴ 5d² 6s² |
| Wartościowość | IV |
| Stopnie utlenienia | +4 |
| Elektroujemność (Pauling) | 1,3 |
| Energia jonizacji | 6,825 eV |
| Temperatura topnienia | 2233 °C |
| Temperatura wrzenia | 4603 °C |
| Gęstość | 13,31 g/cm³ |
| Promień atomowy | 155 pm |
| Zawartość w skorupie ziemskiej | 3 mg/kg |
| Nazwa łacińska | Hafnium |
| Rok odkrycia | 1923 |
| Odkrywca | Coster i Hevesy |
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
Jaki jest symbol chemiczny pierwiastka Hafn?
Symbol chemiczny to Hf. Nazwa łacińska brzmi Hafnium.
Jaką liczbę atomową ma Hafn?
Liczba atomowa (Z) wynosi 72, czyli w jądrze atomu jest 72 protonów. Masa atomowa to 178,49 u.
Jaka jest wartościowość pierwiastka Hafn?
Typowa wartościowość to IV. Spotykane stopnie utlenienia: +4.
Jaka jest konfiguracja elektronowa pierwiastka Hafn?
Konfiguracja skrócona to [Xe] 4f¹⁴ 5d² 6s². Pierwiastek należy do bloku d.
Gdzie w codziennym życiu spotykamy pierwiastek Hafn?
Najczęściej: pręty reaktorów, tranzystory oraz palniki plazmowe.
← Wróć do układu okresowego · Zobacz wszystkie: Metale przejściowe · Układ okresowy do druku