Среди разнообразных металлов, которые сегодня известны людям, наибольший интерес представляет гафний. Он достаточно прочный, чтобы быть востребованным в различных областях и направлениях деятельности людей. Необходимо знать свойства и особенности сплавов, соединений и компонентов, в которые включен этот металл, чтобы использовать его с максимальной эффективностью. Для этой же цели рекомендуется ознакомиться с интересными фактами о металле, которые будут полезными при работе с ним.
Содержание:
- Свойства гафния
- Сплавы с использованием гафния
- Применение сплавов и соединений
- География добычи металла
Описание металла
Гафний является химическим элементом, который располагается в 4-й группе периодической системы Менделеева в шестом периоде. Имеет атомный номер 72. Металл обозначается символом Hf. Прежде чем перейти к описанию, нужно сказать, что он был открыт в 1923 году в Дании. Интересно здесь то, что металл был последним элементом, который обладает стабильными ядрами. Перед этим элементом был рений, который внесли в таблицу Менделеева в 1923 году. Известно, что этот компонент всегда присутствует в соединениях циркония.
Теперь можно переходить к подробному рассмотрению металла. Гафний является тяжелым и тугоплавким. Он имеет серебристо-белый цвет. Нужно отметить, что сразу после своего открытия, этот элемент не привлек внимание ученых и материаловедов. Постепенно выяснилось, что этот металл устойчив к коррозийным процессам, также он жаропрочный. Так же как и он сам, карбиды и нитриды с гафнием в составе прочные и твердые. Особенностью является тот факт, что этот металл используется в 90% случаев не в качестве основного, а как дополнительный элемент в различных сплавах. Например, его добавляют в жаропрочные соединения. Также известно, что, если добавить гафний в сплав в количестве около 1%, то он связывает углерод, кислород и азот. В результате происходящих реакций из них формируются твердые частицы, которые называются карбидами и карбонитридами. При помощи этого металла также производится связывание нежелательных примесей и повышается показатель прочности.
Еще один момент, который нужно указать, касается того, что карбиды гафния улучшают качество твердого инструмента, произведенного на основе карбидов тантала и вольфрама. Также прочность гафния способствует тому, что из него производится покрытие для турбинных лопаток, управляющие стержней реакторов. На это отрасль тратиться не менее 50% мирового производства этого металла. Всего же его добывается не более 100 т в год. По этой причине металл можно отнести к редким. Он пользуется повышенным спросом на производствах и стоит достаточно дорого. Нужно учитывать, что залежи гафния составляют около 600.000 т. Добывается он в 90% случаев из руд, содержащих цирконий. В них показатель содержания металла составляет всего 1-2 %. Также имеются указания на то, что некоторые минералы циркония содержат до 4% этого ценного и редкого металла.
Свойства гафния
Теперь нужно подробнее остановиться на том, чтобы рассмотреть свойства гафния, как физические, так и химические. Это поможет тем, кто будет работать или изучать этот металл, а также позволит узнать много интересного про этот элемент.
В составе природного гафния имеются 6 стабильных изотопов. Их числа 174, 176-180. Строение атома рассматриваемого металла напоминает таковое у циркония. Это позволило включить его в группу редкоземельных. Интересным является и тот момент, что собственных минералов этот элемент не имеет, поэтому искать его нужно в минералах циркония. В земной коре содержится 3,2·10-4% этого элемента. Если нужно добыть его в больших количествах, то рекомендуется использовать для этой цели вторичные минералы. Причина в том, что по содержанию металла в них будет около 35%. Важно отметить, что наиболее ценным с промышленной точки зрения является гафний, который был добыт из морских и аллювиальных россыпей циркона.
Теперь следует непосредственно перейти к рассмотрению физических и химических свойств металла. Если поместить металл в обычные условия, то он имеет гексагональную кристаллическую решетку. Плотность составляет 13,09 г/см3.
Также присутствуют такие физические свойства, как
- Тугоплавкость.
- Температура плавления – около 2220 градусов
- Температура кипения – 5400 градусов
- Атомная теплоемкость 26,3 кдж/(кг-атом·К)
- Показатели удельного электросопротивления - 32,4·10-8 ом·м
Нужно обратить внимание на то, что особенностью гафния является высокая эмиссионная способность. Также этот элемент имеет высокое сечение захвата тепловых нейтронов. Следует знать, что чистый гафний пластичен. Он легко поддается, как холодной, так и горячей обработке. Его можно подвергать таким процедурам, как прокатка, ковка или штамповка.
Теперь можно переходить к рассмотрению химических свойств металла. Они схожи с теми, которыми обладает цирконий, так как элементы имеют одинаковый размер ионов. Их электронная структура также схожа. У гафния химическая активность будет ниже, чем и циркония. Основная валентность – 4. Также имеются соединения с показателями валентности 3-, 2- и 1-.
При комнатной температуре металл демонстрирует устойчивость к воздействию атмосферных газов. В момент нагревания до 600 градусов он быстро окисляется, взаимодействие напоминает реакцию циркония с азотом и водородом. Нужно указать на то, что гафний отличается коррозионной стойкостью в чистой воде или водяных порах. Так он ведет себя до того момента, пока температурные показатели нагрева не достигнут 400 градусов. Еще один момент касается того, что в порошковой форме металл пирофорен.
Нужно отдельно рассмотреть, что собой представляет двуокись гафния (HfO2), так как она используется в производстве. Это белое тугоплавкое вещество. Для того чтобы запустить процесс плавления, нужно повысить температуру до 2780 градусов. Оно обладает высокой химической стойкостью. Как двуокись гафния, так и ее гидроокиси демонстрируют амфотерность с преобладанием основных свойств. При нагревании двуокиси со щелочами, кислотами щелочноземельных металлов образуются такие вещества, как гафиаты.
Также нужно отметить, что в процессе нагревания гафний активно реагирует с галогенами. В результате образуются сложные соединения. Под воздействием высоких температур металл взаимодействует с такими элементами, как углерод, бор, азот, кремний. В результате реакции образуются металлоподобные, тугоплавкие, устойчивые к химическим реагентам вещества и соединения с высокой температурой плавления (3250-3887 градусов).
Еще один момент касается того что металлический гафний растворяется в плавиковой и концентрированной серной кислотах. Также он растворяется в расплавленных фторидах щелочных металлов. Одновременно с этим он практически или полностью нерастворим в азотной, соляной, фосфорной и органических кислотах. Металл демонстрирует устойчивость к воздействию растворов щелочей.
Теперь нужно обратиться к хорошо растворимым в воде соединениям гафния. Это тетрахлорид и оксихлорид, различные нитраты и сульфаты гафния. Также нужно знать о том, что для этого металла характерным является образование комплексов с различными органическими кислородсодержащими соединениями.
Сплавы с использованием гафния
Интересным моментом является, что сплавы, в состав которых входит рассматриваемый металл, не уступают по качеству серебру. Они обладают аналогичным внешним видом и устойчивостью к процессам коррозии. Благодаря этому материал применяется в производстве электроники и электротехники.
Также сплавы используются, когда требуется произвести сварочное оборудование, а также осуществить резку металла. Причина в том, что рассматриваемый элемент способствует тому, что рабочий ресурс поверхностей, которые входят в контакт с металлами, увеличивается в несколько раз. Благодаря этому удается повысить и качество обработки металлических заготовок.
Если использовать легированный гафнием титан или его сплавы, то их применяют для тех узлов, которые должны демонстрировать повышенную надежность и долговечность работы. Также подобные сплавы применяются там, где нужно добиться высокого качества сварных швов. Показатели устойчивости к процессам коррозии также увеличиваются, если в сплаве присутствует гафний. Легкие и прочные разновидности получаются, когда в сплаве присутствует всего 1% этого металла.
Также этот элемент используется, когда нужно произвести сверхмощный магнит. Еще металл применяется, если требуется создать зеркальные материалы, которые затем будут использоваться в производственных целях или в научной деятельности. На современном этапе развития сплавы с этим металлом в составе все чаще применяются для создания аккумуляторов повышенной мощности.
Применение сплавов и соединений
Теперь, после рассмотрения свойств металла, нужно перейти к тому, чтобы больше внимания уделить вопросу применения сплавов и соединений на основе гафния. Этот металл идеально подходит для того, чтобы запустить процесс изготовления регуляторов стержней реакторов и надежных экранов, которые защищают от потока нейтронов.
Также сплавы и соединения активно применяются в металлургии. В этой сфере элемент используется, как легирующее вещество. Так как элемент является тугоплавким металлом, он делает сплавы с кобальтом, никелем, титаном в составе более прочными. Благодаря этим свойствам сплавы применяются в процессе турбостроения. Также этот компонент активно применяется еще в нескольких видах промышленности – в пищевой, нефтяной и химической.
Нужно учитывать, что наличие гафния в составе сплавов положительным образом влияет на процессы сварки. В результате швы получаются равномерными, незаметными и прочными. Антикоррозийная способность материала возрастает, что позволяет использовать его в процессе производства точных приборов. Износостойкие нитридные покрытия используются на лопастях газовых турбин. Содержащиеся катоды из циркония с гафнием в 3-4 раза увеличивает эксплуатационную пригодность компонентов. Также легированный титан активно используется в судостроительстве, например, для создания деталей двигателей. Тугоплавкий карбид гафния является аналогом карбида тантала и добавляет составу прочности.
Еще один момент, который нужно учитывать, касается того, что гафний значительно улучшает физические и химические свойства алюминия. Так всего 1% этого металла в качестве легирующего компонента обеспечивает прочность, повышает механические показатели и способствует тому, что материал не разрушается и не деформируется при сдвиге или скручивании. Показатели вибростойкости также улучшаются.
Поскольку металл демонстрирует повышенные показатели диэлектрической проницаемости, то он вполне может стать элементом следующего поколения в процессе производства микроэлектроники, например, процессоров для компьютеров. Также высокий показатель преломления оксида гафния способствует тому, что его можно использовать в процессе изготовления приборов ночного виденья, так как для них производятся специальные марки стекол.
Еще сплавы с гафнием применяются в производстве специальной керамики. Причина в том, что в микроэлектронике требуются резистивные пленки с заданными параметрами. Их могут гарантировать сплавы гафния и скандия. Также областью применения рассматриваемого металла является направление создания многослойных рентгеновских зеркал. При их изготовлении силицид гафния не принимает прямого вхождения, но компоненты бромида и кремния используются в создании прочных стекол. Подобная методика применяется для создания высокопрочных пленок. Осуществляется это напылением или нанесением специальной кисточкой. Все перечисленные свойства и направления позволяют использовать металл в самых перспективных и развивающихся направлениях. Спрос имеется, как в ракетной промышленности, так и в медицине. Гафний применяется также при создании телевизионных лучевых трубок, электродов, которые затем будут использоваться в лампах накаливания. Микросхемы, жаропрочные сплавы, электронные приборы, а также защитные покрытия – везде используются сплавы, в которых содержится гафний. Он позволяет гарантировать деталям и элементам надежность, долговечность и высокое качество, а также безопасность. Применение этого металла фиксируется также в оптике и аэрокосмических отраслях, где особое внимание уделяется именно показателям надежности и качества. Защитные элементы и компоненты производятся из гафния и его сплавов для компонентов ядерной промышленности и энергетики.
География добычи металла
В большинстве случаев содержание двуокиси гафния в составе цирконов фиксируется на уровне 1-2%. В Нигерии открыты месторождения, где показатель поднимается до 5%. Также высоким показателем по содержанию в циркониевых рудах гафния могут похвастаться прибрежные морские отмели и речные донные отложения. Они располагаются по всему миру, поэтому выделить определенные достаточно сложно. Если рассматривать только территорию Российской Федерации, то крупные месторождения с гафнием находятся на Урале в Хибинах.
Также известно, что мировые ресурсы гафния в пересчете на двуокись гафния несколько превышают 1 миллион тонн.
Структура распределения этих ресурсов выглядит так:
- Австралия - имеется более 630 тысяч тонн
- ЮАР - почти 287 тысяч тонн
- США - более 105 тысяч тонн
- Индия - около 70 тысяч тонн
- Бразилия - 9,88 тысяч тонн
Запасы гафния, которые фиксируются в России и СНГ, по оценкам независимых специалистов, можно назвать большими. По этой причине при развитии гафниевой промышленности именно Россия способна стать безусловным лидером на мировом рынке этого металла. Все изложенные факты и интересные моменты свидетельствуют о том, что рассматриваемый элемент в ходит в группу перспективных и позволяет рассчитывать, что с его помощью производственный сектор будет неуклонно совершенствоваться и развиваться.