Преглед на кода на Хафний

{{Химичен елемент
| вид				=стоманено-сив метал
| картинка			=Hf-crystal bar.jpg
| име				=Хафний
| вляво				=[[Лутеций]]
| вдясно			=[[Тантал (елемент)|Тантал]]
| отгоре			=[[Цирконий|Zr]]
| отдолу			=[[Ръдърфордий|Rf]]
| група				=4
| период			=6
| блок				=d
| серия				=преходен метал
| серия_коментар		=
| конфигурация			=&#91;[[Ксенон|Xe]]&#93; 4f<sup>14</sup> 5d<sup>2</sup> 6s<sup>2</sup>
| конфигурация_коментар		=
| електрони_на_ниво		=2, 8, 18, 32, 10, 2
| електрони_на_ниво_коментар	=
| CAS_номер			=
| CAS_номер_коментар		=
| атомна_маса			=178,49
| атомна_маса_коментар		=
| атомен_радиус			=155
| атомен_радиус2		=208
| атомен_радиус_коментар	=
| ковалентен_радиус		=175±10
| ковалентен_радиус_коментар	=
| ван_дер_Ваалс			=
| ван_дер_Ваалс_коментар	=
| окс_състояния			='''4''', 3, 2, 1, −2
| окс_състояния_коментар	=
| оксид				=HfO<sub>2</sub> (амфотерен)
| оксид_коментар		=
| електроотрицателност		=1,3
| електроотрицателност_коментар =
| йон_потенциал			=658,5
| йон_потенциал2		=1440
| йон_потенциал3		=2250
| йон_потенциал4		=3216
| йон_потенциал_коментар	=
	
| агрегатно			=твърдо вещество
| агрегатно_коментар		=
| алотропи			=
| алотропи_коментар		=
| крист_структура		=шестоъгълна плътноопакована
| крист_структура_коментар	=
| крист_структура2		=
| крист_структура_коментар2	=
| плътност			=13310
| плътност_коментар		=
| топене_K			=2506
| топене_коментар		=
| кипене_K			=4876
| кипене_коментар		=
| моларен_обем			=13,41×10<sup>-6</sup>
| моларен_обем_коментар		=
| тройна_точка_темп		=
| тройна_точка_налягане		=
| тройна_точка_коментар		=
| крит_точка_темп		=
| крит_точка_налягане		=
| крит_точка_коментар		=
| топл_топене			=27,2
| топл_топене_коментар		=
| топл_изпарение		=648
| топл_изпарение_коментар	=
| налягане_пара_T1		=2689
| налягане_пара_T10		=2954
| налягане_пара_T100		=3277
| налягане_пара_T1k		=3679
| налягане_пара_T10k		=4194
| налягане_пара_T100k		=4876
| скорост_звук			=3010
| скорост_звук_коментар		=при 20 [[целзий|°C]]
| топл_капацитет		=144
| топл_капацитет_коментар	=
| електропроводимост		=3,3×10<sup>6</sup>
| електропроводимост_коментар	=при 20 [[целзий|°C]]
| елсъпротивление		=0,331
| елсъпротивление_коментар	=при 20 [[целзий|°C]]
| топлопроводимост		=23
| топлопроводимост_коментар	=
| магнетизъм			=[[парамагнетизъм|парамагнитен]]
| магнетизъм_коментар		=
| модул_еластичност		=78
| модул_еластичност_коментар	=
| модул_срязване		=30
| модул_срязване_коментар	=
| модул_натиск			=110
| модул_натиск_коментар		=
| коефициент_Поасон		=0,37
| коефициент_Поасон_коментар	=
| твърдост_Моос	        	=5,5
| твърдост_Моос_коментар	=
| твърдост_Викерс		=1520 – 2060
| твърдост_Викерс_коментар      =
| твърдост_Бринел		=1450 – 2100
| твърдост_Бринел_коментар 	=
| наименование			=на Хафния, [[латински език|латинското]] име на [[Копенхаген]]
| открит_от			=[[Дирк Костер]] и [[Дьорд Хевеши]]<br/>
| открит_през			=1922 г.
| изолиран_от			=
| изолиран_през			=
| изотопи			=
{{химичен елемент/изотоп разпад1|символ=Hf|масово_число=172|честота=[[синтетичен елемент|синт.]]|период_полуразпад=1,87 г.|тип_разпад=[[електронен захват|ε]]|продукт_символ=Lu|продукт_масово_число=172}}
{{химичен елемент/изотоп разпад1|символ=Hf|масово_число=174|честота=0,16 %|период_полуразпад=2×10<sup>15</sup> г.|тип_разпад=[[алфа-разпад|α]]|продукт_символ=Yb|продукт_масово_число=170}}
{{химичен елемент/изотоп стабилен|символ=Hf|масово_число=176|честота=5,26 %|firstlinks=yes}}
{{химичен елемент/изотоп стабилен|символ=Hf|масово_число=177|честота=18,6 %|firstlinks=no}}
{{химичен елемент/изотоп стабилен|символ=Hf|масово_число=178|честота=27,28 %|firstlinks=no}}
{{химичен елемент/изотоп разпад1|символ=Hf|масово_число=178''m2''|честота=синт.|период_полуразпад=31 г.|тип_разпад=[[изомерен преход|ИП]]|продукт_символ=Hf|продукт_масово_число=178}}
{{химичен елемент/изотоп стабилен|символ=Hf|масово_число=179|честота=13,62 %|firstlinks=no}}
{{химичен елемент/изотоп стабилен|символ=Hf|масово_число=180|честота=35,08 %|firstlinks=no}}
{{химичен елемент/изотоп разпад1|символ=Hf|масово_число=182|честота=синт.|период_полуразпад=8,9×10<sup>6</sup> г.|тип_разпад=[[бета-разпад|β<sup>-</sup>]]|продукт_символ=Ta|продукт_масово_число=182}}
}}

'''Хафният''', '''Hf''', е [[химичен елемент]] с пореден номер 72 от 4-та група, 6-и период. Той е сребристосив преходен [[метал]], който химически наподобява [[Цирконий|циркония]] и се намира в неговите минерали. Хафният е предпоследният открит елемент от тези със стабилни изотопи. Съществуването му е предречено от [[Дмитрий Менделеев]] през 1869 г. Открит е от [[Дирк Костер]] и [[Дьорд Хевеши]] през 1923 в [[Копенхаген]], [[Дания]] и е наречен на латинското име на Копенхаген – Хафния. Хафният се използва в производството на [[кабел|жици]], [[електрод]]и и други. Неговото голямо сечение на топлинни електрони позволява употребата му в [[АЕЦ|АЕЦ-ите]]. Някои суперсплави, съдържат хафний в комбинация с [[ниобий]], [[Титан (елемент)|титан]] или [[волфрам]].

== История ==
До началото на 20-те години на XX век, 72-рият, 75-ият, 43-ият и 63-ият елемент не са известни.<ref name="Лефтеров">{{Cite book|title=Химичните елементи и техните изотопи|last=Лефтеров|first=Димитър|publisher=Издателство на БАН „Проф. Марин Дринов“|year=2015|isbn=978-954-322-831-7|location=София|pages=377 – 383}}</ref> [[Менделеев]] предсказва съществуването на хафния, но не дава предположения за свойствата му. В продължение на столетие учените многократно обявяват откриването на елемента, но при повторение на експериментите това се оказва [[Лантанид|лантаноид]] или [[Zr]].

След популяризацията на атомния спектрален анализ, в началото на XX век започват по-сериозни изследвания за изолиране на елемента. През 1911 г. френският химик Жорж Юрбен обявил откритието на нов елемент и го нарекъл ''келтий'' в чест на келтите – древните заселници на Франция.<ref name="Лефтеров" /> През 1913 и 1914 г. английският физик Хенри Молзли открива закономерностите на спектралните линии на елементите и при спектрален анализ не открива линиите на келтия. Юрбен предполага, че това се дължи на несъвършенството на измерването. По същото време [[Нилс Бор]] обяснява периодичността на Периодичната система и съответно свойствата на елементите. Така той констатира, че [[Lu]] с пореден номер 71, трябва да е последният [[Лантанид|лантаноид]], а елемент 72 трябва да е подобен на [[Zr]] в 4-та група. През 1923 г. Бор възлага на Дирк Костер и Георг Хевеши да търсят новия елемент при [[Zr]].<ref name="Лефтеров" /> Те обработват циркониеви минерали и изследват спектралните линии на получения цирконий. Така те откриват линиите на елемент 72, съвпадащи с изчислените по-рано от Молзли, а в спектъра липсват линиите на Lu. Впоследствие се доказва, че спектралните линии на Юрбен са на лутеция.

Костер и Хевеши дават названието на елемента ''хафний'', в чест на латинското име на Копенхаген, родното място на Нилс Бор.<ref name="Лефтеров" />

== Разпространение ==
Хафният е около 3,3×10<sup>-4</sup>% по маса и е на 45-о място сред елементите. Той е силно разсеян, не се среща в свободно състояние и не образува собствени минерали.<ref name="Лефтеров" /> Най-често е в твърд разтвор на [[Zr]] с негови съединения например цирконит, ZrSiO<sub>4</sub>, където е между 1% и 4%, а в редки случаи достига 31%.

== Физични свойства ==
{{Раздел-мъниче}}
[[Файл:Hafnium bits.jpg|мини|ляво|Хафний]]
Хафният е сребристосив блестящ метал с плътност при 20&nbsp;°C 13,3 g/cm<sup>3</sup>. Той е много твърд, пластичен, ковък и труднотопим.<ref name="Киркова" /> Топи се при 2233&nbsp;°C и кипи при 4603&nbsp;°C. До 1750&nbsp;°C има хексагонална обемноцентрична кристална решетка, а над тази температура е кубична стеноцентрична.<ref name="Лефтеров" />

=== Изотопи ===
Като елемент с четен пореден номер, в природата хафният се среща с шестте си стабилни изотопа: <sup>174</sup>Hf, <sup>176</sup>Hf, <sup>177</sup>Hf, <sup>178</sup>Hf, <sup>179</sup>Hf и <sup>190</sup>Hf, синтезиран в звездите чрез s- и r-процеси.<ref name="Лефтеров" /> Известни са 30 радиоактивни изотопа с 13 изомера в областта на [[Масово число|''A'']] от 153 до 188.

Изомерът <sup>178m2</sup>Hf чрез изомерен преход може да се превърне в <sup>178</sup>Hf.<ref name="Лефтеров" />

== Химични свойства ==
Хафният е химичен елемент от 4-та група с пореден номер 72 и атомно тегло 178,49. Електронната му структура е KLMN5''s''<sup>2</sup>5''p''<sup>6</sup>'''5''d''<sup>2</sup>'''6''s''<sup>2</sup> – прибавя се 5d-електрон спрямо [[Lu]] и конфигурацията е подобна на [[Zr]]. Основната степен на окисление на хафния е +4, а съединенията от +2 и +3 са неустойчиви.<ref name="Лефтеров" />

Поради [[Лантаноидно свиване|лантаноидното свиване]], размерът на атомите и йоните на циркония са много сходни по размери: Zr е 1,45Å и Hf е 1,44Å, а Zr<sup>4+</sup> е 0,74Å и Hf<sup>4+</sup> е 0,75Å. Тези близки по размери атомни и йонни радиуси правят двата елемента много сходни. Главните различия на съединенията им са разтворимостта и температурите им на топене, което се използва в методите за разделяне на двата елемента.<ref name="Лефтеров" />

Хафният не реагира с въздуха и кислород на стайна температура. Прахообразният хафний е пирофорен и се възпламенява на въздух при триене и удар, изгаряйки бързо и при висока температура. При 500 – 600&nbsp;°C слабо се окислява, а при 700&nbsp;°C образува HfO<sub>2</sub>. Има отрицателен електроден потенциал, но не реагира с водата и минералните киселини. До 100&nbsp;°C не взаимодейства с [[Солна киселина|HCl]], [[Сярна киселина|H<sub>2</sub>SO<sub>4</sub>]] и [[Азотна киселина|HNO<sub>3</sub>]], но реагира със смеси на концентрирани органични киселини и [[Флуороводородна киселина|HF]] и кипяща сярна киселина. Устойчив е на разтвори на основи и NH<sub>3</sub>.<ref name="Лефтеров" /> Причина за това е устойчивата оксидна корица, която може до се разруши само от някои киселини до образуване на [[Комплексно съединение|комплекси]]:<ref name="Киркова" />

<chem>HfO2 + 6 HF -> H2[HfF6] + 2H2O</chem>,

<chem>HfO2 + 3 H2C2O4 -> H2[Hf(C2O4)3] + 2H2O</chem>.

При нормална температура хафният не реагира с N<sub>2</sub> и H<sub>2</sub>. Реагира с азота при 700 – 800&nbsp;°C до HfN, с халогените при 200 – 400&nbsp;°C дава HfX<sub>4</sub>. При по-висока температура образува карбиди, силициди и бориди, които са високотопими.<ref name="Киркова" /> При 350 – 400&nbsp;°C взаимодейства с H<sub>2</sub> до HfH<sub>2</sub>, но над 400&nbsp;°C водородът се десорбира.

== Съединения ==
=== Оксид и хидроксид ===
При нагряване на метала в кислородна среда или на хидратни утайки на оксида – HfO<sub>2</sub>·''n''H<sub>2</sub>O, хафният образува HfO<sub>2</sub>. Това е единственият познат оксид на метала.<ref name="Киркова" /> Външно наподобява TiO<sub>2</sub>, но има по-висока температура на топене – 2912&nbsp;°C. Оксидът е химически инертен и не реагира със стопени основи и метали, а с повишаване на температурата променя обема си незначително. Използва се като огнеупорен материал. Монокристали във вид на лещи намират приложение в космическите кораби.<ref name="Киркова" />

Поради инертността на оксида, хидроксидът се получава индиректно:

<chem>HfCl4 + 4NaOH -> Hf(OH)4 + 4NaCl</chem>.

=== Халогениди ===
Познати са всички халогениди в +4 степен на окисление, които са твърди вещества.<ref name="Киркова" /> Всички те съществуват в полимерна структура [HfX<sub>6</sub>], а температурата им на топене нараства с увеличаване на поредния номер на халогена.

HfF<sub>4</sub> се синтезира при флуориране на хафниев тетрахлорид с безводна флуороводородна киселина.<ref name="Киркова" /> С разредена [[Флуороводородна киселина|HF]] образува хидрати. С алкални флуори комплексообразува до M<sup>I</sup><sub>4</sub>[HfF<sub>8</sub>] при пълно координационно насищане на свободните ''d''-орбитали.

HfCl<sub>4</sub> и HfBr<sub>4</sub> се поучават чрез редукция на диоксида с въглерод и последващо взаимодействие с халогена:

<chem>HfO2 + 2C + 2Br2 -> HfBr4 + 2CO</chem>,

а HfI<sub>4</sub> се синтезира по реакцията:

<math chem>\ce{3HfO2 + 4AlI3} \xrightarrow{\mathrm{130~-~140~ ^\circ C}} \ce{3HfI4 + 2Al2O3}</math>.

=== Соли ===
Тъй като във воден разтвор не съществуват простите йони Hf<sup>4+</sup>, се наблюдават комплексообразувателни и хидролизни процеси. Солите на кислородсъдържащи киселини се получават от HfCl<sub>4</sub> и съответния оксид анхидрид:

<chem>HfCl4 + 4SO3 -> Hf(SO4)2 + 2SO2Cl2</chem>.

Тези соли могат да образуват анионни комплекси при взаимодействие с [[Диводороден пероксид|H<sub>2</sub>O<sub>2</sub>]].

== Получаване ==
Производството на метала не може да се получи от оксдните минерали чрез редукция с въглерод, защото при тези условия се синтезират карбиди.<ref name="Киркова">{{Cite book|title=Химия на елементите и техните съединения|last=Киркова|first=Елена|publisher=Университетско издателство „Св. Климент Охридски“|year=2013|isbn=978-954-07-3504-7|location=София|pages=483 – 492}}</ref>

Металът се получава основно като страничен продукт от производството на Zr.<ref name="Лефтеров" /> Това отделяне е трудно поради много сходните им химични свойства. Първоначално е използвана фракционна дестилация на амониево-флуоридни соли или на хлоридите на двата метала. В много чисто състояние елементът се получава чрез транспортни реакции. Методът е използван за първи път от Ван Аркел и Де Бур през 1922 г. и се състои в отделяне на метала чрез летливо негово съединение от едно до друго място в реакционния съд, където летливото съединение се разлага.<ref name="Киркова" /> След 1940 г. са открити нови методи, като широко разпространена е течно-течната екстракция, която толерира множество разтвори. Крайният продукт от разделянето е HfCl<sub>4</sub>. От изчистения хлорид се получава хафний чрез редукция с магнезий, калций или натрий при 900 – 1100&nbsp;°C:<ref name="Лефтеров" />

<chem>HfCl4 + 2Mg -> 2MgCl2 + Hf</chem>.

Следва пречистване в затворен съд с йод при 500&nbsp;°C:

<chem>Hf + 2I2 -> HfI4</chem>,

последвано от разлагане върху волфрамова жица при 1700&nbsp;°C:

<chem>HfI4 -> Hf + 2I2</chem>.

== Приложение ==
{{Раздел-мъниче}}
От хафний се произвеждат електроди за изправителни и газоразрядни тръби.<ref name="Лефтеров" />

Хафният образува множество сплави с различни метали, но не образува амалгами.<ref name="Киркова" /> В ракетната и космическата техника за изработването на горивни камери в ракетните двигатели и за обшивки на космическите кораби се използват сплави на хафний с [[Ta]], [[Волфрам|W]], [[Mo]]. Сплави на [[Nb]] с Hf (10% или 40%) се използват за детайли в реактивните самолети. Сплавта от 20% HfC и 80%TiC се топи при 4300&nbsp;°C, което я прави най-високотопимото вещество от всичси известни материали.

HfO<sub>2</sub> е компонент в специални стъкла и добавка (0,1 – 3%) към волфрама в жичките на електрическите крушки, за да се удължи срокът на употребата им.

== Източници ==
<references />

{{Периодична система}}

[[Категория:Химични елементи]][[Категория:Преходни метали]]
[[Категория:Преходни метали]]