Hafnium er et grunnstoff som er et sølvhvitt, mykt og smibart metall med et svært høyt smeltepunkt (2503 °C). Hafnium brukes i kontrollstaver i kjernereaktorer og som tilsetning i høytemperaturlegeringer.
hafnium
Hafnium brukes i kontrollstaver
Hafnium og zirkonium brukes begge i kjernereaktorer. Hafnium absorberer nøytroner meget effektivt og 500 ganger bedre enn zirkonium. Hafnium brukes derfor som absorpsjonsmateriale i kontrollstavene i reaktorene. Det er viktig at hafniumet som brukes er rent og fritt for zirkonium.
Hafniummetall med høy grad av renhet brukes også som legeringsgrunnstoff i høytemperaturlegeringer, for eksempel i romfartsindustrien og i turbinblader brukt i gassturbiner. Hafnium blir i tillegg brukt som getter i høyvakuumteknikk.
I naturen forekommer hafnium i zirkoniummineraler. Grunnen er at hafnium og zirkonium er veldig like. De har samme valenselektron-konfigurasjon og omtrent samme størrelse. Et eksempel på et zirkoniummineral som inneholder hafnium er zirkon, og dets varianter alvitt og malakon.
Andre viktige hafniumholdige mineraler er hafniumsilikatet hafnon, HfSiO4, og thortveititt.
Beregninger som er gjort av gjennomsnittlig konsentrasjon av hafnium i jordskorpen viser verdier fra 3,3 til 5,8 ppm ( 0,00033 til 0,00058 vektprosent).
Hafnium har ingen kjent biologisk rolle og absorberes i liten grad av kroppen. Grenseverdien for hafnium i arbeidsatmosfære er 0,5 mg/m³.
Den russiske kjemikeren Dmitrij Mendelejev forutsa at det fantes et grunnstoff under zirkonium i periodesystemet. I 1911 mente franskmannen Georges Urbain å ha funnet grunnstoffet blant de sjeldne jordartene, men Henry Moseley påviste fra røntgenspekteret at dette ikke kunne være riktig. Den danske fysikeren Niels Bohr foreslo i 1922 på grunnlag av sin atomteori at det riktige stedet å lete var blant zirkonmineraler.
I 1923 fant hollandske Dirk Coster og ungarske George de Hevesy, som da arbeidet ved Bohrs institutt ved Københavns Universitet, det nye grunnstoffet i et zirkoniumholdig mineral fra Norge. De foreslo å kalle grunnstoffet hafnium etter det latinske navnet for København, Hafnia.
Omtrent samtidig fant også Victor Moritz Goldschmidt hafnium i et mineral fra Hidra (malakon) og et fra Kragerø. Goldschmidt publiserte imidlertid resultatene senere enn Coster og de Hevesy.
Kommersielt fremstilles hafnium fra konsentrater av mineralet zirkon som inneholder 0,5–2 prosent hafnium. Zirkonium og hafnium har nesten like kjemiske egenskaper, og dette gjør det vanskelig å skille de to grunnstoffene fra hverandre. Mulige separasjonsmetoder inkluderer ionebytting, ekstraksjon og fraksjonert destillasjon av flyktige forbindelser.
I dag skilles for det meste hafnium fra zirkonium ved væske-væske-ekstraksjon. Dette gjøres ved at tetrakloridene ZrCl4 og HfCl4 løses i vann. Den vandige løsningen av disse tilsettes så et organisk stoff, metylisobutylketon, som virvles sammen med vannet. De to væskefasene er ikke blandbare, men ZrCl4 er mer løselig i vann enn i det organiske stoffet, og det motsatte er tilfelle for HfCl4. Denne prosessen sørger derfor for at hafniumforbindelsen dras ut av vannet, slik at når de to væskene skilles, separeres hafnium- og zirkoniumforbindelsene. Det kan være nødvendig å gjenta prosessen for at det endelige produktet skal ha ønsket kvalitet.
Selve hafniummetallet blir fremstilt ved å redusere hafniumtetraklorid, HfCl4, med magnesiummetall via krollprosessen, eller med natriummetall.
Inntil 1940-tallet ble hafnium og zirkonium skilt ved å varme opp stoffet til det smeltet. Fordi hafnium har høyest smeltepunkt, vil det krystallisere først ved avkjøling. Hafnium har omtrent dobbelt så stor tetthet som zirkonium, så derfor vil krystallene som dannes synke til bunns, og da er separasjonen enkel.
I 2020 var verdens samlede produksjon av hafnium 84 tonn. Produksjonen av hafnium med meget høy grad av renhet var 34 tonn. De største produsentlandene er Frankrike og USA som til sammen står for nær 90 prosent av årsproduksjonen. Reservene av hafnium er anslått til mer enn 1 million tonn. Da hafnium er et biprodukt av zirkoniumproduksjon, blir også anslåtte reserver av hafnium knyttet til forekomster av zirkonium, som i stor grad finnes i Australia og Sør-Afrika.
Hafnium tilhører gruppe 4 i periodesystemet. Det vanligste ionet av hafnium er Hf4+.
Ved normale temperaturer er metallisk hafnium svært korrosjonsbestandig, fordi det dekkes med en tynn film av oksidet HfO2. Finfordelt hafnium er pyrofort og antennes spontant i luft. Metallet er løselig i flussyre og konsentrert svovelsyre, men blir passivisert av en HfO2-film i salpetersyre.
Hafnium har et svært høyt smeltepunkt på 2503 °C. Det høye smeltepunktet gjør at hafniummetall må smeltes ved lysbuesmelting under argon eller ved elektronstrålesmelting i høyvakuum.
Flere hafniumforbindelser har høye smeltepunkter, til dels de høyeste som er kjent:
Disse forbindelsene er derfor av stor interesse som høytemperaturmaterialer.
Kommentarer
Kommentarer til artikkelen blir synlig for alle. Ikke skriv inn sensitive opplysninger, for eksempel helseopplysninger. Fagansvarlig eller redaktør svarer når de kan. Det kan ta tid før du får svar.
Du må være logget inn for å kommentere.