Hafn

Hafn (Hf, łac. hafnium) – pierwiastek chemiczny, metal przejściowy. Nazwa pochodzi od łacińskiej nazwy Kopenhagi „Hafnia”, gdzie został odkryty.

Hafn

lutet ← hafn → tantal
Zr ↑ Hf ↓ Rf 72 Hf
Wygląd
srebrzysty
Widmo emisyjne hafnu
Ogólne informacje
Nazwa, symbol, l.a.	hafn, Hf, 72 (łac. hafnium)
Grupa, okres, blok	4, 6, d
Stopień utlenienia	IV
Właściwości metaliczne	metal przejściowy
Właściwości tlenków	amfoteryczne
Masa atomowa	178,49 ± 0,01[a][1]
Stan skupienia	stały
Gęstość	13 310 kg/m³
Temperatura topnienia	2233 °C[2]
Temperatura wrzenia	4603 °C[2]
Numer CAS	7440-58-6
PubChem	23986
Właściwości atomowe Promień • atomowy • walencyjny 155 (obl. 208) pm 150 pm Konfiguracja elektronowa [Xe]4f145d26s2 Zapełnienie powłok 2, 8, 18, 32, 10, 2 (wizualizacja powłok) Elektroujemność • w skali Paulinga • w skali Allreda 1,3 1,23 Potencjały jonizacyjne I 658,5 kJ/mol II 1440 kJ/mol III 2250 kJ/mol
Właściwości fizyczne Ciepło parowania 575 kJ/mol Ciepło topnienia 24,06 kJ/mol Ciśnienie pary nasyconej 1,13×10−3 Pa (2500 K) Konduktywność 3,12×106 S/m Ciepło właściwe 140 J/(kg·K) Przewodność cieplna 23 W/(m·K) Układ krystalograficzny heksagonalny Twardość • w skali Mohsa 5,5 Prędkość dźwięku 3010 m/s (293,15 K) Objętość molowa 13,44×10−6 m³/mol
Najbardziej stabilne izotopy izotop wyst. o.p.r. s.r. e.r. MeV p.r. 172Hf {syn.} 1,87 roku w.e. 0,350 172Lu 174Hf 0,162% 2×1015 lat α 2,495 170Yb 176Hf 5,206% stabilny izotop z 104 neutronami 177Hf 18,606% stabilny izotop z 105 neutronami 178Hf 27,297% stabilny izotop z 106 neutronami 179Hf 13,269% stabilny izotop z 107 neutronami 180Hf 35,1% stabilny izotop z 108 neutronami 181Hf {syn.} 42,4 dnia β− 1,027 181Ta 182Hf {syn.} 9×106 lat β− 0,373 182Ta
Niebezpieczeństwa Karta charakterystyki: dane zewnętrzne firmy Sigma-Aldrich [dostęp 2011-10-04] Globalnie zharmonizowany system klasyfikacji i oznakowania chemikaliów Na podstawie podanej karty charakterystyki Niebezpieczeństwo Zwroty H H228 Zwroty P P210 NFPA 704 Na podstawie podanego źródła[3] 3 1 3
Jeżeli nie podano inaczej, dane dotyczą warunków normalnych (0 °C, 1013,25 hPa)

Odkrywcami hafnu są György von Hevesy z Węgier i Dirk Coster z Holandii. Został odkryty w 1922 roku. O odkryciu poinformował Niels Bohr w przemówieniu wygłoszonym 11 grudnia 1922 roku, w związku z otrzymaniem Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki. Odkrycia hafnu dokonano dzięki wykorzystaniu założeń teorii budowy atomu Bohra i było ono jednocześnie dowodem trafności tej teorii. Pierwsza publikacja, informująca o odkryciu hafnu ukazała się 2 stycznia 1923 roku^[4].

Hafn występuje w przyrodzie zawsze wspólnie z bardzo podobnym do niego pod względem chemicznym cyrkonem. W związku z tym niemal niemożliwe jest wyizolowanie próbki jednego pierwiastka bez domieszki drugiego. Zawierający 2% cyrkonu hafn uważany jest za bardzo czysty, podobna tolerancja obowiązuje dla cyrkonu. Hafn występuje w skorupie ziemskiej w ilości 5,3 ppm (wagowo). Jego najważniejszym minerałem jest alwit (Hf, Th, Zr)SiO₄∙xH₂O. Węglik hafnu HfC ma bardzo wysoką temperaturę topnienia, powyżej 3890 °C, a stop węgliku hafnu i węgliku tantalu (Ta₄HfC₅) ma jedną z najwyższych znanych temperatur topnienia: 3990 °C^[5].

Zastosowanie

Z uwagi na wysokie pochłanianie neutronów termicznych (600 razy większe od cyrkonu) stosowany jest w cermetalach na pręty regulacyjne reaktorów jądrowych^[6].

Hafn był wykorzystywany w rodzinie procesorów Intela Penryn, jako izolacja tranzystorów (wykonywanych w technologii MOSFET) pozwalająca zachować stabilność przetwarzania informacji – obniżyć stopę błędów. Stosowanie dwutlenku hafnu HfO₂ zamiast typowego dwutlenku krzemu SiO₂ podyktowane jest wysoką wartością jego stałej dielektrycznej, dzięki czemu zmniejsza się „wyciekanie” elektronów (zjawisko tunelowe) przez bardzo cienkie warstwy izolatora^[7]. Stosuje się go również w elektrodach wykorzystywanych w cięciu plazmowym^[8].

Uwagi

1. Podana wartość stanowi przybliżoną standardową względną masę atomową (ang. abridged standard atomic weight) publikowaną wraz ze standardową względną masą atomową, która wynosi 178,486 ± 0,006. Znane są próbki geologiczne, w których pierwiastek ten ma skład izotopowy odbiegający od występującego w większości źródeł naturalnych. Masa atomowa pierwiastka w tych próbkach może więc różnić się od podanej w stopniu większym niż wskazana niepewność. Zob. Prohaska i in. 2021 ↓, s. 584.