HAFNIUM: खोज, संरचना, गुण, उपयोग, जोखिम - रसायन विज्ञान - 2025

हेफ़नियम एक संक्रमण धातु जिसका रासायनिक प्रतीक Hf और 72. के एक परमाणु संख्या है यह आवर्त सारणी के समूह 4, किया जा रहा है congener टाइटेनियम और zirconium के तीसरे तत्व है। उत्तरार्द्ध के साथ यह कई रासायनिक गुणों को साझा करता है, जो पृथ्वी की पपड़ी के खनिजों में एक साथ स्थित है।

हफ़नियम की तलाश में है कि जिरकोनियम कहाँ है, क्योंकि यह इसके निष्कर्षण का एक उप-उत्पाद है। इस धातु का नाम लैटिन शब्द 'हफ़निया' से आया है, जिसका अर्थ कोपनहेगन के नाम से आता है, एक ऐसा शहर जहां इसे जिरकोन खनिजों में खोजा गया था और इसकी वास्तविक रासायनिक प्रकृति के बारे में विवाद समाप्त हो गया था।

धातुई हेफ़नियम नमूना। स्रोत: रासायनिक तत्वों की हाई-रेज छवियां

हाफ़नियम एक धातु है जो सामान्य बुद्धि में किसी का ध्यान नहीं जाता है, वास्तव में कुछ लोगों ने इसके बारे में पहले भी सुना है। यहां तक ​​कि कुछ रसायनों के बीच यह एक असामान्य तत्व है, इसकी उच्च उत्पादन लागत के कारण, क्योंकि इसके अधिकांश अनुप्रयोगों में जिरकोनियम इसे बिना किसी समस्या के स्थानापन्न कर सकता है।

यह धातु पृथ्वी पर यहां खोजे गए सबसे स्थिर तत्वों में से अंतिम होने का गौरव प्राप्त करती है; दूसरे शब्दों में, अन्य खोजों ने अति-भारी, रेडियोधर्मी तत्वों और / या कृत्रिम समस्थानिकों की एक श्रृंखला का गठन किया है।

हाफ़नियम यौगिक टाइटेनियम और ज़िरकोनियम के अनुरूप होते हैं, जिनमें ऑक्सीकरण संख्या +4 प्रबल होती है, जैसे कि HfCl ₄, HfO ₂, HfI ₄ और HfBr ₄ । उनमें से कुछ अब तक बनाई गई सबसे दुर्दम्य सामग्रियों की सूची में सबसे ऊपर हैं, साथ ही महान थर्मल प्रतिरोध के मिश्र भी हैं और यह न्यूट्रॉन के उत्कृष्ट अवशोषक के रूप में भी कार्य करते हैं।

इस कारण से हेफ़नियम में परमाणु रसायन विज्ञान में बहुत अधिक भागीदारी है, विशेष रूप से दबाव वाले रिएक्टरों के संबंध में।

खोज

संक्रमण या दुर्लभ पृथ्वी धातु

हेफ़नियम की खोज विवाद से घिरी थी, बावजूद इसके अस्तित्व की भविष्यवाणी 1869 के बाद से मेंडेलीव की आवर्त सारणी के कारण की गई थी।

समस्या यह थी कि यह जिरकोनियम के नीचे स्थित था, लेकिन यह दुर्लभ पृथ्वी तत्वों की इसी अवधि में मेल खाता था: लैंथनोइड्स। उस समय केमिस्ट यह नहीं जानते थे कि यह एक संक्रमण धातु या एक दुर्लभ पृथ्वी धातु है।

फ्रांसीसी रसायनज्ञ जार्ज उरबैन, जो कि हैफ्टियम के पड़ोसी धातु, ल्यूटेटियम के खोजकर्ता थे, ने दावा किया कि 1911 में तत्व 72 की खोज की थी, जिसे उन्होंने सेल्टियम कहा और घोषणा की कि यह एक दुर्लभ पृथ्वी धातु थी। लेकिन तीन साल बाद यह निष्कर्ष निकाला गया कि उनके परिणाम गलत थे, और उन्होंने केवल लैंथनोइड के मिश्रण को अलग कर दिया था।

यह तब तक नहीं था जब तक तत्वों को उनके परमाणु संख्याओं का आदेश नहीं दिया गया था, 1914 में हेनरी मोस्ले के काम के लिए धन्यवाद, कि लुटेटियम और तत्व 72 के बीच के पड़ोस को सबूत में डाल दिया गया था, जब मेंडेलीव की भविष्यवाणियों के साथ सहमति व्यक्त की गई थी। धातु जैसे ही समूह टाइटेनियम और जिरकोनियम।

कोपेनहेगन में जांच

1921 में, नील्स बोहर के परमाणु संरचना के अध्ययन और तत्व 72 के लिए एक्स-रे उत्सर्जन स्पेक्ट्रम की उनकी भविष्यवाणी के बाद, दुर्लभ पृथ्वी खनिजों में इस धातु की खोज बंद कर दी गई थी; इसके बजाय, उन्होंने जिरकोनियम खनिजों पर अपनी खोज को केंद्रित किया, क्योंकि दोनों तत्वों ने विभिन्न रासायनिक गुणों को साझा किया होगा।

डेनिश रसायनज्ञ डिर्क कॉस्टर और 1923 में हंगेरियन केमिस्ट जॉर्ज वॉन हेवेसी ने नॉर्वे और ग्रीनलैंड से जिक्रोन के नमूनों में नील्स बोहर द्वारा भविष्यवाणी की गई स्पेक्ट्रम को पहचानने में कामयाब रहे। कोपेनहेगन में खोज करने के बाद, उन्होंने इस शहर के लैटिन नाम से तत्व 72 कहा: हफ़निया, जहां से बाद में इसे 'हफ़नियम' प्राप्त किया गया था।

अलगाव और उत्पादन

हालांकि, ज़िरकोनियम से हेफ़नियम परमाणुओं को अलग करना एक आसान काम नहीं था, क्योंकि उनके आकार समान हैं और वे उसी तरह से प्रतिक्रिया करते हैं। हालांकि 1924 में हफ़नियम टेट्राक्लोराइड, HfCl ₄ को प्राप्त करने के लिए एक भिन्नात्मक क्रिस्टलीकरण विधि तैयार की गई थी, लेकिन यह डच रसायनज्ञ एंटोन एडुअर्ड वैन अर्केल और जान हेंड्रिक डी बोअर थे जिन्होंने इसे हफ़नियम धातु में घटा दिया था।

इसके लिए, HfCl ₄ को धातु मैग्नीशियम (क्रोल प्रक्रिया) का उपयोग करके कमी के अधीन किया गया था।

HfCl ₄ + 2 Mg (1100 ° C) → 2 MgCl ₂ + Hf

दूसरी ओर, Hfnium tetraiodide, HfI ₄ से शुरू, यह एक गरमागरम टंगस्टन फिलामेंट पर थर्मल अपघटन से गुजरने के लिए वाष्पीकृत था, जिस पर एक पॉलीक्रिस्टलाइन उपस्थिति (क्रिस्टलीय बार की प्रक्रिया) के साथ एक बार का उत्पादन करने के लिए धातु के हेफ़नियम को जमा किया गया था। अर्केल- डी बोअर प्रक्रिया):

HfI ₄ (1700 ° C) → Hf + 2 I ₂

हफ़नियम संरचना

हेफ़नियम परमाणु, एचएफ, एक कॉम्पैक्ट हेक्सागोनल संरचना, एचसीपी के साथ क्रिस्टल में परिवेशी दबाव पर एक साथ टकराते हैं, जैसा कि धातुएं टाइटेनियम और ज़िरकोनियम करते हैं। यह एचसीपी हेफ़नियम क्रिस्टल इसका α चरण बन जाता है, जो 2030 K के तापमान तक स्थिर रहता है, जब यह β चरण में एक संक्रमण से गुजरता है, शरीर में घन संरचना के साथ bcc।

यह समझा जाता है अगर यह माना जाता है कि गर्मी क्रिस्टल को "आराम" करती है और इसलिए, एचएफ परमाणु अपने संघनन को कम करने के लिए इस तरह से खुद को स्थिति में लाना चाहते हैं। ये दो चरण हेफ़नियम के बहुरूपता पर विचार करने के लिए पर्याप्त हैं।

इसी तरह, यह एक बहुरूपता प्रस्तुत करता है जो उच्च दबावों पर निर्भर करता है। Α और चरण 1 एटीएम के दबाव में मौजूद होते हैं; जब चरण, हेक्सागोनल लेकिन साधारण एचसीपी की तुलना में अधिक संकुचित होता है, तब प्रकट होता है जब दबाव 40 GPa से अधिक हो जाता है। दिलचस्प है, जब दबाव बढ़ता रहता है, तो the चरण, कम से कम घना, फिर से दिखाई देता है।

गुण

भौतिक उपस्थिति

सिलवरी-सफ़ेद ठोस, जो अगर ऑक्साइड और नाइट्राइड कोटिंग है, तो डार्क टोन दिखाता है।

अणु भार

178.49 ग्राम / मोल

गलनांक

2233 º सी

क्वथनांक

4603 ºC है

घनत्व

कमरे के तापमान पर: 13.31 ग्राम / सेमी ³, जिरकोनियम के रूप में दो बार घने होने के नाते

पिघलने बिंदु पर सही: 12 ग्राम / सेमी ³

फ्यूजन की गर्मी

27.2 kJ / मोल

वाष्पीकरण का ताप

648 केजे / मोल

वैद्युतीयऋणात्मकता

1.3 पॉलिंग पैमाने पर

आयनीकरण ऊर्जा

पहला: 658.5 kJ / mol (Hf ⁺ गैसीय)

दूसरा: 1440 kJ / mol (Hf ²⁺ गैसीय)

तीसरा: 2250 kJ / mol (Hf ³⁺ गैसीय)

ऊष्मीय चालकता

23.0 डब्ल्यू / (एमके)

विधुतीय प्रतिरोधकर्ता

331 nΩ मी

मोह कठोरता

5.5

जेट

जब तक धातु को पॉलिश और जलाया नहीं जाता है, तब तक 2000 डिग्री सेल्सियस के तापमान पर चिंगारी निकलती है, इसमें जंग या खुरचना की कोई संवेदनशीलता नहीं होती है, क्योंकि इसके ऑक्साइड की एक पतली परत इसकी रक्षा करती है। इस अर्थ में, यह सबसे स्थिर धातुओं में से एक है। वास्तव में, न तो मजबूत एसिड और न ही मजबूत आधार इसे भंग कर सकते हैं; हाइड्रोफ्लोरिक एसिड के अपवाद के साथ, और यह ऑक्सीकरण करने में सक्षम हैलोजेन।

इलेक्ट्रोनिक विन्यास

हेफ़नियम परमाणु में निम्नलिखित इलेक्ट्रॉनिक विन्यास है:

4f ¹⁴ 5d ² 6s ²

यह आवर्त सारणी के समूह 4 से संबंधित तथ्य के साथ मेल खाता है, टाइटेनियम और जिरकोनियम के साथ, क्योंकि इसमें 5d और 6s कक्षाओं में चार वैलेंस इलेक्ट्रॉन हैं। यह भी ध्यान दें कि हेफ़नियम एक लैंथेनॉइड नहीं हो सकता है, क्योंकि इसके 4f ऑर्बिटल्स पूरी तरह से भरे हुए हैं।

ऑक्सीकरण संख्या

एक ही इलेक्ट्रॉन विन्यास से पता चलता है कि कितने इलेक्ट्रॉनों एक हेफ़नियम परमाणु सैद्धांतिक रूप से एक परिसर के हिस्से के रूप में खोने में सक्षम है। यह मानते हुए कि यह अपने चार वैलेंस इलेक्ट्रॉनों को खो देता है, यह एक tetravalent cation Hf ⁴⁺ (टीवाई ⁴⁺ और Zr ^{4+ के} अनुरूप) के रूप में बना रहेगा, और इसलिए इसका ऑक्सीकरण संख्या +4 होगा।

यह वास्तव में इसकी ऑक्सीकरण संख्या का सबसे स्थिर और सामान्य है। अन्य कम प्रासंगिक हैं: -2 (एचएफ ^2-), +1 (एचएफ ⁺), +2 (एचएफ ²⁺) और +3 (एचएफ ³⁺)।

आइसोटोप

Hafnium पृथ्वी पर पाँच स्थिर समस्थानिकों और एक रेडियोधर्मी के रूप में बहुत लंबे जीवनकाल के साथ होता है:

- ¹⁷⁴ Hf (0.16%, 2 · 10 ¹⁵ साल के औसत जीवन समय के साथ, इसलिए इसे व्यावहारिक रूप से स्थिर माना जाता है)

- ¹⁷⁶ एचएफ (5.26%)

- ¹⁷⁷ एचएफ (18.60%)

- ¹⁷⁸ एचएफ (27.28%)

- ¹⁷⁹ एचएफ (13.62%)

- ¹⁸⁰ एचएफ (35.08%)

ध्यान दें कि ऐसा कोई आइसोटोप नहीं है जो बहुतायत में बाहर खड़ा है, और यह हैफनीियम के औसत परमाणु द्रव्यमान में परिलक्षित होता है, 178.49 एमू।

हेफ़नियम के सभी रेडियोधर्मी समस्थानिकों में से, जो प्राकृतिक के साथ मिलकर कुल मिलाकर 34, ^{178 मी 2} एचएफ सबसे विवादास्पद है क्योंकि इसके रेडियोधर्मी क्षय में यह गामा विकिरण छोड़ता है, यही कारण है कि इन परमाणुओं को युद्ध के हथियार के रूप में इस्तेमाल किया जा सकता है ।

अनुप्रयोग

परमाणु प्रतिक्रियाएँ

हफ़नियम नमी और उच्च तापमान के लिए एक धातु प्रतिरोधी है, साथ ही न्यूट्रॉन का एक उत्कृष्ट अवशोषक भी है। इस कारण से, इसका उपयोग दबाव वाले पानी के रिएक्टरों में और साथ ही परमाणु रिएक्टरों के लिए नियंत्रण छड़ों के निर्माण में किया जाता है, जिनके कोटिंग में वे अल्ट्रा-प्योर जिरकोनियम से बने होते हैं, क्योंकि इसके माध्यम से न्यूट्रॉन को संचारित करने में सक्षम होना चाहिए। ।

मिश्र

अलग-अलग मिश्र धातुओं को जन्म देने के लिए हाफ़नियम परमाणु अन्य धातु के क्रिस्टल को एकीकृत कर सकते हैं। ये सख्त और ऊष्मीय प्रतिरोधी होने की विशेषता रखते हैं, यही वजह है कि वे अंतरिक्ष अनुप्रयोगों के लिए अभिप्रेत हैं, जैसे कि रॉकेट के लिए इंजन नोजल का निर्माण।

दूसरी ओर, कुछ मिश्र धातुओं और ठोस हेफ़नियम यौगिकों में विशेष गुण होते हैं; जैसे कि इसके कार्बाइड और नाइट्राइड, एचएफसी और एचएफएन, क्रमशः, जो अत्यधिक दुर्दम्य सामग्री हैं। 4215 डिग्री सेल्सियस के पिघलने बिंदु के साथ टैंटलम हेफ़नियम कार्बाइड, टा ₄ एचएफसी ₅, अब तक ज्ञात सबसे दुर्दम्य सामग्रियों में से एक है।

कटैलिसीस

पॉलीइथाइलीन और पॉलीस्टायर्न जैसे पॉलिमर के संश्लेषण के लिए कार्बनिक उत्प्रेरक के रूप में हाफ़नियम मेटेलोकेन का उपयोग किया जाता है।

जोखिम

यह ज्ञात नहीं है कि Hf ⁴⁺ आयनों का हमारे शरीर पर क्या प्रभाव हो सकता है । दूसरी ओर, क्योंकि वे ज़िरकोनियम खनिजों में प्रकृति में पाए जाते हैं, इसलिए उन्हें पर्यावरण में अपने लवण को जारी करके पारिस्थितिक तंत्र को बदलने के लिए नहीं माना जाता है।

हालांकि, देखभाल के साथ हेफ़नियम यौगिकों को संभालने की सिफारिश की जाती है, जैसे कि वे विषाक्त थे, भले ही कोई चिकित्सा अध्ययन न हो जो साबित करते हैं कि वे स्वास्थ्य के लिए हानिकारक हैं।

हेफ़नियम का वास्तविक खतरा इसके ठोस के सूक्ष्म कणों में निहित है, जो हवा में ऑक्सीजन के संपर्क में आने पर बमुश्किल जल सकता है।

यह बताता है कि क्यों पॉलिश किया जाता है, एक ऐसी क्रिया जो इसकी सतह को खुरचती है और शुद्ध धातु के कणों को छोड़ती है, जलती हुई चिंगारियों को 2000;C के तापमान के साथ छोड़ा जाता है; अर्थात्, हेफ़नियम में पायरोफोरैसिस है, एकमात्र संपत्ति जो आग या गंभीर जलता है, जोखिम उठाती है।

संदर्भ

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