هفنيوم

المقالة الرئيسية: نظائر الهفنيوم
نظ	ت.ط.	عمر النصف	طر.إ.	طا.إ.MeV	ن.إ.
¹⁷²Hf	syn	1.87 y	ε	0.350	¹⁷²Lu
¹⁷⁴Hf	0.162%	2×10¹⁵ y	α	2.495	¹⁷⁰Yb
¹⁷⁶Hf	5.206%	Hf يكون ثابت وله 104 نيوترون
¹⁷⁷Hf	18.606%	Hf يكون ثابت وله 105 نيوترون
¹⁷⁸Hf	27.297%	Hf يكون ثابت وله 106 نيوترون
^178m2Hf	syn	31 y	IT	2.446	¹⁷⁸Hf
¹⁷⁹Hf	13.629%	Hf يكون ثابت وله 107 نيوترون
¹⁸⁰Hf	35.1%	Hf يكون ثابت وله 108 نيوترون
¹⁸²Hf	syn	9×10⁶ y	β	0.373	¹⁸²Ta

المراجع

هفنيوم Hafnium (ونطقه حسب IPA: /ˈhæfniəm/) هو عنصر كيميائي في الجدول الدوري ورمز Hf وله رقم ذري 72. والهافنيوم فلز انتقالي براق، رمادي فضي رباعي التكافؤ. الهافنيوم يشابه كيميائياً الزركنيوم ويتواجد في أملاح الزركونيوم. ويستخدم الهافنيوم في سبائك التنجستن في الفتائل والإلكترودات ويعمل كممتص للنيوترونات في قضبان التحكم في مفاعلات الطاقة النووية.

وهو معدن له مظهر الفولاذ، رمزه الكيمياوي Hf، عدده الذري 72؛ وهو أحد عناصر الفصيلة الثانوية IVB (أو 4) التي تضم إضافة إليه التيتانيوم والزركونيوم والرذرفورديوم. تحوي ذرته في طبقتها الإلكترونية الخارجية الكترونين s وفي الطبقة التي تليها إلكترونين d. وعليه فإن تكافؤه يجب أن يأخذ - نظرياً- القيم من 1 إلى 4؛ إلا أن هذا لا يتحقق عملياً إذ لا تعرف للهفنيوم في تكافؤاته 1 و2 و3 سوى مركبات قليلة العدد. فثبات التكافؤات الدنيا يتناقص من التيتانيوم حتى الهفنيوم مع ازدياد ثبات التكافؤ (4). كما تتناقص شدة الخاصة الحمضية لأكاسيدها بالترتيب نفسه مع ازدياد الخاصة الأساسية.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

الخصائص

الخصائص الفيزيائية

فلز الهافنيوم

الخصائص الكيميائية

ثاني أكسيد الهفنيوم

درجة أكسدته الأثبت +4، وتتأكسد مركّباته بدرجات الأكسدة الأخرى (+2 و+3) بسرعة متحولة إلى MIV بفعل الهواء أو الماء أو مواد أخرى. وتكون الطاقة اللازمة لإزاحة أربعة إلكترونات كبيرة؛ لذا لا وجود للأيون M+4، فمركّباته بدرجة الأكسدة +4 ذات طبيعة مشتركة.

لذرتي الهفنيوم والزركونيوم نصفا قطر متماثلان، كما أن لأيونيها نصفي قطر متماثلين لانكماش نصف القطر الذري الحاصل في زمرة اللانتانيوم. لذلك كان السلوك الكيمياوي لهما متشابهاً لدرجة كبيرة، فهما يتشابهان أكثر من أي عنصرين آخرين في الجدول الدوري.

الهفنيوم خامل كيمياوياً عند الدرجة العادية من الحرارة. أما عند الدرجات المرتفعة فهو شديد النشاط؛ إذ لا يقتصر نشاطه على التفاعل مع الهالوجينات مكوناً الهاليدات MX4 والأكسجين والكبريت فقط، وإنما يتفاعل مع الكربون والآزوت (النتروجين) كذلك. وهو يحترق في جو من الأكسجين عند تسخينه إلى درجة التوهج (أعلى من 600 ْس).

الخصائص الكيميائية للهفنيوم.

النظائر

التواجد

Zircon crystal (2×2 cm) from Tocantins, Brazil

يصادف الهفنيوم غالباً في فلزات الزركونيوم بنسبة 1-3٪، والزركونيوم تبلغ نسبته في القشرة الأرضية 0.025٪ وزناً، ويأتي في المرتبة الخامسة والأربعين بسعة انتشاره بين العناصر في القشرة الأرضية.

الزركونيوم والهفنيوم متشابهان كيمياوياً شبهاً كبيراً، ولهذا فهما يحضّران معاً، ومن ثم يفصل أحدهما عن الآخر.

بنيته الإلكترونية [Xe]6s2 4f14 5d2 أو 2-8-18-32-10-2، كتلته الذرية النسبية: 178.49، كتلته الحجمية 13.31غ/سم3، درجة انصهاره 2222 ْس، درجة غليانه 5200 ْس، نصف قطر ذرته 158.05 بيكومتر، نصف قطر الأيون Hf4+ ن84 بيكومتر، وهو يقبل الطرق والسحب.

يستعمل الهفنيوم بسبب ارتفاع درجة انصهاره وشدة إشعاعه للإلكترونات في صنع مساري المصابيح الإلكترونية وأشرطة التوهج، كما أنه يدخل في تركيب سبائك ذات درجات انصهار عالية مع الحديد والنيكل، وهو يستعمل في التقانة الإلكترونية بسبب شدة تفاعله مع النترونات، ويستعمل أكسيده HfO2 لصنع زجاج ذي قرينة انكسار عالية. سبيكته Ta4HfC5 لها أعلى درجة انصهار بين المواد المعروفة جميعها (4215 ْس) وسبيكته (88٪ تنتاليوم و9.6٪ تنجستن و2.4٪ هفنيوم) غالية جداً؛ إذ إنها تستعمل في مجال واسع من درجات الحرارة.

الانتاج

Melted tip of a hafnium consumable electrode used in an ebeam remelting furnace

A lump of hafnium which has been oxidized on one side and exhibits thin film optical effects.

المركبات الكيميائية

الأكسيد HfO2 مادة بيضاء صعبة الانصهار والانحلال في الماء أو في الحموض والأسس الممددة. ينحل بسهولة في HF أو القلويات المصهورة. ولصعوبة انحلال الأكسيد MO2 في الماء لايمكن الحصول على الهدروكسيد Hf(OH)4 مباشرة، فيحصل عليه مثلاً بتفاعل القلويات مع الهاليدات مثل HfCl4، وتغلب على أكسيده الخواص الأساسية، فالهدروكسيد Hf(OH)4 ينحل في الحموض القوية.^[1]

هاليداته لها الصيغة العامة HfX4 ويحصل عليها بحرق مزيج من الأكسيد الموافق للمعدن مع الكربون في جو من الهالوجين. ويحدث التفاعل حسب المعادلة:

رباعي كلوريد الهفنيوم ملح نموذجي، وجميع هاليدات الهفنيوم تنحل جيداً بالماء باستثناء HfF4. وتكوِّن هاليداته جميعها معقدات[ر: المعقَّد] صيغتها العامة A2[HfX6] حيث A معدن أحادي التكافؤ. وهذه المعقدات تتبلور جيداً، وتتحلمه (تتحلل بالماء) أقل بكثير من الهاليدات البسيطة؛ مما يدل على ثبات الأيونات المعقّدة [MX6]2- في المحاليل. معقداته جميعها لا لون لها. وتتناقص درجة ثبات هاليداته ابتداء من الفلور حتى اليود. ويكوِّن الهفنيوم - إضافة إلى المعقَّدات A2[HfX6] - عقدات أخرى صيغتها: A3[HfF7] وA4[HfF8]، وA5[HfF9] حيث يكون العدد التساندي فيها 7 و8 و9 على الترتيب.

التاريخ

Photographic recording of the characteristic X-ray emission lines of some elements

اكتشفه عام 1923 الكيميائي المجري گيورگ ڤون هڤسي Georg von Hevesy ت(1885-1966) بالاشتراك مع الفيزيائي الهولندي ديرك كوستر Dirk Coster، وكان ذلك بعد قرن تقريباً من اكتشاف الزركونيوم عام 1789. وذلك بعد أن تنبأ نيلز بور Niels Bohr أن العنصر 72 سيشبه الزركونيوم في بنيته، ولذلك بحث مكتشفاه عنه في خامات الزركونيوم. واشتق اسمه من هافنيا Hafnia الاسم اللاتيني كوپنهاگن حيث اكتشف العنصر.

التطبيقات

المفاعلات النووية

يستخدم الهفنيوم مع الزركونيوم في المفاعلات النووية لتغطية أقطاب اليورانيوم.

السبائك

Hafnium-containing rocket nozzle of the Apollo Lunar Module in the lower right corner

المعالجات

استخدمات أخرى

السمية

معدن الهفنيوم لا يسبب أية اضطرابات، لكن مركباته يشار إليها على أنها سامة وبالرغم من ذلك فإن عوامل الخطورة محدودة. هذا المعدن غير قابل للذوبان في الماء، أو المحاليل الملحية (السلاين) أو في المواد الكيميائية بالجسد. التعرض لهذا المعدن من خلال التنفس أو التلامس عن طريق العين أو الجلد أو الطعام. التعرض المفرط لمعدن الهفنيوم أو مركباته يسبب استثارة معتدلة للأعين أو الجلد أو الغشاء المخاطى للحيوانات المعملية. لا توجد أية أعراض أو علامات للتعرض المزمن للهفنيوم للإنسان، أو حدوث حالات للتسمم إذا تم تناوله من خلال الأطعمة.^[2]: