הפניום: גילוי, מבנה, תכונות, שימושים, סיכונים - כִּימִיָה - 2025

הפניום הוא מתכת מעבר אשר סימול כימי הוא Hf ויש לו מספר אטומי 72. זה הוא המרכיב השלישי של קבוצה 4 של הטבלה המחזורית, טיטניום כמשלימתו להיות זירקוניום. עם האחרון הוא חולק תכונות כימיות רבות, ונמצא יחד במינרלים של קרום כדור הארץ.

בחיפוש אחר הפניום מסתכל היכן נמצא הזירקוניום, מכיוון שהוא תוצר לוואי של מיצויו. שמו של מתכת זו בא מהמילה הלטינית 'חפניה', שמשמעותה באה לשמה של קופנהגן, עיר בה התגלה במינרלים זירקוניים והמחלוקת ביחס לאופי הכימי האמיתי שלה הסתיימה.

מדגם הפניום מתכתי. מקור: תמונות Hi-Res של אלמנטים כימיים

הפניום הוא מתכת שלא מתבוננת באינטלקט הכללי, למעשה מעטים אנשים אפילו שמעו על זה בעבר. אפילו בקרב חלק מהכימיקלים זהו גורם נדיר, בין היתר בגלל עלות הייצור הגבוהה שלו, שכן ברוב היישומים שלו זירקוניום יכול להחליף אותו ללא שום בעיה.

מתכת זו נושאת את ההבחנה בהיותה האחרון מבין היסודות היציבים ביותר שהתגלו כאן על כדור הארץ; במילים אחרות, התגליות האחרות היוו סדרה של אלמנטים רדיואקטיביים כבדים ו / או איזוטופים מלאכותיים.

תרכובות הפניום מקבילות לאלה של טיטניום וזירקוניום, עם מספר חמצון של +4 השולט בהן, כמו HfCl ₄ , HfO ₂ , HfI ₄ ו- HfBr ₄ . חלקם בראש רשימת החומרים העקשניים ביותר שנוצרו אי פעם, כמו גם סגסוגות עם עמידות תרמית גבוהה ואשר משמשים גם כ בולמי נויטרונים מעולים.

מסיבה זו יש בהפניום השתתפות רבה בכימיה גרעינית, במיוחד בכל מה שקשור לכורים למים בלחץ.

תַגלִית

מעבר או מתכת אדמה נדירה

הגילוי של הפניום היה מוקף במחלוקת, על אף העובדה שקיימתו ניבאה כבר מאז 1869 בזכות הטבלה המחזורית של מנדלייב.

הבעיה הייתה שהוא היה ממוקם מתחת לזירקוניום, אך התרחש באותה תקופה של יסודות האדמה הנדירים: הלנטנואידים. כימאים באותה תקופה לא ידעו אם מדובר במתכת מעבר או במתכת אדמה נדירה.

הכימאי הצרפתי ז'ורז 'אורביין, מגלה הלוטטיום, מתכת בהיפניום שכנה, טען בשנת 1911 כי גילה את היסוד 72, אותו כינה סלטיום והכריז כי מדובר במתכת אדמה נדירה. אולם שלוש שנים לאחר מכן הגיעה למסקנה כי תוצאותיו שגויות, וכי הוא רק בודד תערובת של לנטנואידים.

רק לאחר היסוד של היסודות לפי המספר האטומי שלהם, בזכות עבודתו של הנרי מוסלי בשנת 1914, הוכנסה לשכונה בין לוטטיום ליסוד 72, תוך הסכמה לתחזיותיו של מנדלייב כאשר היסוד האחרון היה ממוקם ב אותה קבוצה כמו המתכות טיטניום וזירקוניום.

גילוי בקופנהגן

בשנת 1921, לאחר מחקריו של נילס בוהר על המבנה האטומי והחיזוי שלו לספקטרום פליטת הרנטגן עבור יסוד 72, הופסק החיפוש אחר מתכת זו במינרלים אדירים נדירים; במקום זאת, הוא מיקד את החיפוש במינרלים זירקוניום, מכיוון ששני האלמנטים כנראה היו בעלי תכונות כימיות שונות.

הכימאי הדני דירק קוסטר והכימאי ההונגרי גאורג פון היבסי בשנת 1923 הצליחו סוף סוף לזהות את הספקטרום שחזה נילס בוהר בדגימות זירקון מנורווגיה ו גרינלנד. לאחר שהתגלה בקופנהגן, הם כינו את היסוד 72 בשם הלטיני של העיר הזו: הפניה, שממנה נגזר מאוחר יותר 'הפניום'.

בידוד והפקה

עם זאת, זו לא הייתה משימה קלה להפריד את אטומי ההפניום מאלה של הזירקוניום, מכיוון שגדליהם דומים והם מגיבים באותה צורה. אף על פי ששיטת קריסטל שברנית הוקמה בשנת 1924 כדי להשיג הפניום טטרכלוריד, HfCl ₄ , היו אלה הכימאים ההולנדים אנטון אדוארד ואן ארקל וג'אן הנדריק דה בור שהפחיתו אותה למתכת הפניום.

לשם כך, HfCl ₄ היה נתון להפחתה באמצעות מגנזיום מתכתי (תהליך קרול):

HfCl ₄ + 2 מג (1100 מעלות צלזיוס) → 2 MgCl ₂ + Hf

לעומת זאת, החל מהפטניאודידיום הפנימי, HfI ₄ , הוא התאדה כדי לעבור פירוק תרמי על נימה טונגסטן ליבון, עליה הונח הפניום מתכתי כדי לייצר סרגל בעל מראה מפולי-קריסטלי (תהליך של הבר הגבישי או תהליך ארקל-דה בור):

HfI ₄ (1700 מעלות צלזיוס) → Hf + 2 I ₂

מבנה הפניום

אטומי ההפניום, Hf, מתכווצים זה לזה בלחץ הסביבה בגביש עם מבנה משושה קומפקטי, hcp, וכך גם המתכות טיטניום וזירקוניום. גביש הפניום hcp זה הופך לשלב ה- α שלו, שנשאר קבוע עד לטמפרטורה של 2030 K, כאשר הוא עובר מעבר לשלב ה- β, עם מבנה מעוקב במרכז הגוף, bcc.

זה מובן אם נחשב שהחום "מרפה" את הגביש, ולכן אטומי ה- Hf מבקשים למקם את עצמם באופן שיוריד את הדחיסה שלהם. די בשני שלבים אלה בכדי לשקול את הפולימורפיזם של הפניום.

כמו כן, הוא מציג פולימורפיזם התלוי בלחצים גבוהים. שלבי α ו- β קיימים בלחץ של 1 אטם; ואילו שלב ה-,, משושה אך קומפקטי אפילו יותר מ- hcp רגיל, מופיע כאשר הלחצים עולים על 40 GPa. מעניין, כאשר הלחצים ממשיכים לעלות, מופיע שלב ה- ß, הכי פחות צפוף.

נכסים

מראה חיצוני

מוצק לבן כסוף, המציג גוונים כהים אם יש לו ציפוי תחמוצת וניטריד.

מסה מולארית

178.49 גרם / מול

נקודת המסה

2233 מעלות צלזיוס

נקודת רתיחה

4603 מעלות צלזיוס

צְפִיפוּת

בטמפרטורת החדר: 13.31 גרם / ס"מ ³ , צפופה כפליים מזירקוניום

ממש בנקודת ההתכה: 12 גרם / ס"מ ³

חום של היתוך

27.2 ק"ג / מול

חום האידוי

648 ק"ג / מול

אלקטרונגטיביות

1.3 בסולם פאולינג

אנרגיות יינון

ראשית: 658.5 kJ / mol (Hf ⁺ גזי)

שני: 1440 kJ / mol (Hf ²⁺ גזי)

שלישית: 2250 kJ / mol (Hf ³⁺ גזי)

מוליכות תרמית

23.0 W / (mK)

התנגדות חשמלית

331 nΩ m

קשיות של מוהס

5.5

תגובתיות

אלא אם כן המתכת מלוטשת ונשרפת, ומפליטה ניצוצות בטמפרטורה של 2000 מעלות צלזיוס, אין לה שום רגישות לחלודה או לשחיקה, שכן שכבה דקה של תחמוצת שלה מגנה עליה. במובן זה, זו אחת המתכות היציבות ביותר. למעשה, לא חומצות חזקות ולא בסיסים חזקים יכולים להמיס אותה; למעט חומצה הידרפלואורית, והלוגנים המסוגלים לחמצן אותה.

תצורה אלקטרונית

לאטום הפניום יש את התצורה האלקטרונית הבאה:

4f ¹⁴ 5d ² 6s ²

זה עולה בקנה אחד עם העובדה של השתייכות לקבוצה 4 בטבלה המחזורית, יחד עם טיטניום וזירקוניום, מכיוון שיש לו ארבעה אלקטרונים של ערכיות במסלול ה 5d ו- 6s. כמו כן, שים לב שהפניום לא יכול היה להיות לנטנואיד, מכיוון שיש לו 4 אורביטלים מלאים לחלוטין.

מספרי חמצון

אותה תצורת אלקטרונים חושפת כמה אלקטרונים אטום הפניום מסוגל תיאורטית לאבד כחלק מתרכובת. בהנחה שהוא מאבד את ארבעת האלקטרונים של הערך שלו, הוא יישאר כקטיון טווטרוואלינט Hf ⁴⁺ (באנלוגיה ל- Ti ⁴⁺ ו- Zr ⁴⁺ ), ולכן יהיה לו מספר חמצון של +4.

זהו למעשה היציב והשכיח ביותר מבין מספר החמצון שלו. אחרים פחות רלוונטיים הם: -2 (Hf ^2- ), +1 (Hf ⁺ ), +2 (Hf ²⁺ ) ו- +3 (Hf ³⁺ ).

איזוטופים

הפניום מופיע על פני כדור הארץ כחמישה איזוטופים יציבים ואחד רדיואקטיבי עם אורך חיים ארוך מאוד:

- ¹⁷⁴ Hf (0.16%, עם זמן חיים ממוצע של 2 · 10 ¹⁵ שנים, כך שהוא נחשב יציב למעשה)

- ¹⁷⁶ Hf (5.26%)

- ¹⁷⁷ Hf (18.60%)

- ¹⁷⁸ Hf (27.28%)

- ¹⁷⁹ Hf (13.62%)

- ¹⁸⁰ Hf (35.08%)

שים לב כי אין איזוטופ שכזה בולט בשפע, וזה בא לידי ביטוי במסה האטומית הממוצעת של הפניום, 178.49 אמו.

מבין כל האיזוטופים הרדיואקטיביים של הפניום, שיחד עם הטבעיים מסתכמים בסך הכל 34, ^178m2 Hf הוא השנוי ביותר במחלוקת מכיוון שבירידה הרדיואקטיבית שלו הוא משחרר קרינת גאמה, ולכן האטומים הללו יכולים לשמש כנשק מלחמה .

יישומים

תגובות גרעיניות

הפניום הוא מתכת עמידה בפני לחות וטמפרטורות גבוהות, כמו גם להיות בולם מצוין של נויטרונים. מסיבה זו הוא משמש בכורים של מים בלחץ, כמו גם בייצור מוטות בקרה לכורים גרעיניים, אשר בציפויים שלהם הם עשויים זירקוניום טהור במיוחד, שכן זה חייב להיות מסוגל להעביר דרכם נויטרונים. .

סגסוגות

אטומי הפניום יכולים לשלב גבישים מתכתיים אחרים כדי להוליד סגסוגות שונות. אלה מאופיינים בכך שהם קשוחים ועמידים תרמית, וזו הסיבה שהם מיועדים ליישומי חלל, כמו למשל בבניית חרירי מנוע לטילים.

מצד שני, יש סגסוגות ותרכילי הפניום מוצקים בעלי תכונות מיוחדות; כמו הקרבידים והניטרידים שלה, HfC ו- HfN, בהתאמה, שהם חומרים עקשן ביותר. טנטלום הפניום קרביד, Ta ₄ HfC ₅ , עם נקודת התכה של 4215 מעלות צלזיוס, הוא אחד החומרים העקשניים ביותר שנודעו אי פעם.

קָטָלִיזָה

המטניוקן של Hafnium משמשים כזרזים אורגניים לסינתזה של פולימרים כמו פוליאתילן ופוליסטירן.

סיכונים

עד היום לא ידוע איזו השפעה יכולה להיות של יוני Hf ⁴⁺ על גופנו . מצד שני, מכיוון שהם נמצאים בטבע במינרלים מזירקוניום, לא מאמינים שהם ישנו את המערכת האקולוגית על ידי שחרור המלחים שלהם לסביבה.

עם זאת, מומלץ לטפל בתרכובות הפניום בזהירות, כאילו היו רעילות, גם אם אין מחקרים רפואיים המוכיחים שהם מזיקים לבריאות.

הסכנה האמיתית של הפניום נעוצה בחלקיקי האדמה המוצקים של המוצק שלה, שבקושי יכולים לשרוף כאשר הם באים במגע עם חמצן באוויר.

זה מסביר מדוע כאשר הוא מלוטש, פעולה שגורדת את פני השטח ומשחררת חלקיקי מתכת טהורה, נוצצים ניצוצות בוערים עם טמפרטורה של 2000 מעלות צלזיוס; כלומר, הפניום מפגין פירופוריות, הנכס היחיד שיש בו סכנות לשריפה או כוויות קשות.

הפניות

1. שיבר ואטקינס. (2008). כימיה אורגנית. (גרסה רביעית). מק גריי היל.
2. ויקיפדיה. (2020). הפניום. התאושש מ: en.wikipedia.org
3. סטיב גנון. (sf). האלמנט חפניום. משאבי מעבדה של ג'פרסון. התאושש מ: education.jlab.org
4. עורכי אנציקלופדיה בריטניקה. (18 בדצמבר 2019). הפניום. אנציקלופדיה בריטניקה. התאושש מ: britannica.com
5. ד"ר דאג סטיוארט. (2020). עובדות על יסוד הפניום. התאושש מ: chemicool.com
6. המרכז הלאומי למידע ביוטכנולוגי. (2020). הפניום. מאגר PubChem, AtomicNumber = 72. התאושש מ: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
7. ק. פנדי ואח '. (sf). בדיקה מחודשת של פולימורפיזם בלחץ גבוה במתכת Hafnium. התאושש מ: arxiv.org
8. אריק סררי. (1 בספטמבר 2009). הפניום. כימיה במרכיביה. התאושש מ: chemistryworld.com