Hafnium

Isotop	NH	t_1/2	ZM	ZE M eV	ZP	-	¹⁷²Hf	{syn.}	1,87 a	ε	0,350	¹⁷²Lu	-	¹⁷³Hf	{syn.}	23,6 h	ε	1,610	¹⁷³Lu	-	¹⁷⁴Hf	0,162 %	2 · 10¹⁵ a	α	2,495	¹⁷⁰Yb	-	¹⁷⁵Hf	{syn.}	70 d	ε	0,686	¹⁷⁵Lu	-	¹⁷⁶Hf	5,206 %	Hf ist stabil mit 104 Neutronen				-	¹⁷⁷Hf	18,606 %	Hf ist stabil mit 105 Neutronen				-	¹⁷⁸Hf	27,297 %	Hf ist stabil mit 106 Neutronen				-	¹⁷⁹Hf	13,629 %	Hf ist stabil mit 107 Neutronen				-	¹⁸⁰Hf	35,1 %	Hf ist stabil mit 108 Neutronen				-	¹⁸¹Hf	{syn}	42,39 d	β^-	1,027	¹⁸¹Ta	-	¹⁸²Hf	{syn}	9 · 10⁶ a	β^-	0,373	¹⁸²Ta

- NMR-Eigenschaften

	¹⁷⁷Hf	¹⁷⁹Hf	-	Kernspin	7/2	-9/2	-	gamma / rad/T	8,347 · 10⁶	5,002 · 10⁶	-	Empfindlichkeit	0,000632	0,000216	-	Larmorfrequenz bei B = 4,7 T	6,24 M Hz	3,74 M Hz

- Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet.
Wenn nicht anders vermerkt,
gelten die angegebenen Daten bei Normbedingungen.

Hafnium ist ein chemisches Element im Periodensystem der Elemente mit dem Symbol Hf und der Ordnungszahl 72. Es ist ein silbergrau glänzendes, schweres, stark dehnbares, sehr korrosionsbeständiges Metall.

Geschichte

Hafnium (lat. Hafnia für Kopenhagen) wurde 1923 in Kopenhagen von Dirk Coster und George de Hevesy entdeckt. Niels Bohr sagte in seiner 1922 veröffentlichten Arbeit zur Atomtheorie die Ähnlichkeit des Elementes 72 mit dem Zirkonium voraus. Schon ein Jahr später konnte Hafnium durch Röntgenspektralanalyse in norwegischem Zirkon nachgewiesen werden. Weitere Untersuchungen anderer Mineralien zeigten, dass Hafnium immer in zirkoniumhaltigen Mineralien enthalten ist. Die Trennung vom Zirkonium gelang Jantzen und Hevesy durch wiederholte Kristallisation der Di-Ammonium- und Di-Kalium-Fluoride der beiden Elemente. Metallisches Hafnium wurde erstmals durch Anton Eduard van Arkel und Jan Hendrik de Boer (van-Arkel-de-Boer-Prozess) durch Abscheidung von Hafnium(IV)-iodid an einem glühendem Wolframdraht hergestellt. Die späte Entdeckung des Hafniums beruht auf dem gleichen chemischen Verhalten der Elemente Zirkonium und Hafnium. Mit den üblichen chemischen Trennmethoden ließen sie sich nicht trennen.

Vorkommen

Hafnium kommt immer verschwistert mit Zirkoniumverbindungen vor. Metallisches Hafnium kommt natürlich nicht vor. Zirkoniumhaltige Mineralien wie

Alvit Th, Zr) SiO₄H₂O,
Thortveitit (Sc, Y)₂ ^* und
Zirkon (ZrSiO₄)
enthalten gewöhnlich 1 bis 5 % Hafnium.

Zirkonium und Hafnium sind wegen ihrer Ähnlichkeit im chemischen Verhalten nur äußerst aufwändig zu trennen. Mehr als die Hälfte des gehandelten Hafniums fällt als Nebenprodukt bei der Zirkoniumherstellung an. Im Kroll-Prozess wird Hafniumtetrachlorid durch Magnesium oder Natrium zum metallischen Hafnium reduziert.

Heute erfolgt die Trennung von Zirkonium und Hafnium wegen der höheren Selektivität

durch Ionenaustauscher
chromatografisch methanolischer, salzsaurer Metallchloridlösungen an Kieselgel
durch Mehrfachextraktion saurer Sulfate mit Ether oder
durch fraktionierte Destillation phosphorhaltiger Oxi-Chloridkomplexe

Eigenschaften

Hafnium_1.jpg

Die Atom- und Ionenradien unterscheiden sich aufgrund der Lanthanoidenkontraktion nur wenig von denen des Zirkoniums. Beide Metalle verhalten sich deshalb chemisch sehr ähnlich und sind nur schwer zu trennen. An Luft überzieht es sich mit einer dünnen passivierenden Oxidschicht. In Mineralsäuren, auch heißen konzentrierten, wird es wenig angegriffen. Nur Königswasser und Fluorwasserstoffsäure lösen Hafnium unter Bildung von Hafnium(IV)-Salzen auf.

Hafniumcarbid, HfC ist sehr temperaturbeständig und hat einen extrem hohen Schmelzpunkt von etwa 3890 °C. ^* Im Kroll-Prozess wird Hafniumtetrachlorid durch Magnesium oder durch das "Hunter-Verfahren" mit Natrium zum metallischen Hafnium reduziert.

Verwendung

Hafnium wird wegen des großen Einfangquerschnitts für Neutronen zur Herstellung von Regel- und Kontrollstäben in Atomreaktoren verwendet. Die Absorptionsrate ist etwa 600-mal größer als die des Zirkoniums.

Weitere Anwendungen:

Gettersubstanz zum Abbinden von Sauerstoff und Stickstoff
Blitzlichtlampen mit besonders hoher Lichtausbeute
Hochdruckglühlampen
Legierungszusatz in Eisen-, Titan-, Niob-, Tantal-, Nickel- und anderen metallischen Werkstoffen
Hafniumnitrid als Elektrodenwerkstoff in Vakuumröhren (geringere Verdampfungsneigung als Wolfram)
Herstellung von Hartstoffen wie Hafniumcarbid und Hafniumnitrid
in der Halbleiterindustrie als Sputtertarget (PVD) und in Form von Organoprecursern (CVD,MOCVD,ALD) zur Herstellung von Gateoxiden (HfO₂, HfO₂|N, HfSiO₄|N) für MISFETs (sh. MOSFET/Transistoren, Entwicklung) und pH-Sensoren (Forschung)

Verbindungen

Vorsichtsmaßnahmen

Hafnium ist pyrophor. Späne und Staub aus metallischem Hafnium entzünden sich an Luft. Metallisches Hafnium ist normalerweise nicht toxisch. Hafniumhaltige Verbindungen sollten als toxisch angesehen werden.

Weblinks

Chemisches Element | Gruppe-4-Element | Periode-6-Element | Übergangsmetall