هافنیم

عنصری از جدول تناوبی با عدد اتمی ۷۲
(تغییرمسیر از هافنیوم)

هافنیوم (Hafnium) هافنیوم یک عنصر شیمیایی با علامت Hf و عدد اتمی ۷۲ است. این فلز نقطه ذوب بسیار بالایی دارد، به رنگ قهوه‌ای مایل به قرمز می‌باشد و ترکیبات آن شباهت زیادی به ترکیبات زیرکونیم دارد. البته این نکته قابل ذکر است که در بسیاری از موارد این ماده از مواد معدنی زیرکونیوم بدست می‌آید.

هافنیم، 72Hf
Hf-crystal bar.jpg
هافنیم
تلفظ‎/ˈhæfniəm/‎ (HAF-nee-əm)
ظاهرsteel grey
جرم اتمی استاندارد (Ar، استاندارد)۱۷۸٫۴۸۶(۶)[۱]
هافنیم در جدول تناوبی
Element 1: هیدروژن (H), Other non-metal
Element 2: هلیوم (He), Noble gas
Element 3: لیتیم (Li), Alkali metal
Element 4: برلیم (Be), Alkaline earth metal
Element 5: بور (B), Metalloid
Element 6: کربن (C), Other non-metal
Element 7: نیتروژن (N), Halogen
Element 8: اکسیژن (O), Halogen
Element 9: فلوئور (F), Halogen
Element 10: نئون (Ne), Noble gas
Element 11: سدیم (Na), Alkali metal
Element 12: منیزیم (Mg), Alkaline earth metal
Element 13: آلومینیم (Al), Other metal
Element 14: سیلسیم (Si), Metalloid
Element 15: فسفر (P), Other non-metal
Element 16: گوگرد (S), Other non-metal
Element 17: کلر (Cl), Halogen
Element 18: آرگون (Ar), Noble gas
Element 19: پتاسیم (K), Alkali metal
Element 20: کلسیم (Ca), Alkaline earth metal
Element 21: اسکاندیم (Sc), Transition metal
Element 22: تیتانیم (Ti), Transition metal
Element 23: وانادیم (V), Transition metal
Element 24: کروم (Cr), Transition metal
Element 25: منگنز (Mn), Transition metal
Element 26: آهن (Fe), Transition metal
Element 27: کبالت (Co), Transition metal
Element 28: نیکل (Ni), Transition metal
Element 29: مس (Cu), Transition metal
Element 30: روی (Zn), Other metal
Element 31: گالیم (Ga), Other metal
Element 32: ژرمانیم (Ge), Metalloid
Element 33: آرسنیک (As), Metalloid
Element 34: سلنیم (Se), Other non-metal
Element 35: برم (Br), Halogen
Element 36: کریپتون (Kr), Noble gas
Element 37: روبیدیم (Rb), Alkali metal
Element 38: استرانسیم (Sr), Alkaline earth metal
Element 39: ایتریم (Y), Transition metal
Element 40: زیرکونیم (Zr), Transition metal
Element 41: نیوبیم (Nb), Transition metal
Element 42: مولیبدن (Mo), Transition metal
Element 43: تکنسیم (Tc), Transition metal
Element 44: روتنیم (Ru), Transition metal
Element 45: رودیم (Rh), Transition metal
Element 46: پالادیم (Pd), Transition metal
Element 47: نقره (Ag), Transition metal
Element 48: کادمیم (Cd), Other metal
Element 49: ایندیم (In), Other metal
Element 50: قلع (Sn), Other metal
Element 51: آنتیموان (Sb), Metalloid
Element 52: تلوریم (Te), Metalloid
Element 53: ید (I), Halogen
Element 54: زنون (Xe), Noble gas
Element 55: سزیم (Cs), Alkali metal
Element 56: باریم (Ba), Alkaline earth metal
Element 57: لانتان (La), Lanthanoid
Element 58: سریم (Ce), Lanthanoid
Element 59: پرازئودیمیم (Pr), Lanthanoid
Element 60: نئودیمیم (Nd), Lanthanoid
Element 61: پرومتیم (Pm), Lanthanoid
Element 62: ساماریم (Sm), Lanthanoid
Element 63: اروپیم (Eu), Lanthanoid
Element 64: گادولینیم (Gd), Lanthanoid
Element 65: تربیم (Tb), Lanthanoid
Element 66: دیسپروزیم (Dy), Lanthanoid
Element 67: هولمیم (Ho), Lanthanoid
Element 68: اربیم (Er), Lanthanoid
Element 69: تولیم (Tm), Lanthanoid
Element 70: ایتربیم (Yb), Lanthanoid
Element 71: لوتتیم (Lu), Lanthanoid
Element 72: هافنیم (Hf), Transition metal
Element 73: تانتال (Ta), Transition metal
Element 74: تنگستن (W), Transition metal
Element 75: رنیم (Re), Transition metal
Element 76: اوسمیم (Os), Transition metal
Element 77: ایریدیم (Ir), Transition metal
Element 78: پلاتین (Pt), Transition metal
Element 79: طلا (Au), Transition metal
Element 80: جیوه (Hg), Other metal
Element 81: تالیم (Tl), Other metal
Element 82: سرب (Pb), Other metal
Element 83: بیسموت (Bi), Other metal
Element 84: پولونیم (Po), Other metal
Element 85: آستاتین (At), Metalloid
Element 86: رادون (Rn), Noble gas
Element 87: فرانسیم (Fr), Alkali metal
Element 88: رادیم (Ra), Alkaline earth metal
Element 89: آکتینیم (Ac), Actinoid
Element 90: توریم (Th), Actinoid
Element 91: پروتاکتینیم (Pa), Actinoid
Element 92: اورانیم (U), Actinoid
Element 93: نپتونیم (Np), Actinoid
Element 94: پلوتونیم (Pu), Actinoid
Element 95: امریسیم (Am), Actinoid
Element 96: کوریم (Cm), Actinoid
Element 97: برکلیم (Bk), Actinoid
Element 98: کالیفرنیم (Cf), Actinoid
Element 99: اینشتینیم (Es), Actinoid
Element 100: فرمیم (Fm), Actinoid
Element 101: مندلیفیم (Md), Actinoid
Element 102: نوبلیم (No), Actinoid
Element 103: لارنسیم (Lr), Actinoid
Element 104: رادرفوردیم (Rf), Transition metal
Element 105: دوبنیم (Db), Transition metal
Element 106: سیبورگیم (Sg), Transition metal
Element 107: بوهریم (Bh), Transition metal
Element 108: هاسیم (Hs), Transition metal
Element 109: مایتنریم (Mt)
Element 110: دارمشتادیم (Ds)
Element 111: رونتگنیم (Rg)
Element 112: کوپرنیسیم (Cn), Other metal
Element 113: نیهونیم (Nh)
Element 114: فلروویم (Fl)
Element 115: مسکوویم (Mc)
Element 116: لیورموریم (Lv)
Element 117: تنسین (Ts)
Element 118: اوگانسون (Og)
Zr

Hf

Rf
لوتتیمهافنیمتانتال
عدد اتمی (Z)72
گروهگروه ۱۲
دورهدوره 6
بلوکبلوک-d
دسته Transition metal
آرایش الکترونی[Xe] 4f14 5d2 6s2
2, 8, 18, 32, 10, 2
ویژگی‌های فیزیکی
فاز در STPجامد
نقطه ذوب2506 K ​(2233 °C, ​4051 °F)
نقطه جوش4876 K ​(4603 °C, ​8317 °F)
چگالی (near r.t.)13.31 g/cm3
در حالت مایع (at m.p.)12 g/cm3
حرارت همجوشی27.2 kJ/mol
آنتالپی تبخیر 571 kJ/mol
ظرفیت حرارتی مولی25.73 J/(mol·K)
فشار بخار
فشار (Pa) ۱ ۱۰ ۱۰۰ ۱ K ۱۰ K ۱۰۰ K
در دمای (K) 2689 2954 3277 3679 4194 4876
ویژگی‌های اتمی
عدد اکسایش−2, +1, +2, +3, +4 (an amphoteric اکسید)
الکترونگاتیویمقیاس پائولینگ: 1.3
انرژی یونش
  • 1st: 658.5 kJ/mol
  • 2nd: 1440 kJ/mol
  • 3rd: 2250 kJ/mol
شعاع اتمیempirical: 159 pm
شعاع کووالانسی pm 175±10
Color lines in a spectral range
خط طیف نوری هافنیم
دیگر ویژگی ها
ساختار بلوریدستگاه بلوری شش‌گوشه
Hexagonal crystal structure for هافنیم
سرعت صوت thin rod3010 m/s (at 20 °C)
انبساط حرارتی5.9 µm/(m·K) (at 25 °C)
رسانندگی گرمایی23.0 W/(m·K)
رسانش الکتریکی331 n Ω·m (at 20 °C)
رسانش مغناطیسیپارامغناطیس[۲]
مدول یانگ78 GPa
مدول برشی30 GPa
مدول حجمی110 GPa
نسبت پواسون0.37
سختی موس5.5
سختی ویکرز1760 MPa
سختی برینل1700 MPa
شماره ثبت سی‌ای‌اس7440-58-6
ایزوتوپ‌های هافنیم
ایزوتوپ فراوانی نیمه‌عمر (t۱/۲) حالت فروپاشی محصول
172Hf syn 1.87 y ε 0.350 172Lu
174Hf 0.162% 2×1015 y α 2.495 170Yb
176Hf 5.206% 176Hf ایزوتوپ پایدار است که 104 نوترون دارد
177Hf 18.606% 177Hf ایزوتوپ پایدار است که 105 نوترون دارد
178Hf 27.297% 178Hf ایزوتوپ پایدار است که 106 نوترون دارد
178m2Hf syn 31 y IT 2.446 178Hf
179Hf 13.629% 179Hf ایزوتوپ پایدار است که 107 نوترون دارد
180Hf 35.1% 180Hf ایزوتوپ پایدار است که 108 نوترون دارد
182Hf syn 9×106 y β 0.373 182Ta
| منابع

هافنیوم در فیبرها و الکترودها استفاده می‌شود. بعضی از سوپرآلیاژها که برای برنامه‌های خاصی به کار می‌روند حاوی ترکیبات هافنیوم، نایوبیوم، تیتانیوم و تنگستن هستند.

هافنیوم فلزی براق با کاربردهای فراوان در علوم هسته ای و آلیاژها و فراوانی متوسط 3 ppm (ppm: جزء در میلیون) در پوسته زمین، قطعاً یکی از عناصر کمیاب به حساب نمی‌آید. فراوانی این فلز در پوسته زمین از فلزاتی همچون طلا، نقره و فلزات گروه پلاتین، برخی از عناصر کمیاب و فلزاتی از جمله ژرمانیوم، تانتالوم و مولیبدن بیشتر است. البته تولید هافنیوم به عنوان یک فلز از لحاظ کمی فعلاً در سطح پایینی است (کمتر از ۷۰ تن در سال). این تولید پایین دو دلیل عمده دارد: اولاً هافنیوم که معمولاً در کاربردهای هسته ای به خصوص نیروگاه‌های هسته ای کاربرد دارد یکی از محصولات جانبی تصفیه زیرکونیوم به حساب می‌آید و ثانیاً جداسازی هافنیوم از زیرکونیوم بسیار مشکل است، ضمن آنکه این دو فلز اغلب به صورت مرکب در طبیعت یافت می‌شوند. به همین دلیل است که در حال حاضر در تمام دنیا تنها دو تولیدکننده عمده هافنیوم فعالیت می‌کنند: یکی شرکت ای تی آی واچانگ (ATI Wah Chang) که بخشی از شرکت آلگنی تکنولوژی (Allegheny Technologies) در ایالت اوریگان (Oregon) آمریکا می‌باشد و دیگری شرکت سزوس (CEZUS) در شهر جاری (Jarrie) فرانسه که بخشی از شرکت آروا (AREVA) و بزرگترین تولیدکننده نیروگاه‌های هسته ای است.

خواص فیزیکی عنصر هافنیم:

  • عدد اتمی: ۷۲
  • جرم اتمی: ۱۷۸٫۴۹
  • نقطه ذوب: C° ۲۲۲۷
  • نقطه جوش: C° ۴۶۰۳
  • شعاع اتمی: Å ۲٫۱۶
  • ظرفیت: ۴
  • رنگ: خاکستری تیره
  • حالت در شرایط استاندارد: جامد
  • نام گروه: ۴
تکه‌های هافنیوم

دستیابی به هافنیومویرایش

نظر به مشکلات جداسازی هافنیوم (از زیرکونیوم) تعجبی ندارد که این فلز از جمله آخرین عناصری باشد که کشف شده‌است. هر چند شیمی دانان قبلاً محلی را برای هافنیوم در جدول تناوبی در نظر گرفته بودند (عنصر شماره ۷۲)، اما این عنصر تا قبل از سال ۱۹۲۰ کشف نشده بود. در سال ۱۹۲۳ فیزیک‌دانی هلندی به نام دیرک کوستر (Dirk Coster) و شیمی‌دانی بلغارستانی به نام جورجی هوسی (Gyorgy Hevesy) که از قضا برنده جایزه نوبل نیز بود با همکاری یکدیگر در شهر کپنهاگن (Copenhagen) دانمارک و استفاده از روش‌های تجزیه و تحلیل به کمک اشعه ایکس توانستند وجود هافنیوم را به عنوان عنصری مجزا از زیرکونیم به اثبات برسانند. نام هافنیوم از کلمه هافنیا (Hafnia) که نام لاتین شهر کپنهاگن می‌باشد، گرفته شده‌است.

هافنیوم در فرم فلزی خود، فلزی براق و رساناست که دانسیته آن دو برابر زیرکونیوم است. البته هیچ‌گاه نمی‌توان هافنیوم را به صورت یک عنصر خالص در طبیعت یافت؛ جهت دستیابی به فرم خالص این فلز به یک پروسه طولانی و پیچیده تصفیه نیاز است. هافنیوم در طبیعت در سنگ معدن‌هایی که حاوی زیرکونیم هستند همچون زیرکن و بدلیایت (baddeleyite – اکسید زیرکونیوم یا زیرکونیا) و به صورت ترکیب شده با زیرکونیم با نسبت ۱ به ۵۰ یافت می‌شود. البته سنگ معدن‌های دیگری مانند آلویت (Alvite) و هافنون (Hafnon) نیز حاوی هافنیوم هستند، اما چندان مورد توجه نیستند. هافنیوم به‌طور عمده در زیرکن یافت می‌شود و زیرکن نیز به نوبه خود از فرآوری ماسه‌های حاوی مواد معدنی سنگین و ایلمنیت زیرکونیم دار بدست می‌آید. ایلمنیت زیرکونیم دار به دو ترکیب اکسید تیتانیوم و ماسه زیرکن (ZrSio4) تجزیه می‌شود که دومی همان‌طور که مشاهده می‌شود حاوی زیرکونیم است. البته شایان ذکر است که تمام ایلمنیت‌ها حاوی زیرکونیوم و نتیجتاً هافنیوم نیستند. استرالیا، آفریقای جنوبی و چین تولیدکنندگان اصلی ماسه زیرکن در دنیا هستند و برزیل، روسیه و اوکراین منابع خوبی از بدلیایت را در اختیار دارند.

هافنیوم عموماً در صنایع هسته ای به کار می‌رود و میزان تولید آن بستگی به میزان تولید اسفنج زیرکونیوم دارد که از ماسه زیرکونیوم بدست می‌آید. برای اینکه زیرکونیوم بتواند به خوبی در میله‌های سوخت هسته ای عمل کند باید تا حد ممکن اجازه عبور نوترون‌ها از خود را بدهد، از این رو باید کمترین میزان هافنیوم را داشته باشد چرا که مقطع جذب حرارتی نوترون‌ها در اتم هافنیوم ۶۰۰ برابر زیرکونیوم است. هر چند خاصیت جذب نوترون‌ها در هافنیوم و زیرکونیوم تفاوت فاحشی با یکدیگر دارد، اما کلیه خواص شیمیایی این دو عنصر، به غیر از دانسیته، تقریباً شبیه به هم است و به همین دلیل است که جداسازی آن‌ها از یکدیگر کار بسیار مشکلی است. در گذشته تولید هافنیوم از طریق پروسه ای صورت می‌گرفت که دو دانشمند به نام‌های ون آرکل (Van Arkel) و دبوئر (de Boer) ابداع کرده بودند و طی آن بخار تترا یدید از روی یک رشته تنگستن داغ عبور داده می‌شد. امروزه تقریباً کل هافنیوم تولید شده در دنیا از طریق پروسه کرول (Kroll) بدست می‌آید؛ در این پروسه، تترا کلرید را با استفاده از منیزیم یا سدیم احیا می‌کنند؛ سپس برای تصفیه هر چه بیشتر هافنیوم از پروسه یدی آرکل دبوئر یا ذوب به روش پرتو الکترونی استفاده می‌شود. روش اول (پروسه ون آرکل دبوئر) روشی است که شرکت ای تی آی واچانگ برای تولید شمش‌های کریستال هافنیوم با درصد بسیار پایین زیرکونیوم مورد استفاده قرار می‌دهد.

بر اساس برآوردها دو تولیدکننده عمده هافنیوم یعنی شرکت ای تی آی واچانگ و سزوس به ترتیب سالیانه حدود ۴۰ و ۳۰ تن هافنیوم تولید می‌کنند که از این میزان به ترتیب ۲۰ و ۱۰ تن آن به‌طور خالص شمش کریستال هافنیوم و مابقی عناصر دیگری همچون زیرکونیوم یا گازهایی با دانسیته بسیار پایین است که در شمش هافنیوم موجود می‌باشند؛ بنابراین همان‌طور که دیده می‌شود در عمل هافنیوم کمتری تولید می‌شود. هند تولیدکننده هافنیوم است، اما صادرکننده آن نیست. چین هم با تولید حدود ۲ تن هافنیوم در سال با درجه خلوص پایین، از جمله تولیدکنندگان این فلز به‌شمار می‌آید. با وجود آنکه با استفاده از فناوری‌های کنونی و دستگاه‌های حاضر امکان جداسازی هافنیوم و زیرکونیوم وجود دارد، اما هافنیوم بدست آمده درجه خلوص بالایی ندارد و به عنوان مثال نمی‌توان به قدری آن را تصفیه کرد که مقدار زیرکونیوم موجود در آن به ۰٫۲ تا ۰٫۵ درصد برسد. در گذشته، دو کشور وابسته به بلوک شرق یعنی روسیه و اوکراین نیز جزء تولیدکنندگان هافنیوم بودند. البته شرکت «کارخانجات جی اس سی چپتسکی» (JSC Chepetsky) در شهر گلاسوف (Glasov) روسیه همچنان هافنیوم را در فهرست اقلام تولیدی خود دارد. در اوکراین نیز «مجتمع فلزکاری-معدنکاری استان وولنوگورسک» (Volnogorsk) واقع در منطقه دینپروپتروفسک (Dnepropetrovsk) به تولید هافنیوم ادامه می‌دهد. بر اساس برآوردها، میزان تولید فعلی هافنویم در روسیه و اوکراین جمعاً حدود ۲ تن است که اوکراین سهم بیشتری از آن دارد. چنین سهمی نه از تولید کنونی اوکراین که از تولید و انباشت هافنیوم در آن طی سال‌های گذشته نشات می‌گیرد. نگاهی اجمالی به آینده نشان می‌دهد که روسیه و اوکراین به ترتیب پتانسیل تولید ۳ الی ۱۰ تن و ۵ تن هافنیوم را در سال دارند. دولت چین نیز که برنامه‌هایی برای تولید انرژی هسته ای دارد، بی شک به دنبال تولید هر چه زودتر هافنیوم با درجه خلوص بالاست. اینکه آیا چین در آینده هافنیوم مازاد بر نیاز خود را صادر می‌کند یا خیر، مسئله ای است که همچنان در پرده ابهام قرار دارد. به هر حال جدا از آنچه در فوق گفته شد، احتمال دارد بخشی از تولید هافنیوم به چشم نیاید و در برآوردهای کلی لحاظ نگردد.

قیمت هافنیوم از دو لحاظ جالب توجه است. اول اینکه قیمت این فلز به نظر بسیار ارزان می‌آید و دوم اینکه طی مدت زمانی طولانی (از سال ۱۹۷۰ تا ۲۰۰۰) به‌طور شگفت‌آوری ثبات داشته و نوسان بسیار اندکی را تجربه کرده‌است.

در حال حاضر، هر کیلوگرم هافنیوم با ۰٫۲ تا ۰٫۵ درصد ناخالصی زیرکونیوم، ۱۲۰۰ تا ۱۳۰۰ دلار قیمت دارد. اگر هافنیوم با درصد ناخالصی پایین‌تر (کمتر از ۰٫۱ درصد زیرکونیوم) تولید شود، قطعاً قیمت بالاتری هم خواهد داشت. هر کیلوگرم هافنیوم با ۰٫۵ تا ۱ درصد و ۱ تا ۳ درصد زیرکونیوم به ترتیب ۸۰۰ تا ۹۰۰ دلار و ۵۰۰ تا ۷۰۰ دلار به فروش می‌رسد. مقایسه میزان تولید و قیمت هافنیوم و عنصر دیگری به نام رنیوم ممکن است هر کسی را به تجعب وادارد: در حالی که میزان تولید سالیانه هافنیوم و رنیوم تقریباً در حد و حدود یکدیگر است (هافنیوم ۷۰ تن و رنیوم ۵۰ تن)، هر کیلوگرم رنیوم در مقایسه با هافنیوم ۴ الی ۵ هزار دلار معامله می‌شود.

کاربردویرایش

در حال حاضر هافنیوم سه کاربرد مهم دارد که عبارتند از: ۱. تولید ابر آلیاژها (چه در صنایع هوا فضا و چه در دیگر صنایع) ۲. تولید آلیاژهای دیرگداز و ۳. کاربردهای هسته ای

الیاژهاویرایش

کاربرد هافنیوم با نقطه ذوب بالای ۲۲۳۳ درجه سانتیگراد (۴۰۵۱ درجه فارنهایت) در آلیاژهای مقاوم در برابر گرما و آلیاژهای حاوی نیکل پر کریستال (پلی کریستال) باعث تقویت مرز دانه‌ها (محل تلاقی دانه‌های متبلور شده) در آلیاژ شده و نتیجتاً مقاومت کششی آلیاژ و همچنین مقاومت آن در برابر تغییر شکل در دماهای بالا را به شکل قابل توجهی افزایش می‌دهد. به علاوه به دلیل تمایل بالای هافنیوم به ترکیب با کربن، نیتروژن و اکسیژن، کاربرد آن در آلیاژها باعث مقاومت بیشتر آلیاژ در مرحله پخش ذره ای می‌شود. یکی از رایج‌ترین کاربردهای هافنیوم، استفاده از آن در ابر آلیاژهایی است که در پره توربین‌ها یا قسمت انتهایی و داغ موتور جت یافت می‌شوند و قابلیت استقامت در برابر حرارت و فشار بالا را دارند. مقدار هافنیوم به کار رفته در این آلیاژها چیزی حدود ۱ الی ۲ درصد است. به عنوان مثال آلیاژ MAR-M 247 که حاوی ۵/۱ درصد هافنیوم است یکی از آلیاژهای نیکل پرکریستال می‌باشد که توسط شرکت مارتین ماریتا (Martin Marietta) تولید شده‌است و شرکت زیمنس (Siemens) از آن برای ساخت توربین‌های زمینی که در دمای ۱۰۳۸ درجه سانتیگراد کار می‌کنند، استفاده می‌کند. هافنیوم در برخی آلیاژهای دیگر نیز به کار رفته‌است که از جمله آن‌ها می‌توان به موارد زیر اشاره کرد: آلیاژ T111 تانتالوم (۸ درصد تنگستن، ۲ درصد هافنیوم و بقیه تانتالوم)، آلیاژ T222 تانتالوم تنگستن (شامل ۱۰ درصد تنگستن، ۲٫۵ درصد هافنیوم، ۰٫۰۱ درصد کربن و بقیه تانتالوم)، آلیاژ MHC مولیبدنوم که به آن کاربید مولیبدنوم هافنیوم هم گفته می‌شود (شامل ۱٫۲ درصد هافنیوم، ۰٫۱ درصد کربن و بقیه مولیبدنوم). همچنین درصد استفاده از هافنیوم در برخی از آلیاژهای نیوبیوم به ترتیب زیر است: آلیاژ C-103 (10 درصد هافنیوم، ۱ درصد تیتانیوم و ۱ درصد زیرکونیوم)، آلیاژ C-129Y (10 درصد تنگستن، ۱۰ درصد هافنیوم، ۰٫۷ درصد ایتریوم) و آلیاژ WC-3015 (30 درصد هافنیوم، ۱۵ درصد تنگستن، ۱٫۵ درصد زیرکونیوم). آلیاژهای نیوبیوم که حاوی هافنیوم هستند علاوه بر کاربردهای متعددی که دارند به عنوان روکش ابزارآلات تراشکاری نیز استفاده می‌شوند. آلیاژ C-103 و کاربید تانتالوم هافنیوم نیز در ساخت دهانه‌های رانشگر موتور موشک مورد استفاده واقع می‌شوند. عملکرد هافنیوم به عنوان یک ماده دیرگداز چه در آلیاژهای تانتالوم و مولیبدنوم و چه در ترکیبات دو تایی بسیار عالی است. کاربید هافنیوم با فرمول شیمیایی HfC با نقطه ذوب بالای ۳۸۹۰ درجه سانتیگراد یکی از دیرگدازترین ترکیبات دوتایی است که تاکنون تولید شده‌است. همچنین نیترید هافنیوم با نقطه ذوبی حدود ۳۳۱۰ درجه سانتیگراد، دیرگدازترین نیترید فلزی محسوب می‌شود. شاید هنوز هم کاربردهای ناشناخته ای برای هافنیوم چه در آلیاژها و چه در کاتالیزورها متصور باشد. سال‌ها پیش مقاله ای در نشریه «اخبار شیمی و مهندسی» به چاپ رسید که عنوان آن به صورت زیر بود: «ظهور هافنیوم: این فلز واسطه که روزگاری در پرده ابهام فرورفته بود اکنون به عنوان یک کاتالیزور فوق‌العاده توجه همگان را به خود جلب می‌کند.»

مصارف هسته ایویرایش

دستیابی به هافنیوم بیشتر نتیجه تصمیم برای استفاده از زیرکونیوم در مصارف هسته ای است. همان‌طور که قبلاً اشاره شد، جهت استفاده از زیرکونیوم تصفیه شده در میله‌های سوخت اورانیوم باید تا آنجا که ممکن است هافنیوم را از آن زدود. ساختار و خواص شیمیایی مشابه زیرکونیوم و هافنیوم در یک محیط هسته ای نیز نمی‌توانند زیاد از یکدیگر متفاوت باشند. به عبارت دیگر شاید بتوان گفت علاوه بر کاربردی که هافنیوم در تولید آلیاژها دارد، یکی از مصارف عمده اش، کاربرد در صنایع هسته ای است. زیرکونیوم عملاً اجازه عبور نوترون‌ها را از خود می‌دهد در حالی که هافنیوم به شدت جاذب آنهاست؛ بنابراین هرچند که در ساخت میله‌های سوخت هسته ای غالباً از زیرکونیوم استفاده می‌شود، اما میله‌های کنترل که وظیفه‌شان جمع‌آوری نوترون‌های پراکنده و کند کردن روند شکافت هسته ای در واکنش گاه (راکتور) است، اغلب از هافنیوم ساخته می‌شوند. یکی از اولین مصارف هافنیوم در صنایع هسته ای کاربرد آن در رآکتورهای پمپاژ آب سبک تحت فشار می‌باشد که برای تأمین انرژی وسایل نقلیه دریایی همچون زیردریایی‌ها به کار می‌روند. وجود مقدار ناخواسته ای از یک فلز در فلز دیگر همیشه تأثیر یکسانی ندارد: اگر حتی تا ۴٫۵ درصد هم زیرکونیوم در میله‌های کنترل هافنیومی موجود باشد، باز هم عملکرد این میله‌ها رضایتبخش خواهد بود در حالی که وجود همین میزان هافنیوم در میله‌های سوخت زیرکونیومی به هیچ عنوان مجاز نیست. هافنیوم علاوه بر خاصیت جذب نوترون، دو خاصیت به درد بخور دیگر نیز برای صنایع هسته ای دارد که عبارتند از: دوام و مقاومت در برابر خوردگی. از دیگر کاربردهای متنوع هافنیوم می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

  • جوشکاری پلاسما و تراشکاری قوسی: از آنجا که هافنیوم به الکترون‌ها اجازه آزاد شدن در هوا و متعاقب آن تشکیل قوس الکتریکی را می‌دهد، نه تنها می‌تواند به عنوان الکترود و به جای تنگستن در نوک دستگاه جوشکاری پلاسما به کار رود بلکه به عنوان کاتد نیز در دستگاه تراشکاری قوس پلاسما کاربرد پیدا می‌کند.
  • ریزپردازنده‌ها: هافنیوم مخصوصاً به خاطر مقاومت حرارتی بالایی که دارد جایگزین خوبی برای سیلیکون در ریزپردازنده‌ها به‌شمار می‌آید. بسیاری از تولیدکنندگان تراشه‌های کامپیوتری از کلرید هافنیوم (HfCl4) و اکسید هافنیوم (HfO2) در ریزپردازنده‌های خود استفاده می‌کنند. به عنوان مثال تراشه‌های ۴۵ نانومتری شرکت اینتل با ثابت دی الکتریک (k) بالا از هافنیوم ساخته شده‌اند؛ شرکت اینتل از زمانی که دریافت استفاده از هافنیوم به جای سیلیکون باعث کاهش تراوش جریان الکتریکی در تراشه‌ها می‌شود و بدین ترتیب امکان تولید تراشه‌های کوچکتر، قدرتمند تر و با مصرف انرژی کمتر فراهم می‌گردد، به این فلز (هافنیوم) روی آورده‌است. دیگر شرکت‌های سازنده قطعات الکترونیکی نیز در حال بررسی استفاده از اکسید هافنیوم برای تولید حافظه (رم)های مقاوم (ReRAM) هستند.
  • روکش کاری به روش رسوب دهی فیزیکی یا شیمیایی با استفاده از بخار (CVD/PVD): هافنیوم در روکش کاری به روش‌های مذکور اغلب به عنوان لایه نازکی از روکش به کار می‌رود و در مصارفی همچون تولید دیسک گردان‌های نوری (سی دی یا دی وی دی درایو) کاربرد پیدا می‌کند.
  • لیزر: از اکسید هافنیوم در تولید دی وی دی خوان‌های لیزر آبی (بلو ری) نیز استفاده می‌شود.

کاربردهای دیگری از هافنیومویرایش

  1. در لامپ‌ها، به ویژه لامپ‌های رشته‌ای
  2. به عنوان الکترود در برش پلاسما
  3. در زیردریایی‌های هسته‌ای
  4. اکسید هافنیوم به عنوان یک عایق الکتریکی در میکروچیپ‌ها استفاده می‌شود
  5. و کاتالیزور هافنیوم نیز در واکنش‌های پلیمریزاسیون به کار می‌رود.

جستارهای وابستهویرایش

منابعویرایش

  1. Meija, J.; et al. (2016). "Atomic weights of the elements 2013 (IUPAC Technical Report)". شیمی محض و کاربردی(نشریه). 88 (3): 265–91. doi:10.1515/pac-2015-0305.
  2. Magnetic susceptibility of the elements and inorganic compounds, in Handbook of Chemistry and Physics 81st edition, CRC press.

1- Knapp, Brian. Francium to Polonium. Atlantic Europe Publishing Company, 2002, p. ۱۰.

2- Weast, Robert (1984). CRC, Handbook of Chemistry and Physics. Boca Raton, Florida: Chemical Rubber Company Publishing. pp. E110

3-Paneth, F. A. (1922). "Das periodische System (The periodic system)". Ergebnisse der Exakten Naturwissenschaften 1 (in German). p. ۳۶۲.

4-von Hevesy, Georg (1923). "Über die Auffindung des Hafniums und den gegenwärtigen Stand unserer Kenntnisse von diesem Element". Berichte der deutschen chemischen Gesellschaft (A and B Series).

5- Holleman, Arnold F. ; Wiberg, Egon; Wiberg, Nils (1985). Lehrbuch der Anorganischen Chemie (in German) (91–100 ed.). Walter de Gruyter. pp.

6-Larsen, Edwin; Fernelius W. , Conard; Quill, Laurence (1943). "Concentration of Hafnium. Preparation of Hafnium-Free Zirconia". Ind. Eng. Chem. Anal. Ed.