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Hafnium

Chemie und Physik des chemischen Elements Hafnium.



Hafnium

Hafnium - chemisches Zeichen Hf, Ordnungszahl 72 - ist ein hochglänzendes, dehnbares, ziemlich weiches, ziehbares, walzbares, hämmerbares, hexagonal kristallisierendes, korrosionsbeständiges Element aus der Gruppe der Übergangsmetalle (Gruppe 4, Titangruppe).

Die Existenz des Elements 72 wurde von Dmitri Mendeleev - dem Entdecker des Periodensystems - im Jahr 1869 vorhergesagt - doch es gelang erst 1923 den Forschern Dirk Coster und George de Hevesy das Metall zu isolieren und zu identifizieren. Hafnium war das letzte stabile Element, das entdeckt wurde. Die Bezeichung stammt von Hafnia ab, dem lateinischen Namen für Kopenhagen, der Stadt, in der es entdeckt wurde.

 

Übersicht: Allgemeine Daten zum Hafnium

Bezeichnung:Hafnium Symbol:Hf Ordnungszahl:72 Atommasse:178,49(2) u Periodensystem-Stellung:6. Periode, 4. Gruppe, 4. Nebengruppe (IVB), d-Block Gruppen-Zugehörigkeit:Übergangsmetalle, Titan-Gruppe Entdeckung:1922 - Dirk Coster und George de Hevesy. Bedeutung des Namens:Hafnia, lateinisch für Kopenhagen, dem Entdeckungsort. Historische Bezeichnungen:Celtium (nach nicht bestätigter Entdeckung 1911). Englischer Name:Hafnium CAS-Nummer:7440-58-6 InChI-Key:VBJZVLUMGGDVMO-UHFFFAOYSA-N

 

Das Hafnium-Atom

Das Hf-Atom - und damit das chemische Element Hafnium - ist eindeutig durch die 72 positiv geladenen Protonen im Atomkern definiert. Für den elektrischen Ausgleich im ungeladenen Hafnium-Atom sorgt die gleiche Anzahl an Elektronen.

Für Unterschiede bei den Atomkernen sorgen die Kernbausteine der Neutronen. Diese Atomsorten werden unter dem Begriff Hafnium-Isotope zusammengefasst (Isotopen-Daten: siehe dort).

Die irdischen Hafnium-Vorkommen bestehen nur mehreren Hafnium-Nukliden unterschiedlicher Masse; die relative Atommasse des Hafniums wird mit 178,48(2) u angegeben.

 

Elektronenkonfiguration

SymbolOZKurzform1s2s2p3s3p3d4s4p4d4f5s5p5d5f6s6p6d6f
Hf72[Xe] 4f14 5d2 6s2 2262610261072622

 

Ionisierungsenergien

Die folgende Tabelle listet die Bindungsenergien bzw. die Ionisierungsenergien IE des Hafniums auf, also die erforderliche Energie in Elektronenvolt (eV), um ein bestimmtes Elektron von einem Hf-Atom zu trennen.

1. IE: 6,82507 eV2. IE: 15 eV3. IE: 23,3 eV4. IE: 33,33 eV5. IE: eV6. IE: eV

 

Elektronenbindungsenergie

Die nachfolgende Tabelle listet die Elektronenbindungsenergien der einzelnen Hafnium-Elektronen in den jeweiligen Orbitalen auf. Die Werte sind in Elektronenvolt (eV) angegeben.

KLILIILIII
1s2s2p1/22p3/2
6535111271107399561

 

MIMIIMIIIMIVMV
3s3p1/23p3/23d3/23d5/2
26012365210817161662

 

NINIINIIINIVNVNVINVII
4s4p1/24p3/24d3/24d5/24f5/24f7/2
538*438,2380,7220211,515,914,2

 

OIOIIOIIIOIVOV
5s5p1/25p3/25d3/25d5/2
64,23829,9

 

Weitere Daten

Atomradius:208 pm (berechnet)
155 pm (empirisch, nach Slater)
Kovalente Radien:175(10) pm (nach Cordero et al.)
152 pm (in Einfach-Bindungen, nach Pyykkö et al.)
128 pm (in Zweifach-Bindungen, nach Pyykkö et al.)
122 pm (in Dreifach-Bindungen, nach Pyykkö et al.)
Van-der-Waals-Radius:200 pm Molvolumen:13,44 cm3 mol-1 Fluoreszenz-Ausbeute:ωK: 0,950; ωL1: 0,141; ωL2: 0,268; ωL3: 0,241 Coster-Kronig-Übergänge:F12: 0,126; F13: 0,322; F23: 0,136

 

Spektrallinien des Hafniums

Die nachfolgende Abbildung zeigt ein Emissionsspektrum des Hafniums mit den charakteristischen Spektrallinien im sichtbaren Wellenlängenbereich zwischen 400 und 700 nm:

Hafnium-Spektrallinien

 

 

Chemie des Hafniums

Hafnium als Element der vierten Gruppe besitzt 4 Valenzelektronen, die es auch bevorzugt einsetzt, um vierwertige Hafnium-Verbindungen einzugehen; die Oxidationstufe ist damit +4.

Aufgrund der Lanthanoid-Kontraktion sind die ionischen Radien von Hafnium(IV) mit 0,78 Angström fast die gleichen wie die von Zirkonium(IV) (0,79 Angström). Daher zeigen die Verbindungen der beiden Metalle sehr ähnliche chemische und physikalische Eigenschaften.

Die Chemie von Hafnium und Zirconium ist so ähnlich, dass die beiden aufgrund unterschiedlicher chemischer Reaktionen nicht voneinander getrennt werden können. Die Schmelzpunkte und Siedepunkte der jeweiligen Verbindungen und die Löslichkeit in verschiedenen Lösungsmitteln sind die Hauptunterschiede in der Chemie dieses Paares.

Hafnium reagiert mit Luft unter Bildung einer Schutzschicht, die die weitere Korrosion des Metalls verhindert. Das Metall wird von Säuren erst bei höheren Temperaturen angegriffen, es jedoch mit Halogenen oxidiert oder in der Luft verbrannt werden. Feinteiliges Hafnium kann sich wie sein Schwestermetall Zirconium spontan entzünden. Das Metall ist gegen konzentrierte Alkalien beständig.

 

Chemische Daten

Elektronegativität:1,30 nach Pauling
1,16 nach Allen
3,8 eV nach Pearson
Elektronaffinität:0,1780(7) eV bzw. 17,18(7) kJ mol-1Oxidationsstufen:+4 (+2, +3: seltener -2, +1)

 

Standardpotentiale

E0 (V)NoxName Ox.Ox.e-Red.Name Red.Nox
-1,70+IVHafnium(IV)-KationHf4++4 e-Hf (s)Hafnium0

 

Material- und physikalische Eigenschaften des Hafniums

Die nachfolgende Tabelle führt einige physikalische Daten sowie Materialeigenschaften des reinen Hafnium-Metalls auf.

Schmelzpunkt:2233 °C Schmelzenthalpie (molar):27,2 kJ mol-1 Siedepunkt:4603 °C Verdampfungsenthalpie:661,1 kJ mol-1 Wärmekapazität:25,73 J mol-1 K-1 (molar)
0,144 J g-1 K-1 (spezifisch)
Debye-Temperatur:252 K Thermische Leitfähigkeit:23,0 W m-1 K-1 Wärmeausdehnung:5,9 μm m-1 K-1 bei 25 °C Elektrischer Widerstand:331 nΩ × m bei 20 °C Dichte:13,31 g cm-3 Elastizitätsmodul:141 GPa (Young Modulus) Kompressionsmodul (isotherm):109 GPa 300 K Kompressibilität (isotherm):0,0092 GPa-1 300 K Poisson-Zahl:0,37 (Querdehnzahl, dimensionslos) Kristallstruktur:hexagonal dicht gepackt - hcp Gitterkonstanten:a = 319.46 pm, c = 505 pm Raumgruppe:P63/mmc Härte:nach Mohs: 5,5
nach Vickers: 1,76 GPa
nach Brinell: 1,7 GPa
Magnetismus:paramagnetisch Magnetische Suszeptibilität:7,0 × 10-5 cm3 mol-1 bei 296 K Schallgeschwindigkeit:3010 m s-1 bei 20 °C

 

Neben dem α-Hafnium gibt es eine weitere Modifikation (β-Hf), die oberhalb von 1775 °C beständig ist und kubisch-raumzentriert kristallisiert (a = 362 pm).

 

Gefahren und Sicherheit


Gefahr

(Allgemeine Hinweise ohne Gewähr auf Richtigkeit und Vollständigkeit)

Hafnium ein brennbarer Feststoff und kann sich in fein verteiltem Zustand an der Luft spontan entzünden.

 

Literatur und Quellen

[1] - D. Coster, G. Hevesy:
On the Missing Element of Atomic Number 72.
In: Nature, 1923, DOI 10.1038/111079a0.

[2] - G. Hevesy:
The Discovery and Properties of Hafnium.
In: Chemical Reviews, 1925, DOI 10.1021/cr60005a001.

[3] - V. P. Mel'nikov:
Some Details in the Prehistory of the Discovery of Element 72.
In: Centaurus, 1982, DOI 10.1111/j.1600-0498.1982.tb00667.x.

 


Kategorie: Chemische Elemente

Aktualisiert am 24.01.2019.



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