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

 

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

Symbol

OZ

Kurzform

1s

2s

2p

3s

3p

3d

4s

4p

4d

4f

5s

5p

5d

5f

6s

6p

6d

6f

Hf

72

[Xe] 4f14 5d2 6s2

2

2

6

2

6

10

2

6

10

7

2

6

2

2

 

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 eV

2. IE:

15 eV

3. IE:

23,3 eV

4. IE:

33,33 eV

5. IE:

eV

6. 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.

K	LI	LII	LIII
1s	2s	2p1/2	2p3/2
65351	11271	10739	9561

 

MI	MII	MIII	MIV	MV
3s	3p1/2	3p3/2	3d3/2	3d5/2
2601	2365	2108	1716	1662

 

NI	NII	NIII	NIV	NV	NVI	NVII
4s	4p1/2	4p3/2	4d3/2	4d5/2	4f5/2	4f7/2
538*	438,2	380,7	220	211,5	15,9	14,2

 

OI	OII	OIII	OIV	OV
5s	5p1/2	5p3/2	5d3/2	5d5/2
64,2	38	29,9

 

Weitere Daten

 

Spektrallinien des Hafniums

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

 

 

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

 

Standardpotentiale

Normalpotential des Hafniums:

E0 (V)	Nox	Name Ox.	Ox.	e-	⇔	Red.	Name Red.	Nox
-1,70	+IV	Hafnium(IV)-Kation	Hf4+	+4 e-	⇔	Hf (s)	Hafnium	0

 

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

 

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).

 

(Allgemeine Hinweise ohne Gewähr auf Richtigkeit und Vollständigkeit)

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

 

[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.

 

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Gruppenelemente - Informationen

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Einzelne Verbindungen

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Geochemie und Biogeochemie

 

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Kategorie: Chemische Elemente

Aktualisiert am 03.02.2020.

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