HAFNIUM: PENEMUAN, STRUKTUR, PROPERTI, PENGGUNAAN, RISIKO - KIMIA - 2025

The hafnium adalah logam transisi yang simbol kimia Hf dan memiliki nomor atom 72. Ini adalah unsur ketiga kelompok 4 dari tabel periodik, menjadi congener titanium dan zirkonium. Dengan yang terakhir ini, ia memiliki banyak sifat kimiawi, yang terletak bersama dalam mineral di kerak bumi.

Mencari hafnium adalah mencari ke mana zirkonium berada, karena merupakan produk sampingan dari ekstraksi. Nama logam ini berasal dari kata Latin 'hafnia', yang artinya nama Kopenhagen, kota tempat logam ini ditemukan dalam mineral zirkon dan kontroversi mengenai sifat kimianya yang sebenarnya berakhir.

Sampel hafnium logam. Sumber: Gambar Elemen Kimia Resolusi Tinggi

Hafnium adalah logam yang tidak diketahui secara umum, bahkan hanya sedikit orang yang pernah mendengarnya sebelumnya. Bahkan di antara beberapa bahan kimia itu adalah elemen yang tidak umum, sebagian karena biaya produksinya yang tinggi, karena dalam sebagian besar aplikasinya zirkonium dapat menggantikannya tanpa masalah.

Logam ini membawa perbedaan sebagai yang terakhir dari unsur paling stabil yang ditemukan di Bumi; Dengan kata lain, penemuan-penemuan lain merupakan serangkaian unsur radioaktif ultra-berat dan / atau isotop buatan.

Senyawa hafnium analog dengan titanium dan zirkonium, dengan bilangan oksidasi dominan +4, seperti HfCl ₄ , HfO ₂ , HfI ₄ dan HfBr ₄ . Beberapa dari mereka berada di puncak daftar bahan paling tahan api yang pernah dibuat, serta paduan dengan ketahanan termal yang tinggi dan yang juga bertindak sebagai penyerap neutron yang sangat baik.

Untuk alasan ini hafnium memiliki banyak partisipasi dalam kimia nuklir, terutama yang berkaitan dengan reaktor air bertekanan.

Penemuan

Transisi atau logam tanah jarang

Penemuan hafnium memang diliputi kontroversi, padahal keberadaannya sudah diprediksi sejak 1869 berkat tabel periodik Mendeleev.

Masalahnya adalah ia ditempatkan di bawah zirkonium, tetapi bertepatan dalam periode yang sama dengan unsur tanah jarang: lantanoid. Ahli kimia pada saat itu tidak tahu apakah itu logam transisi atau logam tanah jarang.

Ahli kimia Prancis Georges Urbain, penemu lutetium, logam tetangga hafnium, mengklaim pada tahun 1911 telah menemukan unsur 72, yang ia sebut celtium dan menyatakan bahwa itu adalah logam tanah jarang. Tetapi tiga tahun kemudian disimpulkan bahwa hasilnya salah, dan dia hanya mengisolasi campuran lantanoid.

Baru setelah unsur-unsur diurutkan berdasarkan nomor atomnya, berkat karya Henry Moseley pada tahun 1914, lingkungan antara lutetium dan unsur 72 dibuktikan, sesuai dengan prediksi Mendeleev ketika unsur terakhir ini ditemukan. kelompok yang sama dengan logam titanium dan zirkonium.

Deteksi di Kopenhagen

Pada tahun 1921, setelah penelitian Niels Bohr tentang struktur atom dan prediksinya tentang spektrum emisi sinar-X untuk unsur 72, pencarian logam ini dalam mineral tanah jarang dihentikan; Sebaliknya, ia memfokuskan pencariannya pada mineral zirkonium, karena kedua unsur tersebut pasti memiliki berbagai sifat kimiawi.

Ahli kimia Denmark Dirk Coster dan ahli kimia Hongaria Georg von Hevesy pada tahun 1923 akhirnya berhasil mengenali spektrum yang diprediksi oleh Niels Bohr dalam sampel zirkon dari Norwegia dan Greenland. Setelah membuat penemuan di Kopenhagen, mereka menyebut unsur 72 dengan nama Latin kota ini: hafnia, yang kemudian diturunkan menjadi 'hafnium'.

Isolasi dan produksi

Namun, bukanlah tugas yang mudah untuk memisahkan atom hafnium dari yang ada di zirkonium, karena ukurannya yang mirip dan bereaksi dengan cara yang sama. Meskipun metode rekristalisasi pecahan telah dirancang pada tahun 1924 untuk memperoleh hafnium tetraklorida, HfCl ₄ , ahli kimia Belanda Anton Eduard van Arkel dan Jan Hendrik de Boer yang mereduksinya menjadi logam hafnium.

Untuk ini, HfCl ₄ mengalami reduksi menggunakan magnesium logam (proses Kroll):

HfCl ₄ + 2 Mg (1100 ° C) → 2 MgCl ₂ + Hf

Sebaliknya, mulai dari hafnium tetraiodida, HfI ₄ , diuapkan untuk menjalani dekomposisi termal pada filamen tungsten pijar, di mana hafnium logam diendapkan untuk menghasilkan batang dengan tampilan polikristalin (proses batang kristal atau Arkel- proses De Boer):

HfI ₄ (1700 ° C) → Hf + 2 I ₂

Struktur hafnium

Atom hafnium, Hf, berkumpul bersama pada tekanan ambien dalam kristal dengan struktur heksagonal kompak, hcp, seperti halnya logam titanium dan zirkonium. Kristal hcp hafnium ini menjadi fasa α-nya, yang tetap konstan hingga suhu 2030 K, saat mengalami transisi ke fasa β, dengan struktur kubik berpusat di badan, bcc.

Hal ini dapat dipahami jika dianggap bahwa panas "merelaksasi" kristal dan, oleh karena itu, atom Hf berusaha memposisikan diri sedemikian rupa untuk mengurangi pemadatannya. Kedua fase ini cukup untuk mempertimbangkan polimorfisme hafnium.

Demikian juga, ini menghadirkan polimorfisme yang bergantung pada tekanan tinggi. Fase α dan β ada pada tekanan 1 atm; sedangkan fase ω, heksagonal tetapi bahkan lebih padat dari hcp biasa, muncul ketika tekanan melebihi 40 GPa. Menariknya, ketika tekanan terus meningkat, fase β, yang paling tidak padat, muncul kembali.

Properti

Penampilan fisik

Padatan putih keperakan, yang menunjukkan warna gelap jika memiliki lapisan oksida dan nitrida.

Masa molar

178,49 g / mol

Titik lebur

2233 ºC

Titik didih

4603 ºC

Massa jenis

Pada suhu kamar: 13,31 g / cm ³ , dua kali lebih padat dari zirkonium

Tepat di titik leleh: 12 g / cm ³

Panas fusi

27,2 kJ / mol

Panas penguapan

648 kJ / mol

Elektronegativitas

1.3 pada skala Pauling

Energi ionisasi

Pertama: 658,5 kJ / mol (Hf ⁺ gas)

Kedua: 1440 kJ / mol (Hf ²⁺ gas)

Ketiga: 2250 kJ / mol (Hf ³⁺ gas)

Konduktivitas termal

23,0 W / (mK)

Resistivitas listrik

331 nΩ m

Kekerasan Mohs

5.5

Reaktivitas

Kecuali jika logam dipoles dan terbakar, mengeluarkan percikan api pada suhu 2000 ° C, ia tidak rentan terhadap karat atau korosi, karena lapisan tipis oksidanya melindunginya. Dalam pengertian ini, ini adalah salah satu logam paling stabil. Faktanya, baik asam kuat maupun basa kuat tidak dapat melarutkannya; Dengan pengecualian asam fluorida, dan halogen mampu mengoksidasi itu.

Konfigurasi elektronik

Atom hafnium memiliki konfigurasi elektronik berikut:

4f ¹⁴ 5d ² 6s ²

Ini bertepatan dengan fakta termasuk golongan 4 dari tabel periodik, bersama dengan titanium dan zirkonium, karena ia memiliki empat elektron valensi pada orbital 5d dan 6s. Perhatikan juga bahwa hafnium tidak bisa menjadi lantanoid, karena orbital 4fnya terisi penuh.

Bilangan oksidasi

Konfigurasi elektron yang sama mengungkapkan berapa banyak elektron yang secara teoritis mampu hilang oleh atom hafnium sebagai bagian dari suatu senyawa. Dengan asumsi ia kehilangan empat elektron valensinya, ia akan tetap sebagai kation tetravalen Hf ⁴⁺ (dalam analogi Ti ⁴⁺ dan Zr ⁴⁺ ), dan karenanya akan memiliki bilangan oksidasi +4.

Ini sebenarnya adalah bilangan oksidasi yang paling stabil dan umum. Lainnya yang kurang relevan adalah: -2 (Hf ^2- ), +1 (Hf ⁺ ), +2 (Hf ²⁺ ) dan +3 (Hf ³⁺ ).

Isotop

Hafnium terjadi di Bumi sebagai lima isotop stabil dan satu radioaktif dengan masa hidup yang sangat lama:

- ¹⁷⁴ Hf (0,16%, dengan waktu hidup rata-rata 2 · 10 ¹⁵ tahun, sehingga dianggap stabil secara praktis)

- ¹⁷⁶ Hf (5,26%)

- ¹⁷⁷ Hf (18,60%)

- ¹⁷⁸ Hf (27,28%)

- ¹⁷⁹ Hf (13,62%)

- ¹⁸⁰ Hf (35,08%)

Perhatikan bahwa tidak ada isotop yang menonjol dalam jumlah besar, dan ini tercermin dalam massa atom rata-rata hafnium, 178,49 amu.

Dari semua isotop radioaktif hafnium, yang bersama-sama dengan yang alami berjumlah total 34, ^178m2 Hf adalah yang paling kontroversial karena dalam peluruhan radioaktifnya melepaskan radiasi gamma, itulah sebabnya atom-atom ini dapat digunakan sebagai senjata perang. .

Aplikasi

Reaksi nuklir

Hafnium adalah logam yang tahan terhadap kelembapan dan suhu tinggi, serta merupakan penyerap neutron yang sangat baik. Untuk alasan ini, ia digunakan dalam reaktor air bertekanan, serta dalam pembuatan batang kendali untuk reaktor nuklir, yang lapisannya terbuat dari zirkonium ultra-murni, karena harus mampu mentransmisikan neutron melaluinya. .

Paduan

Atom hafnium dapat mengintegrasikan kristal logam lain untuk menghasilkan paduan yang berbeda. Ini ditandai dengan tangguh dan tahan panas, sehingga dimaksudkan untuk aplikasi luar angkasa, seperti dalam konstruksi nozel mesin untuk roket.

Di sisi lain, beberapa paduan dan senyawa hafnium padat memiliki sifat khusus; seperti karbida dan nitrida, masing-masing HfC dan HfN, yang merupakan bahan yang sangat tahan api. Tantalum hafnium carbide, Ta ₄ HfC ₅ , dengan titik leleh 4215 ° C, adalah salah satu bahan paling tahan api yang pernah dikenal.

Katalisis

Metalosen hafnium digunakan sebagai katalis organik untuk sintesis polimer seperti polietilen dan polistiren.

Resiko

Tidak diketahui hingga saat ini apa dampak ion Hf ⁴⁺ terhadap tubuh kita . Di sisi lain, karena ditemukan di alam dalam mineral zirkonium, mereka diyakini tidak mengubah ekosistem dengan melepaskan garamnya ke lingkungan.

Namun, dianjurkan untuk menangani senyawa hafnium dengan hati-hati, seolah-olah beracun, meskipun tidak ada penelitian medis yang membuktikan bahwa senyawa tersebut berbahaya bagi kesehatan.

Bahaya sebenarnya dari hafnium terletak pada partikel padat yang ditumbuk halus, yang hampir tidak bisa terbakar saat bersentuhan dengan oksigen di udara.

Hal ini menjelaskan mengapa ketika dipoles, suatu tindakan yang mengikis permukaannya dan melepaskan partikel logam murni, percikan api yang terbakar dilepaskan dengan suhu 2000 ºC; yaitu, hafnium menunjukkan sifat piroforik, satu-satunya properti yang memiliki risiko kebakaran atau luka bakar serius.

Referensi

1. Menggigil & Atkins. (2008). Kimia anorganik. (Edisi keempat). Mc Graw Hill.
2. Wikipedia. (2020). Hafnium. Dipulihkan dari: en.wikipedia.org
3. Steve Gagnon. (sf). Elemen Hafnium. Sumber Daya Lab Jefferson. Diperoleh dari: education.jlab.org
4. Editor Encyclopaedia Britannica. (18 Desember 2019). Hafnium. Encyclopædia Britannica. Diperoleh dari: britannica.com
5. Dr Doug Stewart. (2020). Fakta Elemen Hafnium. Diperoleh dari: chemicool.com
6. Pusat Nasional untuk Informasi Bioteknologi. (2020). Hafnium. Basis Data PubChem, AtomicNumber = 72. Diperoleh dari: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
7. K. Pandey dkk. (sf). Investigasi ulang polimorfisme tekanan tinggi dalam logam Hafnium. Diperoleh dari: arxiv.org
8. Eric Scerri. (1 September 2009). Hafnium. Kimia dalam Unsurnya. Diperoleh dari: chemistryworld.com