Son Haberler

Hafniyum Nedir, Özellikleri Nelerdir?

-
Eylül 18, 2022
Hafniyum Nedir, Özellikleri Nelerdir?

Hafniyum, inanılmaz bazı özellikleri ile bir hayli metalden ayrılır. Özellikleri bakımından zirkonyumun ikizi gibidir. İsmini Kopenhag’dan almıştır.

Hafniyum Nedir, Özellikleri Nelerdir?

Hafniyum, zirkonyumla bir hayli bakımdan eşlik gösteren kullanışlı bir metaldir. Zirkonyumla aynı minerallerde bulunurlar ve ayrıştırılmaları çok efordur. En ehemmiyetli özelliği, yüksek termal nötron tutma alanıdır. Korozyon direnci de çok yüksek olan hafniyum, harikulade mekanik özelliklere sahiptir. Hafniyum rezervleri, zirkonyum rezervleri ile iletişimlidir. Başka Bir Deyişle zirkonyum rezervleri tükenirse hafniyum da tükenir. Bileşikleri ve alaşımları bir hayli üründe ehemmiyetli roller üstlenir. Jet motorlarından bilgisayar devrelerine kadar hafniyumdan bir parça bulmak olası. Yazımızda hafniyumla alakalı bir hayli ayrıntıyı derledik.


Tarihçesi

Hafniyum, 1923 senesinde Danimarka’da keşfedilmiştir. 1869 senesinde varlığı varsayım edilen; ancak 1923 senesine kadar belirlenemeyen bir elementtir.

1869 senesinde yayınlanan “Kimyevi Elementlerin Periyodik Kanunu” isimli kitapta, titanyum ve zirkonyumdan daha ağır; ancak eş özellikler gösteren bir elementin varlığı öngörüldü. 1911 senesinde Georges Urbain, ender toprak elementi olarak keşfettiği lutesyumun, 1869 senesinde varsayım edilen “72” numaralı element olduğunu öne sürdü. Bu elementi de “celtium” olarak adlandırdı. Ancak 3 sene sonra bu elementin keşfedilen ender toprak elementlerinin lantanitler bir parçası olduğu ortaya çıktı.

1921 senesinde Neils Bohr, zirkonyum madenindeki noksan elementi aramak için Macar kimyacı George Charles de Hevesy’e öneri götürdü. Bohr’un kuramına göre yeni element zirkonyumla beraber bulunuyordu özellikleri bakımından zirkonyumla ilişkili olmalıydı. Bohr’un önerisi üzerine Macar kimyacı Hevesy ve Hollandalı fizikçi Dirk Coster zirkonyum mineralinde çalışmaya başladı. Coster ve Hevesy, zirkonyum madeni numunesindeki atomların dış elektron kumpasını araştırmak için x ışını spektroskopisi olarak öğrenilen bir yöntem kullandı. Bu yöntemle elde edilen bilgiler, daha evvel varsayım edilen 72 numaralı “noksan elementin” özellikleri ile eşleşti. 1925 senesinde Anton Eduard van Arkel ve Jan Hendrik de Boer, hafniyum teraiyodid buğusunu ısıtılmış bir tungsten filaman üzerine geçirerek Kroll yöntemi metalik hafniyum elde eden ilk kimyacılar oldu.

“Hafniyum” sözcüğü, Latince “Hafnia” başka bir deyişle “Kopenhag” kelimesinden türetilmiştir. Hafniyumun keşfedildiği kent olduğu için Kopenhag’dan esinlenilmiştir.


Fiziksel ve Kimyevi Özellikleri

Hafniyumun kimyevi simgeyi “Hf”dir. Atom numarası 72, atom ağırlığı 178,6, yoğunluğu 13,31 gcm3’cins. Erime noktası 2233 derece, kaynama noktası 4603 derecedir. Dört değerliklidir, geçiş metalleri element serisinde yer alır. Parlak, gümüşî gri renkte ve sünek bir metaldir. Kristal yapısı hekzagonaldır. Kimyevi özellikleri bakımından zirkonyumla eşlikler gösterir. Kimyevi tepkimeleri ve bileşikleri dahi eştir. Elektronik yapılandırmaları, iyon yarıçapları hemen hemen aynıdır. Zirkonyumla yoğunlukları bakımını ufalar. Hafniyumun yoğunluğu zirkonyumdan takribî iki kat fazladır. Erime ve kaynama noktaları ve çözünürlükleri de bu kardeş elementleri ayıran öbür kimyevi değişikliklerdir.

Havada oksitlenerek yüzeyinde korozyonu önleyen gözetici bir film katmanı oluşur. Bu katman çok yüksek korozyon mukavemetine sahiptir ve nitritten dahi korur. Metal asitlerinden ve alkalilerden etkilenmez. Hidroflorik asitte çözünür. Halojenlerle oksitlenebilir veya havada yanabilir. Hafniyum tetrahalidleri oluşturmak için halojenler hafniyumla tepkine girer. Zirkonyum gibi yüksek yüzey alanlarına sahip partikülleri havada alevlenebilir. Metal yoğun alkalilere dayanıklıdır. Hafniyum, +4 oksidasyon vaziyetinde inorganik bileşikler oluşturma meyli gösterir. Yüksek sıcaklıklarda oksijen, azot, karbon, bor, silisyum ve kükürt ile tepkine girer.

Tabiatta az tesadüfülen elementlerdendir. Yerkabuğunda ağılığına göre milyonda 3,3 oranında bulunduğu varsayım ediliyor. Güneş atmosferinde de hafniyum buğuyu tespit edilmiştir. Tabiatta özgür olarak bulunmaz. Genellikle zirkonyum minerallerinde bulunur. Bu mineraller; zirkon, alvit ve thorvetittir. Dünyadaki tam hafniyum elementinin en ehemmiyetli kaynağı zirkondur. Zirkonyum minerallerinin çoğu yüzde 1 ila 5 oranlarında hafniyum kapsar. Zirkon minerali, rutil ilmenit ve kalay gibi ağır minerallerin elde edildiği sahil kumlarındaki plaser şirketlerinin yan ürünü olarak elde edilir. Hafniyum, zirkonyum metalinin ayrıştırılması sırasında elde edilen yan üründür. Minerallerde zirkonyumdan ayrıştırılması çok güçtür. Zirkonyumdan, amonyum veya potasyum floridlerin tekerrür tekerrür kristalleştirilmesi neticeyi ayrıştırılır. Metalik hafniyum, tetraklorürün magnezyum ya da sodyum ile indirgenmesi yöntemi ile elde edilir.

Hafniyum, yarılanma ömürleri öğrenilen ve kütle numaraları 154 ila 185 arasında değişen en az 34 izotopa sahiptir. Tabiatta 6 adet kararlı izotopu vardır. Bu izotoplar ve hafniyum içerikleri şöyledir; Hf-174 % 0,2, Hf-176 % 5,3, Hf-177 % 18,6, Hf-179 % 13,6, Hf-180 % 35,1. Radyoaktif izotoplarının yarılanma ömürleri çok kısadır.

Hangi Alanlarda Kullanılır?

Hafniyumun en büyük kullanımı jet motorlarıdır. Jet motorlarının ateşleme kısmındaki türbin fanlarında karışım toplayıcı olarak kullanılır. Motor yararını ve yüksek sıcaklık sürtünme dayanımını kumpaslar. İkinci büyük kullanım alanı ise, nükleer reaktör hakimiyet çubuklarıdır. Sıcak su eskime dayanımı çok yüksektir ve kolay tel haline getirilebilir. Termal nötron absorbsiyon kesiti de büyük olduğu için reaktör hakimiyet çubukları için çok ideal bir elementtir. Nükleer yakıtı tekerrür işleyen santrallerde, bakır elektrot başlıklarda ve kulaklık mıknatıslarında da kullanımı vardır. Hafniyum oksit, nükleer reaktörlerde takribî 200 derecede termobakır ayırma harekâtında kullanılır. Az ölçüde zirkonyum kapsayan hafniyum, spektrografik kimyevi ürünlerde; barit, karpit, klorit, hidrit ve oksiklorit kapsayan hafniyum bileşikleri özel reaktörlerde, kesici aletlerde ve kimyevi harekâtlarda kullanılır. Ayrıca, vakum tüplerinde gaz giderici olarak da kullanılmaktadır. Süper alaşımlar; niyobyum, titanyum ve tungten ile beraber hafniyum da kapsar. Demir, titanyum, nikel, niyobyum ve tantal gibi metallerle alaşımları değişik alanlarda kullanılır. Hafniyum karbür, öğrenilen en refrakter bileşiktir.

Hafniyum, bileşikleri ve alaşımlarının kullanıldığı bazı ürünler şunlardır; tazyikli su reaktörleri, nötron soğurucular, askeri reaktörler, roketler, akkor lambalar, elektrotlar, nükleer denizaltılar, flaş ampulleri, ampul filamanları, kondansatörler, bilgisayar devreleri…


Bunları Öğreniyor Musunuz?

Hafniyumun en ehemmiyetli özelliği, yüksek termal nötron tutma kesitidir. Bazı hafniyum izotoplarının çekirdeklerin her biri iki veya daha fazla nötron absorbe edebilir.
Zirkonyumun nükleer uygulamalarda kullanılabilmesi için yüksek termal nötron tutma kesiti nedeniyle hafniyumdan tamamen ayrıştırılması gerekir.
Hafniyumun nötron tutula kesit alanı zirkonyumdan takribî 600 kat daha fazladır.
Hafniyum ile zirkonyumun kimyevi tavırlarının eşliği, öbür element çiftlerinden daha fazladır. Bileşikleri ve çözünürlükleri arasında dahi ufak nicelik farkları vardır.
Hafniyum harikulade mekanik özelliklere ve inanılmaz korozyon mukavemetine sahip bir elementtir.
Hafniyum karbür bileşiği, 3890 derecede erir. Bu değer, iki elementli bileşikler arasındaki azami erime noktası değeridir. Hafniyum nitrit bileşiğinin erime noktası ise 3305 derecedir.
Hafniyum bileşikleri toksik özellikler gösterebilir. Metal tozu piroforilktir; başka bir deyişle kendiliğinden yanma ve patlama riski vardır. Ancak toksitesi ve insan sıhhatine tesirleri ile alakalı henüz kesin bilgiler elde edilemedi. Saatte 0,5 miligram hafniyuma maruz kalınmasının cilt, solunum yolları, göz ve mukozalarda tahrişlere yol açabileceği belirtiliyor.
Hf-180 izotopu, tıbbi uygulamalarda kullanılan radyoaktif izotop Tantal-179 ve hafniyumun radyoaktif izotoplarından Hf-181’in yapımı için kullanılır.
Hf-178 izotopu, nükleer izomerdir, yüksek enerji kapsar ve yapımı çok maliyetlidir. Başka Bir Deyişle, nükleonlarından birinin veya daha aşırısının uyarılması neticeyi yarı kararlı gidişata geçen atom çekirdeği vardır. Bu nedenle yüksek özellikli silah olarak kullanılabileceği ile alakalı müzakerelere yol açmıştır. Maliyeti nedeniyle kullanımı uygulanamamıştır. Gama ışını lazerlerinde kullanılabileceği değerlendiriliyor.
Dünyadaki hafniyum rezervlerinin arza göre takribî 10 sene daha yetebileceği varsayım ediliyor. Ancak düşük arzların zirkonyum minerallerinden yan ürün olarak uzun zaman karşılanabileceği öngörülüyor.
Hafniyum rezervleri bakımından zengin ülkeler şunlardır; Brezilya, Malavi, Avustralya, Batı Afrika, Hindistan, ABD.
Türkiye’de bazı sahil kumlarında zirkon mineralleri bulunur; ancak ekonomik bulunmadığı için zirkonyum ve hafniyum madenciliği yapılmıyor.