Kernonderzeeër, kernreactorregeling
Hafnium is een zeer goede neutronenvanger en kan goed tegen straling en hoge temperaturen. Bovendien is het zeer sterk en corrosiebestendig. Hafnium wordt daarom veel gebruikt in controle-, regel- of remstaven in kernreactoren. De eerste kernonderzeeër Nautilus, die in 1958 bekendheid verwierf door als eerste onder de ijskap naar de Noordpool te varen, was er al mee uitgerust.
Hafnium is ook een geschikt materiaal voor stralingsschilden en voor de opslag van de splijtstof van kernreactoren. Zowel zuiver hafnium als legeringen met zirkonium worden hiervoor gebruikt.
Gasvanger vacuümbuis
Hafnium is goed in staat (sporen van) gassen te absorberen. Het wordt daarom toegepast in vacuümbuizen in de hoogfrequent-techniek.
Straalmotor
Sterke en hittebestendige legeringen van bijvoorbeeld nikkel met hafnium vind je in de straalmotoren van vliegtuigen en de straalpijpen van raketten.
Gereedschap
Verbindingen als hafniumboride, -oxide en -carbide zijn extreem hard. Ze worden daarom gebruikt op de snijvlakken van boor- en snijgereedschappen en als beschermlaag op metaal.
Computerchip
Met hafniumoxide als isolatormateriaal zijn bij de fabricage van computerchips kleinere details te realiseren (minder dan een twintigste micrometer). Dat resulteert in meer complexe en snellere chips.
Meer toepassingen
Als element en in legeringen
- gloeidraad in (flits)lampen (zuiver en in legering met W)
In verbindingen
- isolator voor thermokoppels HfO2
- etsen van glas HfF4
Naam
De naam hafnium verwijst naar Kopenhagen, de stad waar hafnium ontdekt werd (in het laboratorium van de fameuze scheikundige Niels Bohr). De oude Latijnse naam voor Kopenhagen is Hafnia.
Ontdekking
In 1914 werd duidelijk dat er nog vier elementen ontbraken in het periodiek systeem. In 1871 was Dmitri Mendelejev bij het opstellen van de rangorde voornamelijk uitgegaan van de atoommassa als bepalende parameter. Röntgenspectroscopisch onderzoek van de Engelse natuurkundige Henry Moseley bracht echter aan het licht dat de kernlading van atomen (het atoomnummer) de juiste onderscheidende factor moest zijn. Hij concludeerde dat er nog vier niet-ontdekte elementen waren, met atoomnummers 43, 61, 72 en 75.
Aangezien de systematiek van de indeling van het periodiek systeem nog niet precies was doorgrond, bleef onduidelijk op welke plaats deze elementen moesten komen. De Franse chemicus Georges Urbain (foto) was er van overtuigd dat element 72 bij de zeldzame aarden thuishoorde. Hij claimde de ontdekking en noemde het element celtium (een referentie aan de Kelten). De claim werd uiteindelijk afgewezen, vooral omdat met Mosely's analysetechniek in celtium geen atomen met kernlading 72 te vinden waren.
In 1923 was de theorie over de structuur van atomen (en dienovereenkomstig de opbouw van het periodiek systeem) al weer een stuk verder. Het leidde tot de suggestie (volgens sommigen van Niels Bohr zelf) dat het ontbrekende element 72 erg op zirkonium moest lijken. Dat was de beslissende aanwijzing. De Nederlandse natuurkundige Dirk Coster (foto) slaagde er nog datzelfde jaar in het element met behulp van röntgenanalyse aan te tonen in zirkoniumerts. Hij werkte daarvoor samen met de Hongaarse radiochemicus George de Hevesy (Nobelprijswinnaar Chemie in 1943).
Hafnium werd voor het eerst als metaal geïsoleerd door De Hevesy in samenwerking met Valdemar Thal Jantzen, door scheiding van de zirkonium- en hafniumammoniumfluorides.
Zeer zuiver hafnium werd in 1925 voor het eerst gemaakt door de Nederlanders Anton Eduard van Arkel en Jan Hendrik de Boer met behulp van het naar hen genoemde proces, via de ontleding van hafniumjodide op een gloeiende wolfraamdraad.
Voorkomen
Hafnium staat op plaats 46 in de lijst van meest voorkomende elementen in de aardkorst. Het gewichtsaandeel is 3,0.10-4 %.
Hafnium is te vinden in hafnon (HfSiO4, foto), in zirkoniummineralen (tot ca. 5 % HfO2) en in thortveïtiet ((Sc,Y)2Si2O7, met ca. 2 % HfO2).
Winning
De belangrijkste wingebieden liggen in Brazilië, Noorwegen en Madagascar.
Vroeger
Het eerste hafnium werd bereid door uit zirkoniummineralen zowel de hafniumverbindingen als de zirkoniumverbindingen om te zetten in ammonium- of kaliumhafniumhexafluoride respectievelijk ammonium- of kaliumzirkoniumhexafluoride. De beide dubbelzouten zijn via herhaalde gefractioneerde kristallisatie van elkaar te scheiden. Reductie van de aldus verkregen zuivere hafniumverbindingen met natrium levert vervolgens metallisch hafnium.
Tegenwoordig
Hafnium wordt vooral gemaakt via gefractioneerde destillatie van zirkoon met POCl3. Het gevormde ZrOCl2 en HfOCl2 worden daarbij van elkaar gescheiden. De scheiding kan ook met behulp van vloeistofextractie, ionenwisseling of absorptie aan silicagel.
Om er vervolgens metaal van te maken wordt HfOCl2 opgelost in methanol, waarna toevoeging van ammonia HfO2 doet neerslaan. Hiervan wordt eerst HfCl4 gemaakt. Tenslotte levert reductie met magnesium het metaal:
HfCl4 + 2 Mg --> Hf + 2 MgCl2
Bijzonder zuiver hafnium is te maken met het in 1925 ontwikkelde proces van de Nederlandse chemici Anton Eduard van Arkel en Jan Hendrik de Boer. Hierbij wordt onzuiver hafnium in een vat met zeer lage druk gebracht, waarin zich wat jood bevindt. Bij verhitting tot ongeveer 200 °C reageert het hafnium tot HfI4. Dit verdampt en ontleedt in de buurt van een hete gloeidraad met een temperatuur van circa 1.300 °C) in jood en hafnium. Het gevormde hafnium slaat dan neer op de gloeidraad (van wolfraam).