Hafnium

Hafnium (72) [Hf]

Chemische Formel: Hf
Ordnungszahl: 72
Serie: Metalle
Aussehen:
 silbrig glänzend
Masseanteil Erdhülle: 3 ppm

Aggregatszustand:
fest
Dichte:
 13,31 g·cm−3
Schmelzpunkt:
 2233 °C

Siedepunkt: 4603 °C
Mohshärte: 5,5

Molares Volumen: 13,44 · 10−6 m3/mol

Schmelzwärme: 27,2 kJ/mol

Verdampfungswärme: 571 kJ/mol
CAS: 7440-58-6

GHS Gefahrenstoffkennzeichnung:
H: 250‐260
P: 231+232‐280‐302+334


EU-Gefahrenstoffkennzeichnung:
R: 11‐17
S: 16‐33

Warnhinweis gilt für Hafnium-Pulver:


Hafnium

Hafnium Metall (Reinheit: 99,9% Hf)

Hafnium metal (purity: 99.9% Hf)

 

CAS: 7440-58-6
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CAS: 12055-23-1

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Geschichte

Hafnium wurde 1923 von dem ungarischen Chemiker George de Hevesy und dem niederländischen Physiker Dirk Coster in Kopenhagen entdeckt.

Sie suchten nach dem fehlenden Element mit der Ordnungszahl 72 im Periodensystem, das Dmitri Mendelejew zuvor als Eka-Zirkonium vorausgesagt hatte.
Basierend auf Niels Bohrs Modell des Periodensystems und Röntgenspektralanalysen untersuchten sie norwegisches Zirkonmineral (ZrSiO4). Sie fanden charakteristische Spektrallinien, die schließlich dem neuen Element zugeordnet wurden.

De Hevesy und Coster nannten es Hafnium nach der Stadt ihrer Entdeckung (Kopgenhagen lateinisch: Hafnia). Die Trennung von Hafnium und Zirkonium gelang durch fraktionierte Kristallisation von Fluoridverbindungen. Aufgrund ihrer chemischen Ähnlichkeit war dies ein aufwendiger Prozess, der die enge Verwandtschaft der beiden Elemente bis heute unterstriecht.

Physikalische und Chemische Eigenschaften

Hafnium ist ein silberglänzendes, duktiles und korrosionsbeständiges Schwermetall.

Es kristallisiert in einer hexagonal-dichten Packung und zeigt bei hohen Temperaturen eine Phasenumwandlung zur kubisch-raumzentrierten Struktur.

Hafnium ist chemisch sehr ähnlich zu Zirkonium und bildet mit diesem feste Lösungen in allen Verhältnissen. Es ist unedel, reagiert jedoch langsam mit Säuren und Laugen. An der Luft bildet sich eine passivierende Oxidschicht. Mit Halogenen reagiert es bei erhöhten Temperaturen zu Halogeniden. Hafniumverbindungen ähneln denen von Zirkonium stark, einschließlich der Bildung von Hafniumdioxid (HfO2), das hochschmelzend und stabil ist.

Bei langsamer Abkühlung aus der Schmelze entstehen große Kristalle. Reines Hafnium ist mechanisch bearbeitbar und wird oft, um zirkonfreie Qualitäten zu erzeugen, durch Zonenschmelzen weiter gereinigt.

Verwendung

Hafnium wird aufgrund seiner Seltenheit und der schwierigen Trennung von Zirkonium nur in spezialisierten Anwendungen eingesetzt.
Der Großteil des produzierten Hafniums dient als Absorbermaterial für Neutronen in Kernreaktoren, insbesondere in Steuerstäben von U-Booten und Kernkraftwerken, da es einen hohen Neutroneneinfangquerschnitt hat und korrosionsbeständig ist.
Hafniumcarbid (HfC) und Hafniumnitrid (HfN) gehören zu den hitzebeständigsten bekannten Materialien mit Schmelzpunkten über 3000 °C und werden in Legierungen für Schneidwerkzeuge, Beschichtungen und Raumfahrtkomponenten verwendet.
Hafniumdioxid findet Anwendung als Dielektrikum in Halbleitern (High-k-Dielektrika) für moderne Prozessoren.
Legiert mit Titan, Niob oder Tantal verbessert Hafnium die Hochtemperaturfestigkeit und wird in Turbinenschaufeln von Flugzeugtriebwerken eingesetzt.

Hafnium ist zudem Dotierstoff in Supraleitern und dient in der Plasmatechnik als Getter-Material.
Aufgrund seines hohen Schmelzpunkts und der chemischen Stabilität wird Hafnium in Lampenfilamenten und als Kathodenmaterial in Röntgenröhren genutzt.

Toxikologie und Gefahren

Für Hafniummetall liegen begrenzte toxikologische Daten vor. Elementares Hafnium gilt als wenig toxisch, da es nicht bioverfügbar ist und keine akuten Vergiftungen bekannt sind.
Hafniumverbindungen können jedoch reizend auf Haut, Augen und Atemwege wirken, insbesondere in Pulverform.
Hafniumpulver ist pyrophor und kann sich an der Luft selbst entzünden, weshalb es unter inerten Bedingungen gehandhabt werden muss. Es reagiert mit starken Oxidationsmitteln und Säuren unter Wasserstoffentwicklung.
Lagerung erfolgt getrennt von brennbaren Stoffen und in trockener Umgebung.Hafnium ist nicht korrosiv gegenüber den meisten Metallen, kann aber bei hohen Temperaturen Legierungen bilden. In kerntechnischen Anwendungen muss eine Kontamination mit Zirkonium vermieden werden, um die Neutronenabsorptionseigenschaften zu erhalten.