Емблема кафедри ФХОТМ.Перехід на головну сторінку
Кафедра фізико-хімічних основ технології металів
КПІ ім. Ігоря Сікорського
Новини Гостьова книга Форум Чат Дошка пошани Корисні посилання Адреса
Вступ (абітурієнтам)

Хімічні близнюки

Hf

Напевно, ніхто з тих, хто зараз читає ці рядки, бачив своїми очима гафній - сріблясто-білий блискучий метал. Запаси його в природі не назвеш мізерними: досить сказати, що гафнію в 25 разів більше, ніж срібла, і в тисячу (!) разів більше, ніж золота. А вже срібло та золото, напевно, бачив кожен. Чим же пояснити такий парадокс?

У всьому винна надзвичайна розсіяність гафнію: він так розпорошений по білому світу, що на всій землі немає жодного родовища цього елемента. Немов тінь, він невідступно слідує за цирконієм: у будь-якому мінералі цирконію є хоч трохи гафнію. Однак лише циркон, в якому на кожні сто атомів цирконію припадає в середньому всього один атом гафнію, може бути використаний промисловістю у якості гафнієвої сировини. Але між "може бути використаний" і металевим гафнієм лежить довгий і складний технологічний шлях. І ускладнює його не хто інший, як ... цирконій.

Справа в тому, що цирконій і гафній - хімічні близнюки. "Ось так близнюки, - вправі заперечити допитливий читач. - Адже цирконій був відкритий в 1789 році і, значить, старше гафнію мало не на півтора століття. Він йому в пра-пра-прадіди годиться!" І тим не менш рідкісна пара елементів може продемонструвати настільки разючу подібність хімічних властивостей, якими володіють цирконій і гафній. До сих пір не знайдено хімічної реакції, в яку вступав б один з них і не бажав би вступати інший.

Через ці подібності хіміки довго не помічали гафній, і тому той виявився значно молодшим цирконію. Вони ж ставлять на шляху технологів, які прагнуть розлучити близнюків, численні "перепони і рогатки". Ще не так давно для поділу цирконію та гафнію доводилося виконувати 500 операцій розчинення і кристалізації, заснованих на буквально мікроскопічній різниці в розчинності солей цих елементів. Неважко уявити, у що обходилася така процедура. Тому до середини XX століття ніхто не займався виробництвом гафнію в промисловий масштабах: потрібен він був тільки вченим для дослідницьких цілей - їм вистачало декількох кілограмів на рік. Що ж до цирконію, який завжди містив домішки гафнію, то великим лихом це не вважалося: "Гафній, так гафній. Хіба він заважає цирконію?"

До пори до часу гафній і справді не заважав своєму більш маститому побратиму. Цирконій зазвичай використовували як корозійностійкий матеріал, і домішки гафнію, якому боротьба з корозією теж була цілком по плечу, не ставала ложкою дьогтю. Але коли цирконій отримав відповідальне призначення і став служити "одягом" уранових стрижнів в ядерних реакторах, спорідненість з гафнієм могла згубно вплинути на його "кар'єру". Справа в тому, що, незважаючи на незвичайну подібність цих елементів, з одного питання все ж таки їх "думки" принципово розходяться. "Пропускати або не пропускати нейтрони"? - Цю дилему кожен з них вирішує по-своєму: якщо цирконій практично прозорий для нейтронів, то гафній, навпаки, жадібно їх поглинає. Матеріал, в який "одягають" уран, не повинен бути перешкодою для ініціаторів ядерної реакції. Чистий цирконій підходить для цієї мети найкраще. Але присутність у ньому усього лише 2 % гафнію погіршує "пропускну здатність" цирконію в 20 разів.

Вчені змушені були серйозно задуматися над проблемою отримання цирконію так званої реакторної чистоти, тобто такого цирконію, який практично не містить гафнію (не більше 0,01 %). Півтисячі операцій, зрозуміло, не влаштовували промисловість, і наука знайшла вихід: незабаром був розроблений досить ефективний і економічний спосіб очищення цирконію від гафнію. Гафній ж у вигляді гідроксиду, що отримується в процесі поділу, спочатку розглядався як побічний продукт. Однак незабаром ці погляди довелося змінити: техніці потрібен був і сам гафній, причому для чого б ви думали? Для використання в ... ядерних реакторах, де він раніше вважався персоною "нон-грата".

Жоден реактор не міг би працювати без регулюючих стрижнів. Ці стрижні створюють непрохідний бар’єр для нейтронів і дозволяють управляти ходом ядерної реакції. Коли регулюючі стрижні виведені з активної зони реактора, нейтрони виходять у простір, де починають швидко "розмножуватися" і реакція протікає все енергійніше. Але за нейтронами потрібне око та око. Якщо не стримувати їх "пориви", реактор перетвориться в ... атомну бомбу з усіма можливими негативними наслідками. Щоб цього не сталося, регулюючі стрижні поглинають надлишкові нейтрони. Ну, а спробуйте знайти кращий за гафній поглинач нейтронів, та ще з такою чудовою механічною міцністю, з таким умінням чинити опір корозії і високим температурам?

Якщо на початок 50-х років XX століття в США було отримано менше 50 кілограмів гафнію, то вже приблизно через 10 років щорічне його виробництво сягало більше 60 тонн. При цьому на порядку денному вже стояло питання щодо отримання ультрачистого гафнію - без згубних домішок цирконію, що заважає йому працювати в ядерній енергетиці.

Як і більшість інших нових матеріалів, гафній навіть зараз ще дуже дорогий: гафнієвий прокат в кілька разів дорожче срібла. Це, з одного боку, стримує його застосування, а з іншого - висуває хімікам і металургам законну вимогу: створити такі способи отримання цього металу, які дозволили б різко знизити його вартість. Значні перспективи має для цієї мети застосування так званих іонообмінних смол. Якщо через колонку, що містить ці смоли, пропустити розчин цирконію та гафнію, то на виході в розчині не опиниться гафнію - він "застрягне" в смолах, а в результаті наступної промивки колонки кислотою постане очищеним від цирконію.

На гафній починають претендувати різні галузі техніки. Металурги, наприклад, не без підстав вважають, що він може благотворно впливати на механічні властивості інших металів, брати участь у створенні спеціальних жаростійких сталей. Тугоплавкість гафнію (температура плавлення понад 2200 °C!) в поєднанні зі здатністю швидко поглинати і віддавати тепло роблять його перспективним конструкційним матеріалом для деталей реактивних двигунів (турбінних лопаток, клапанів, сопел і т. д.). Правда, є одне "але": гафній декілька важкуватий – він удвічі важчий за цирконій і втричі важчий за титан. А вже з таким легкоатлетом, як берилій, і порівнювати не доводиться! У хімічному машинобудуванні цей недолік проявляється в меншій мірі, зате високі антикорозійні властивості гафнію тут можуть бути оцінені по достоїнству.

Не можна не сказати про використання гафнію в електротехнічній і радіотехнічної промисловості. Його застосовують при виготовленні радіоламп, рентгенівських і телевізійних трубок. Добавки двоокису гафнію до вольфраму різко збільшують термін служби ниток розжарювання. Інші сполуки гафнію - нітрид і особливо карбід, який плавиться майже при 4000 °C, займають почесне місце в списку особливих вогнетривких матеріалів.

В кінці XX століття на сторінках газет і журналів з'явилося нове слово "фіаніти". Так вчені Фізичного інституту імені П. М. Лебедєва Академії наук СРСР вирішили назвати отримані ними рукотворні дорогоцінні камені - синтетичні монокристали двоокисів цирконію і гафнію. Граючи всіма кольорами веселки (незначні добавки різних елементів дозволяють отримувати кристали практично будь-якого забарвлення), фіаніти не поступаються по красі сапфіру, топазу, аквамарину, гранату та іншим чудовим природним каменям. Але красива зовнішність - не головна перевага фіанітів. Вони поєднують в собі багато унікальних властивостей: високий коефіцієнт заломлення (майже такий же, як у алмазів), твердість, тугоплавкість, хімічну стійкість. Якщо врахувати до того ж, що фіаніти порівняно недорогі, то стане зрозумілою та популярність, яку вони швидко завоювали в світі науки і техніки. З них виготовляють оптичні лінзи, призми, "вікна", які здатні працювати при високих температурах навіть в хімічно агресивних середовищах. У "послужному списку" фіанітів почесне місце займає їхня робота в якості лазерних матеріалів.

І все ж ядерна енергетика, яка споживає сьогодні понад 90 % добуваємого в світі гафнію, мабуть, довгі роки ще буде монополістом у витрачанні цього металу. Що ж: бути одним з найважливіших матеріалів в одній з найважливіших областей сучасної техніки - цьому, мабуть, можуть позаздрити багато інших металів.

(За матеріалами книги С. І. Венецького "Розповіді про метали" та Вікіпедії)

Історія
Персонал
Технічна база
Дисципліни
Студентам
Викладачам
Наукова робота та зв'язки
Видання кафедри
Здобутки
Випускники
Фотогалерея
Мультимедіа
Народна творчість
Студентський пульс
Публічна інформація
Вхід в систему:
Логін:
Пароль:

Новий користувач
Забули пароль ?
Зробити стартовою
Додати в вибране

Статистика:
Гостей: 1
Користувачів: 0
Зареєстровано: 49
     Зараз на сайті користувачів немає                    Найкращі користувачі сайту: Rybak (1982) , SZolotukhin (1682) , Iryna (888) , Bass (631) , nazar23 (551) , vendetta99 (475) , Dzhyhun (343) , Howo (322) , Zlkonstantin (177) , Ira (173)
Лічильник відвідувань сайту
з 5.02.2006 року
RAI Travel Сайт груп ФС
Україна онлайн
Счетчик PR-CY.Rank Счетчик PR-CY.Rank
Rambler's Top100
Украинский портАл Каталог MyList.com.ua
МЕТА - Украина. Рейтинг сайтов
bigmir)net TOP 100 Рейтинг@Mail.ru
Яндекс.Метрика каталог сайтів
На головну Новини Гостьова книга Форум Чат Дошка пошани Корисні посилання Адреса
Copyright © 2005-2017 Кафедра ФХОТМ, ІФФ, КПІ ім. Ігоря Сікорського, Київ
Designed by S. Rybak