Hafniyum Nedir, Özellikleri Nelerdir?
Hafniyum, olağanüstü bazı özellikleri ile birçok metalden ayrılır. Özellikleri bakımından zirkonyumun ikizi gibidir. Adını Kopenhag’dan almıştır.
Hafniyum, zirkonyumla birçok bakımdan benzerlik gösteren kullanışlı bir metaldir. Zirkonyumla aynı minerallerde bulunurlar ve ayrıştırılmaları çok güçtür. En önemli özelliği, yüksek termal nötron yakalama alanıdır. Korozyon direnci de çok yüksek olan hafniyum, mükemmel mekanik özelliklere sahiptir. Hafniyum rezervleri, zirkonyum rezervleri ile bağlantılıdır. Yani zirkonyum rezervleri tükenirse hafniyum da tükenir. Bileşikleri ve alaşımları birçok üründe önemli roller üstlenir. Jet motorlarından bilgisayar devrelerine kadar hafniyumdan bir parça bulmak mümkün. Makalemizde hafniyumla ilgili birçok detayı derledik.
Tarihçesi
Hafniyum, 1923 yılında Danimarka’da keşfedilmiştir. 1869 yılında varlığı tahmin edilen; ancak 1923 yılına kadar tanımlanamayan bir elementtir.
1869 yılında yayınlanan “Kimyasal Elementlerin Periyodik Yasası” adlı kitapta, titanyum ve zirkonyumdan daha ağır; ancak benzer özellikler gösteren bir elementin varlığı öngörüldü. 1911 yılında Georges Urbain, nadir toprak elementi olarak keşfettiği lutesyumun, 1869 yılında tahmin edilen “72” numaralı element olduğunu öne sürdü. Bu elementi de “celtium” olarak adlandırdı. Ancak 3 yıl sonra bu elementin keşfedilen nadir toprak elementlerinin (lantanitler) bir parçası olduğu ortaya çıktı.
1921 yılında Neils Bohr, zirkonyum cevherindeki eksik elementi aramak için Macar kimyager George Charles de Hevesy’e teklif götürdü. Bohr’un teorisine göre yeni element zirkonyumla birlikte bulunuyordu özellikleri bakımından zirkonyumla ilişkili olmalıydı. Bohr’un tavsiyesi üzerine Macar kimyager Hevesy ve Hollandalı fizikçi Dirk Coster zirkonyum mineralinde çalışmaya başladı. Coster ve Hevesy, zirkonyum cevheri numunesindeki atomların dış elektron düzenini incelemek için x ışını spektroskopisi olarak bilinen bir yöntem kullandı. Bu yöntemle elde edilen veriler, daha önce tahmin edilen 72 numaralı “eksik elementin” özellikleri ile eşleşti. 1925 yılında Anton Eduard van Arkel ve Jan Hendrik de Boer, hafniyum teraiyodid buharını ısıtılmış bir tungsten filaman üzerine geçirerek (Kroll yöntemi) metalik hafniyum elde eden ilk kimyagerler oldu.
“Hafniyum” kelimesi, Latince “Hafnia” yani “Kopenhag” sözcüğünden türetilmiştir. Hafniyumun keşfedildiği kent olduğu için Kopenhag’dan esinlenilmiştir.
Fiziksel ve Kimyasal Özellikleri
Hafniyumun kimyasal sembolü “Hf”dir. Atom numarası 72, atom ağırlığı 178,6, yoğunluğu 13,31 gcm3’tür. 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. Kimyasal özellikleri bakımından zirkonyumla benzerlikler gösterir. Kimyasal tepkimeleri ve bileşikleri bile benzerdir. Elektronik konfigürasyonları, iyon yarıçapları hemen hemen aynıdır. Zirkonyumla yoğunlukları bakımından ayrılır. Hafniyumun yoğunluğu zirkonyumdan yaklaşık iki kat fazladır. Erime ve kaynama noktaları ve çözünürlükleri de bu kardeş elementleri ayıran diğer kimyasal farklılıklardır.
Havada oksitlenerek yüzeyinde korozyonu önleyen koruyucu bir film tabakası oluşur. Bu tabaka çok yüksek korozyon direncine sahiptir ve nitritten bile korur. Metal asitlerinden ve alkalilerden etkilenmez. Hidroflorik asitte çözünür. Halojenlerle oksitlenebilir veya havada yanabilir. Hafniyum tetrahalidleri oluşturmak için halojenler hafniyumla reaksiyona girer. Zirkonyum gibi yüksek yüzey alanlarına sahip partikülleri havada tutuşabilir. Metal yoğun alkalilere dayanıklıdır. Hafniyum, +4 oksidasyon durumunda inorganik bileşikler oluşturma eğilimi gösterir. Yüksek sıcaklıklarda oksijen, azot, karbon, bor, silisyum ve kükürt ile reaksiyona girer.
Doğada az rastlanan elementlerdendir. Yerkabuğunda ağılığına göre milyonda 3,3 oranında bulunduğu tahmin ediliyor. Güneş atmosferinde de hafniyum buharı tespit edilmiştir. Doğada serbest olarak bulunmaz. Genellikle zirkonyum minerallerinde bulunur. Bu mineraller; zirkon, alvit ve thorvetittir. Dünyadaki bütün hafniyum elementinin en önemli kaynağı zirkondur. Zirkonyum minerallerinin çoğu yüzde 1 ila 5 oranlarında hafniyum içerir. Zirkon minerali, rutil ilmenit ve kalay gibi ağır minerallerin elde edildiği sahil kumlarındaki plaser işletmelerinin yan ürünü olarak elde edilir. Hafniyum, zirkonyum metalinin ayrıştırılması sırasında elde edilen yan üründür. Minerallerde zirkonyumdan ayrıştırılması çok zordur. Zirkonyumdan, amonyum veya potasyum floridlerin tekrar tekrar kristalleştirilmesi sonucu ayrıştırılır. Metalik hafniyum, tetraklorürün magnezyum ya da sodyum ile indirgenmesi yöntemi ile elde edilir.
Hafniyum, yarılanma ömürleri bilinen ve kütle numaraları 154 ila 185 arasında değişen en az 34 izotopa sahiptir. Doğada 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 bölümündeki türbin fanlarında karışım toplayıcı olarak kullanılır. Motor verimini ve yüksek sıcaklık sürtünme dayanımını düzenler. İkinci büyük kullanım alanı ise, nükleer reaktör kontrol çubuklarıdır. Sıcak su aşınma dayanımı çok yüksektir ve kolay tel haline getirilebilir. Termal nötron absorbsiyon kesiti de büyük olduğu için reaktör kontrol çubukları için çok ideal bir elementtir. Nükleer yakıtı tekrar işleyen santrallerde, bakır elektrot başlıklarda ve kulaklık mıknatıslarında da kullanımı vardır. Hafniyum oksit, nükleer reaktörlerde yaklaşık 200 derecede termobakır ayırma işleminde kullanılır. Az miktarda zirkonyum içeren hafniyum, spektrografik kimyasal ürünlerde; barit, karpit, klorit, hidrit ve oksiklorit içeren hafniyum bileşikleri özel reaktörlerde, kesici aletlerde ve kimyasal işlemlerde kullanılır. Ayrıca, vakum tüplerinde gaz giderici olarak da kullanılmaktadır. Süper alaşımlar; niyobyum, titanyum ve tungten ile birlikte hafniyum da içerir. Demir, titanyum, nikel, niyobyum ve tantal gibi metallerle alaşımları farklı alanlarda kullanılır. Hafniyum karbür, bilinen en refrakter bileşiktir.
Hafniyum, bileşikleri ve alaşımlarının kullanıldığı bazı ürünler şunlardır; basınçlı su reaktörleri, nötron soğurucular, askeri reaktörler, roketler, akkor lambalar, elektrotlar, nükleer denizaltılar, flaş ampulleri, ampul filamanları, kondansatörler, bilgisayar devreleri…
Bunları Biliyor Musunuz?
- Hafniyumun en önemli özelliği, yüksek termal nötron yakalama kesitidir. Bazı hafniyum izotoplarının çekirdeklerin her biri iki veya daha fazla nötron absorbe edebilir.
- Zirkonyumun nükleer uygulamalarda kullanılabilmesi için yüksek termal nötron yakalama kesiti sebebiyle hafniyumdan tamamen ayrıştırılması gerekir.
- Hafniyumun nötron yakalana kesit alanı zirkonyumdan yaklaşık 600 kat daha fazladır.
- Hafniyum ile zirkonyumun kimyasal davranışlarının benzerliği, diğer element çiftlerinden daha fazladır. Bileşikleri ve çözünürlükleri arasında bile küçük nicelik farkları vardır.
- Hafniyum mükemmel mekanik özelliklere ve olağanüstü korozyon direncine sahip bir elementtir.
- Hafniyum karbür bileşiği, 3890 derecede erir. Bu değer, iki elementli bileşikler arasındaki en yüksek erime noktası değeridir. Hafniyum nitrit bileşiğinin erime noktası ise 3305 derecedir.
- Hafniyum bileşikleri toksik özellikler gösterebilir. Metal tozu piroforilktir; yani kendiliğinden yanma ve patlama tehlikesi vardır. Ancak toksitesi ve insan sağlığına etkileri ile ilgili henüz kesin veriler 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 üretimi için kullanılır.
- Hf-178 izotopu, nükleer izomerdir, yüksek enerji içerir ve üretimi çok maliyetlidir. Yani, nükleonlarından birinin veya daha fazlasının uyarılması sonucu yarı kararlı duruma geçen atom çekirdeği vardır. Bu sebeple yüksek özellikli silah olarak kullanılabileceği ile ilgili tartışmalara yol açmıştır. Maliyeti sebebiyle kullanımı uygulanamamıştır. Gama ışını lazerlerinde kullanılabileceği değerlendiriliyor.
- Dünyadaki hafniyum rezervlerinin talebe göre yaklaşık 10 yıl daha yetebileceği tahmin ediliyor. Ancak düşük taleplerin zirkonyum minerallerinden yan ürün olarak uzun süre 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.