الهفنيوم hafnium معدن له مظهر الفولاذ، رمزه الكيمياوي Hf، عدده الذري 72؛ وهو أحد عناصر الفصيلة الثانوية IVB (أو 4) التي تضم إضافة إليه التيتانيوم[ر] والزركونيوم[ر] والرذرفورديوم[ر: ما بعد اليورانيوم]. تحوي ذرته في طبقتها الإلكترونية الخارجية الكترونين s وفي الطبقة التي تليها إلكترونين d. وعليه فإن تكافؤه يجب أن يأخذ - نظرياً- القيم من 1 إلى 4؛ إلا أن هذا لا يتحقق عملياً إذ لا تعرف للهفنيوم في تكافؤاته 1 و2 و3 سوى مركبات قليلة العدد. فثبات التكافؤات الدنيا يتناقص من التيتانيوم حتى الهفنيوم مع ازدياد ثبات التكافؤ (4). كما تتناقص شدة الخاصة الحمضية لأكاسيدها بالترتيب نفسه مع ازدياد الخاصة الأساسية.
اكتشفه عام 1923 الكيميائي الهنغاري جيورغ فون هيفسي Georg von Hevesy ت(1885-1966) بالاشتراك مع الفيزيائي الهولندي ديرك كوستِر Dirk Coster، وكان ذلك بعد قرن تقريباً من اكتشاف الزركونيوم عام 1789. وذلك بعد أن تنبأ نيلز بور[ر] Niels Bohr أن العنصر 72 سيشبه الزركونيوم في بنيته، ولذلك بحث مكتشفاه عنه في خامات الزركونيوم. واشتق اسمه من هافنيا Hafnia الاسم اللاتيني لـ«كوبنهاغن» حيث اكتشف العنصر.
وجوده في الطبيعة - تحضيره - خواصه الفيزيائية - استعمالاته
يصادف الهفنيوم غالباً في فلزات minerals الزركونيوم بنسبة 1-3٪، والزركونيوم تبلغ نسبته في القشرة الأرضية 0.025٪ وزناً، ويأتي في المرتبة الخامسة والأربعين بسعة انتشاره بين العناصر في القشرة الأرضية.
الزركونيوم والهفنيوم متشابهان كيمياوياً شبهاً كبيراً، ولهذا فهما يحضّران معاً، ومن ثم يفصل أحدهما عن الآخر.
بنيته الإلكترونية [Xe]6s2 4f14 5d2 أو 2-8-18-32-10-2، كتلته الذرية النسبية: 178.49، كتلته الحجمية 13.31غ/سم3، درجة انصهاره 2222 ْس، درجة غليانه 5200 ْس، نصف قطر ذرته 158.05 بيكومتر، نصف قطر الأيون Hf4+ ن84 بيكومتر، وهو يقبل الطرق والسحب.
يستعمل الهفنيوم بسبب ارتفاع درجة انصهاره وشدة إشعاعه للإلكترونات في صنع مساري المصابيح الإلكترونية وأشرطة التوهج، كما أنه يدخل في تركيب سبائك ذات درجات انصهار عالية مع الحديد والنيكل، وهو يستعمل في التقانة الإلكترونية بسبب شدة تفاعله مع النترونات، ويستعمل أكسيده HfO2 لصنع زجاج ذي قرينة انكسار عالية. سبيكته Ta4HfC5 لها أعلى درجة انصهار بين المواد المعروفة جميعها (4215 ْس) وسبيكته (88٪ تنتاليوم و9.6٪ تنغستن و2.4٪ هفنيوم) غالية جداً؛ إذ إنها تستعمل في مجال واسع من درجات الحرارة.
خواصه الكيمياوية وأهم مركباته
درجة أكسدته الأثبت +4، وتتأكسد مركّباته بدرجات الأكسدة الأخرى (+2 و+3) بسرعة متحولة إلى MIV بفعل الهواء أو الماء أو مواد أخرى. وتكون الطاقة اللازمة لإزاحة أربعة إلكترونات كبيرة؛ لذا لا وجود للأيون M+4، فمركّباته بدرجة الأكسدة +4 ذات طبيعة مشتركة.
لذرتي الهفنيوم والزركونيوم نصفا قطر متماثلان، كما أن لأيونيها نصفي قطر متماثلين لانكماش نصف القطر الذري الحاصل في زمرة اللانتانيوم. لذلك كان السلوك الكيمياوي لهما متشابهاً لدرجة كبيرة، فهما يتشابهان أكثر من أي عنصرين آخرين في الجدول الدوري.
الهفنيوم خامل كيمياوياً عند الدرجة العادية من الحرارة. أما عند الدرجات المرتفعة فهو شديد النشاط؛ إذ لا يقتصر نشاطه على التفاعل مع الهالوجينات مكوناً الهاليدات MX4 والأكسجين والكبريت فقط، وإنما يتفاعل مع الكربون والآزوت (النتروجين) كذلك. وهو يحترق في جو من الأكسجين عند تسخينه إلى درجة التوهج (أعلى من 600 ْس) ويبّين المخطط (1) الخواص الكيمياوية للهفنيوم:
الأكسيد HfO2 مادة بيضاء صعبة الانصهار والانحلال في الماء أو في الحموض والأسس الممددة. ينحل بسهولة في HF أو القلويات المصهورة. ولصعوبة انحلال الأكسيد MO2 في الماء لايمكن الحصول على الهدروكسيد Hf(OH)4 مباشرة، فيحصل عليه مثلاً بتفاعل القلويات مع الهاليدات مثل HfCl4، وتغلب على أكسيده الخواص الأساسية، فالهدروكسيد Hf(OH)4 ينحل في الحموض القوية.
هاليداته لها الصيغة العامة HfX4 ويحصل عليها بحرق مزيج من الأكسيد الموافق للمعدن مع الكربون في جو من الهالوجين.
رباعي كلوريد الهفنيوم ملح نموذجي، وجميع هاليدات الهفنيوم تنحل جيداً بالماء باستثناء HfF4. وتكوِّن هاليداته جميعها معقدات[ر: المعقَّد] صيغتها العامة A2[HfX6] حيث A معدن أحادي التكافؤ. وهذه المعقدات تتبلور جيداً، وتتحلمه (تتحلل بالماء) أقل بكثير من الهاليدات البسيطة؛ مما يدل على ثبات الأيونات المعقّدة [MX6]2- في المحاليل. معقداته جميعها لا لون لها. وتتناقص درجة ثبات هاليداته ابتداء من الفلور حتى اليود. ويكوِّن الهفنيوم - إضافة إلى المعقَّدات A2[HfX6] - عقدات أخرى صيغتها: A3[HfF7] وA4[HfF8]، وA5[HfF9] حيث يكون العدد التساندي فيها 7 و8 و9 على الترتيب.
موفق شخاشيرو
المراجع
الموسوعة العربية
التصانيف
الأبحاث