Erfahren Sie hier alles über das Element Hafnium.

Name: Hafnium
Symbol: Hf
Ordnungszahl: 72
Massenanteil an der Erdhülle: 4,2 ppm
Dichte: 13,07g cm-3
Mohshärte: 5,5
Schmelztemperatur: 2.233°C
Siedetemperatur: 4.603 °C
Elektr. Leitfähigkeit: 3,12 · 106 A·V−1·m−1

Hafnium gehört im Periodensystem zu den Übergangsmetallen.

Name: Hafnium
Symbol: Hf
Ordnungszahl: 72
Massenanteil an der Erdhülle: 4,2 ppm
Dichte: 13,07g cm-3
Mohshärte: 5,5
Schmelztemperatur: 2.233°C
Siedetemperatur: 4.603 °C
Elektr. Leitfähigkeit: 3,12 · 106 A·V−1·m−1

Hafnium gehört im Periodensystem zu den Übergangsmetallen.

Eigenschaften

Hafnium ist mit Rhenium eines der letzten entdeckten stabilen (nicht radioaktiv-zerfallenden) Elemente. Das silbrig-glänzende Schwermetall ist sehr unedel. Kommt es mit Luft in Berührung, bildet sich eine dichte, dünne Oxidschicht. Diese schützt das Metall an der Luft vor weiterer Oxidation und macht es im Wasser oder in Säuren widerstandsfähig. Unter Normalbedingungen ist Hafnium wegen dieser Passivierung in den meisten Säuren nicht löslich. Auch in wässrigen Basen ist das Metall bis 100 °C nicht löslich. Ausnahmen bilden Flusssäure und Königswasser. Diese greifen das Metall an.

Hafnium und Zirkonium sind in ihren Eigenschaften fast identisch. Zirkonium besitzt jedoch eine geringere Dichte. Auch ist die Neutronen-Absorptionskraft von Hafnium um die 600 Mal höher als jene von Zirkonium.  

In hoher Reinheit ist Hafnium relativ weich und biegsam und lässt sich durch Walzen, Schmieden und Hämmern bearbeiten. Sind im Metall dagegen Spuren von Sauerstoff, Stickstoff oder Kohlenstoff vorhanden, wird es spröde und schwer zu verarbeiten. In seiner Gruppe der Übergangmetalle hat es mit 2233 °C den höchsten Schmelz- und 4603 °C den höchsten Siedepunkt.

Von der Industrie wird Hafnium zu den Technologiemetallen gezählt, jenen Metallen die für technologische Innovationen von besonderer Bedeutung sind. Hafnium ist außerdem ein kritischer Rohstoff, nur endlich verfügbar jedoch wichtig für die Wirtschaft. Ein Strategisches Metall ist Hafnium für Europa nur bedingt, da hier keine Abhängigkeit von außereuropäischen Ländern besteht.

Von der Industrie wird Hafnium zu den Technologiemetallen gezählt, jenen Metallen die für technologische Innovationen von besonderer Bedeutung sind. Hafnium ist außerdem ein kritischer Rohstoff, nur endlich verfügbar jedoch wichtig für die Wirtschaft. Ein Strategisches Metall ist Hafnium für Europa nur bedingt, da hier keine Abhängigkeit von außereuropäischen Ländern besteht.

GESCHICHTE

Die Entdeckung des Hafniums bleibt lange theoretisch. Bereits 1914 sagt Henry Moseley auf Basis seines 1912 von ihm entwickelten und nach sich selbst benannten Moseleyschen Gesetzes die Existenz von Element 72 voraus. Er untersucht die Mineralien der Lanthanoide (welche alle zu den Seltenen Erden gehören), kann Element 72 jedoch nicht entdecken. 1922 behauptet Niels Bohr in seinen Vorlesungen zur Atomtheorie, dass seiner Theorie zum atomaren Aufbau der Elemente folgend Element 72 nicht zu den Lanthanoiden gehören könne, sondern Ähnlichkeiten zum Element Zirkonium aufweisen müsste.

Georges de Hevesy

Dirk Coster
Angeregt durch Bohrs Überlegungen können der niederländische Physiker Dirk Coster und der ungarische Chemiker George de Hevesy 1923 die Vermutungen von Bohr bestätigen. Mittels der Röntgenspektroskopie machen sie in einem Zirkon die Röntgenspektren von Hafnium aus. Bei der Namensgebung lassen sich die beiden Forscher von der Stadt inspirieren, in der sie ihre Entdeckung gemacht haben: Kopenhagen. Diese heißt auf Lateinisch Hafnia. In Zusammenarbeit mit Thal Jantzen kann Hevesy schließlich durch wiederholte Kristallisation der Diammonium- und Dikaliumfluoride der beiden Elemente Hafnium von Zirkonium trennen. 1924 stellen Anton Eduard van Arkel und Jan Hendrik de Boer zum ersten Mal reines Hafniummetal her.

VORKOMMEN & GEWINNUNG

Hafnium kommt stets im Verbund mit Zirconium vor. Von diesem muss es zunächst getrennt werden. In Zirconium-Mineralen wie Zirkon, Baddeleyit und Allendeit ist Hafnium als Beimengung enthalten, wobei die Menge an Hafnium meist 2 % des Zirconiumgehaltes (1–5 Gewichtsprozent Hafnium) beträgt. Nur ein einziges Mineral, das 1974 entdeckt wurde, enthält hauptsächlich Hafnium. Es wurde daher Hafnon genannt. Die wichtigsten Lagerstätten für Hafnium liegen in Südafrika und Australien – analog zum Vorkommen von Zirconium.

Die späte Entdeckung von Hafnium wurzelt in seiner Ähnlichkeit im chemischen Verhalten zu Zirkonium, ein Fakt der auch die Gewinnung von Hafnium erschwert. Um Hafnium zu gewinnen, muss dieses von Zirconium abgetrennt werden. Dies ist über die üblichen chemischen Methoden, während des Herstellungsprozesses nicht möglich.

In einem getrennten Prozess wird in einem Extraktionsverfahren die unterschiedliche Löslichkeit bestimmter Zirconium- und Hafniumsalze in speziellen Lösungsmitteln ausgenutzt. Möglich ist auch eine Trennung mittels Ionenaustauscher und der fraktionierten Destillation von geeigneten Verbindungen. Nach dem Kroll-Prozess kann das vom Zirkonium abgetrennte Hafnium anschließend zunächst in Hafnium(IV)-chlorid überführt und dann mit Natrium oder Magnesium zu elementarem Hafnium reduziert werden. Mit dem Van-Arkel-de-Boer-Verfahren kann noch reineres Hafnium hergestellt werden. Dabei reagiert während des Erhitzens im Autoklaven zunächst das Hafnium mit Iod zu Hafnium(IV)-iodid. Anschließend wird dieses an einem heißen Draht wieder zu Hafnium und Iod zersetzt.

Zirkon/Rob Lavinsky, iRocks.com – CC-BY-SA-3.0

Hafniumprodukte

Hafnium Pellets

Hafnium Sputter Target

Hafniumdraht

Images: Nanjing Youtian Metal Technology Co.,Ltd.

ANWENDUNGSGEBIETE

ANWENDUNGS-GEBIETE

Die prominenteste Anwendung für die lediglich 100 t pro Jahr gefördertes Hafnium sind Steuerstäbe von Kernreaktoren. Der Rest verteilt sich auf viele verschiedene Anwendungsgebiete, von der Luft- und Raumfahrt über die Medizintechnik bis zur Schmuckherstellung.

Steuerstäbe

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Hafnium stellt ein hervorragendes Material für Steuerstäbe von Kernreaktoren dar. Es ist wie kaum ein anderes Element in der Lage, Neutronen aufzunehmen (Hafnium besitzt einen hohen Absorptionsquerschnitt). Auch die entstehenden Isotope von Hafnium besitzen diese Fähigkeit in hohem Maße. Die Steuerstäbe eines Kernreaktors regeln für gewöhnlich nicht nur die reine Stärke der Reaktion, sondern können (durch teilweises Einfahren von unten) auch für eine gleichmäßigere Dampf-Verteilung im Reaktorkern sorgen.

Interessanterweise hat Zirkonium, das Hafnium chemisch in vielen Dingen sehr ähnlich ist, einen bemerkenswert kleinen Absorptionsquerschnitt. Es wird daher oft für die Hüllen von Brennstäben eingesetzt, da es die Ausbreitung von Neutronen nicht behindert. In diesen Zirkonium-Hüllen steckt das eigentliche Brennmaterial (meist Uran).

Weitere verwendungen

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Hafnium besitzt einen sehr hohen Schmelzpunkt und wird daher als Legierungszusatz für Turbinenschaufeln von Flugzeugtriebwerken verwendet. In Legierungen mit Metallen wie Niob, Tantal, Molybdän und Wolfram wirkt ein Zusatz von 2 % Hafnium festigkeitssteigernd. Auf diese Weise entstehen besonders stabile, hochschmelzende und hitzebeständige Werkstoffe.

Als sogenanntes Target werden Hafniumscheiben mittels Elektronenstrahl oder thermisch erhitzt. Das verdampfte Hafnium schlägt sich auf einer zu beschichtenden Oberfläche nieder und bildet dort einen hauchdünnen Film. Das Ergebnis können reflektierende Schichten auf Sonnenbrillen sein oder auch Farbfilter in der Laseranwendung.

Hafnium brennt außerdem sehr hell und wird daher auch für Blitzlampen mit besonders heller Lichtausbeute eingesetzt. In Hochvakuumanlagen wird es als Gettersubstanz eingesetzt – das heißt, es bindet die allerletzten Gaspartikel, die im evakuierten Raum eventuell noch vorhanden sind.