铪,元素周期表第72号元素。
铪,早在门捷列夫发现元素周期率时,就预测到有一种元素会与钛、锆很相似。当镧系的14种元素几乎快被找齐的时候,人们纷纷开始猜测72号元素到底在哪里,很多科学家认为应该继续在稀土元素中进行分离。于是,乌尔班从镱土中分离出镥以后,又继续在剩余的混合物中苦苦寻找,终于在年,发表了一种新元素的光谱学数据,并提出了“cetium”这个名字,试图证明第72号元素与之前找到的镱和镥一样属于镧系元素。年,在他得知莫塞莱发明了一种可测定元素原子序数的新式X射线放射技术以后,乌尔班马上带上样品前往英国,但是并没有找到任何证据证明celtium是第72号元素。72号元素的第一次探索成果被否定掉了。这期间,丹麦物理学家玻尔提出了原子结构的量子理论和原子核外电子排布理论,推测72号元素可能不属于稀土元素,而是和锆同一族。于是匈牙利化学家乔治·德海韦西改变了寻找方向,将目光转向了含钛或锆的矿石,并与同事发起了新一轮探索。终于在对硅酸锆材料的X射线分析中发现了少量未知物质,其谱线与预测一致,经多次浓缩检测,最终证明这确实是一种新元素。于是两人共同发表了他们的研究结果,并建议将其命名为“铪”(hafnium),源自其发现地丹麦首都哥本哈根的拉丁名“Hafnia”,元素符号Hf。后经进一步分析,得出乌尔班找到的celtium确实不是铪,而是纯化的镥。
第72号元素位于锆的正下方,与同族的钛、锆价电子排布相同,三者化学性质非常相似。特别是铪和锆,几乎完全相同,也被称为稀有金属王国中的一对姊妹花。所有含有锆的矿物中都含有铪,如铍锆石中含铪就高达15%,但并没有单独的铪矿石,铪主要在生产锆的过程中进行回收,价格比较贵。早期锆铪工业的建立,很大程度上是因为锆铪在军工方面的需求。一般用途中,锆材料含铪或铪材料含锆都不影响其性能,但在原子能工业中是个例外,铪的热中子俘获截面很大,而纯锆的值很小,只有铪的千分之一。因此锆往往被用来制作核燃料棒的套管材料,而铪则因为具有较高的中子截面,良好的耐蚀性和满意的焊接加工性能,即使价格比较贵,仍旧会用来制作压水堆的控制棒。锆铪分离及金属制备非常复杂,技术难度高,目前全球只有美国、法国、日本和前苏联等少数国家掌握了全套生产技术,垄断了铪的国际市场。
由于铪的耐热性,铪也会被添加到一些特殊用途的合金中,例如制作火箭发动机的喷嘴和重返大气层的飞行器前沿保护层的耐热合金。年德克萨斯州大学的教授发现了铪-在辐射方面的特性,这种铪-的激发态原子在α射线作用下,能释放出X射线和伽马射线,就像荧光物质能在高能紫外线作用下产生可见光一样,其产生辐射的效率甚至是化学反应的倍。利用这一特性,可以制作效率极高的核反应发动机,或更精准的辐射探测仪。铪元素也出现在最新的Intel45纳米处理器中,它能减少厚度,持续改善晶体管效能。用铪元素为基础制作的栅极电介质,取代二氧化硅制作的栅极电介质,能使处理器漏电量降低10倍以上,晶体管密度提升近2倍,减少耗电量近30%。如此优异的性能,让各国都对铪有了不一样的认识。
我国在上世纪50年代初开始将锆铪生产纳入发展纲要,70年代投产,现生产出的锆-4合金包壳管已达到国际先进水平,成功应用到多座大型核电站的建设中。在大力发展核电的同时,也在争取核材料尽可能的国产化,其中海绵锆、海绵铪的研制和生产就是未来有待突破的领域。
宋丹老师
宋丹,武汉市第二十中学化学教师,宋老师的