Оксид гафния(IV)

14.07.2023

Оксид гафния(IV) — бинарное неорганическое соединение металла гафния и кислорода с формулой HfO2, бесцветные кристаллы или белый порошок, не растворим в воде, из растворов солей выделяется в виде гидрата.

Получение

• Сжиганием металлического гафния в кислороде:

H f + O 2   → 700 o C   H f O 2 . {displaystyle {mathsf {Hf+O_{2} {xrightarrow {700^{o}C}} HfO_{2}}}.}

• Действием перегретым паром на металлический гафний:

H f + 2 H 2 O   → 300 o C   H f O 2 + 2 H 2 . {displaystyle {mathsf {Hf+2H_{2}O {xrightarrow {300^{o}C}} HfO_{2}+2H_{2}}}.}

• Разложением при нагревании дигидроксид-оксида гафния:

H f O ( O H ) 2   → 600 − 1000 o C   H f O 2 + H 2 O . {displaystyle {mathsf {HfO(OH)_{2} {xrightarrow {600-1000^{o}C}} HfO_{2}+H_{2}O}}.}

• Окислением кислородом хлорида гафния(IV):

H f C l 4 + O 2   → 500 o C   H f O 2 + 2 C l 2 . {displaystyle {mathsf {HfCl_{4}+O_{2} {xrightarrow {500^{o}C}} HfO_{2}+2Cl_{2}}}.}

• Разложением при нагревании оксид-дихлорида гафния:

2 H f O C l 2   → 300 o C   H f O 2 + H f C l 4 . {displaystyle {mathsf {2HfOCl_{2} {xrightarrow {300^{o}C}} HfO_{2}+HfCl_{4}}}.}

• Разложением перегретым паром оксид-дихлорида гафния:

H f O C l 2 + H 2 O   → 300 o C   H f O 2 + 2 H C l . {displaystyle {mathsf {HfOCl_{2}+H_{2}O {xrightarrow {300^{o}C}} HfO_{2}+2HCl}}.}

• Пиролизом оксалата, сульфата и других солей гафния:

H f ( C 2 O 4 ) 2   → T   H f O 2 + 2 C O 2 + 2 C O , {displaystyle {mathsf {Hf(C_{2}O_{4})_{2} {xrightarrow {T}} HfO_{2}+2CO_{2}+2CO}},} H f ( S O 4 ) 2   → T   H f O 2 + 2 S O 3 . {displaystyle {mathsf {Hf(SO_{4})_{2} {xrightarrow {T}} HfO_{2}+2SO_{3}}}.}

Физические свойства

Оксид гафния(IV) представляет собой бесцветные кристаллы, в мелкодисперсном состоянии — белый порошок, кристаллизуется в нескольких кристаллических модификациях:

• Моноклинная сингония, параметры ячейки a = 0,511 нм, b = 0,514 нм, c = 0,528 нм, β = 99,73°, плотность 9,68 г/см³, устойчива при температуре ниже 1650°С.
• Тетрагональная сингония, параметры ячейки a = 0,514 нм, c = 0,525 нм, плотность 10,01 г/см³, устойчива при температуре от 1650°С и до ≈2500°С.
• Кубическая сингония, параметры ячейки a = 0,511 нм, плотность 10,43 г/см³, устойчива при температуре выше ≈2500°С.

Не растворяется в воде, р ПР = 63,94.

Химические свойства

При осаждении из водных растворов образуется осадок плохо растворимого желтоватого гидрата состава HfO2•n H2O.

Прокалённый оксид гафния химически более инертен.

• Гидратированная форма при нагревании разлагается до дигидроксид-оксида гафния:

H f O 2 ⋅ n H 2 O   → 140 − 200 o C   H f O ( O H ) 2 + ( n − 1 ) H 2 O . {displaystyle {mathsf {HfO_{2}cdot nH_{2}O {xrightarrow {140-200^{o}C}} HfO(OH)_{2}+(n-1)H_{2}O}}.}

• Медленно реагирует с серной кислотой:

H f O 2 + 2 H 2 S O 4   → τ   H f ( S O 4 ) 2 ↓ + 2 H 2 O . {displaystyle {mathsf {HfO_{2}+2H_{2}SO_{4} {xrightarrow { au }} Hf(SO_{4})_{2}downarrow +2H_{2}O}}.}

• Реагирует с концентрированной плавиковой кислотой:

H f O 2 + 4 H F   →   H 2 [ H f O F 4 ] + H 2 O . {displaystyle {mathsf {HfO_{2}+4HF {xrightarrow {}} H_{2}[HfOF_{4}]+H_{2}O}}.}

• Реагирует с галогенами в присутствии восстановителей:

H f O 2 + 2 C l 2 + C   → 500 o C   H f C l 4 + C O 2 . {displaystyle {mathsf {HfO_{2}+2Cl_{2}+C {xrightarrow {500^{o}C}} HfCl_{4}+CO_{2}}}.}

• При сплавлении с гидроксидами, оксидами щелочных металлов образует соли гафниевой кислоты — гафнаты:

H f O 2 + 2 N a O H   → 1000 − 1100 o C   N a 2 H f O 3 + H 2 O . {displaystyle {mathsf {HfO_{2}+2NaOH {xrightarrow {1000-1100^{o}C}} Na_{2}HfO_{3}+H_{2}O}}.}

Применение

• Для изготовления регулирующих стержней ядерных реакторов так как гафний имеет высокое сечение захвата для тепловых нейтронов.
• В качестве просветляющего покрытия оптических деталей.
• Как компонент специальных стёкол и огнеупоров.
• Как добавка к вольфраму при изготовлении нитей накаливания электрических ламп.
• В микроэлектронике применяется как замена оксида кремния при изготовлении МДП-транзисторов благодаря высокому коэффициенту относительной диэлектрической проницаемости, превышающему в 5—7 раз этот показатель у традиционно использовавшегося в качестве подзатворного диэлектрика диоксида кремния.
• Позволяет диагностировать и лечить зубной налет при регулярном стоматологическом осмотре.