Isotop	NH	t_1/2	ZM	ZE MeV	ZP
¹⁷²Hf	{syn.}	1,87 a	ε	0,350	¹⁷²Lu
¹⁷³Hf	{syn.}	23,6 h	ε	1,610	¹⁷³Lu
¹⁷⁴Hf	0,162 %	2 · 10¹⁵ a	α	2,495	¹⁷⁰Yb
¹⁷⁵Hf	{syn.}	70 d	ε	0,686	¹⁷⁵Lu
¹⁷⁶Hf	5,206 %	Stabil
¹⁷⁷Hf	18,606 %	Stabil
¹⁷⁸Hf	27,297 %	Stabil
¹⁷⁹Hf	13,629 %	Stabil
¹⁸⁰Hf	35,1 %	Stabil
¹⁸¹Hf	{syn.}	42,39 d	β⁻	1,027	¹⁸¹Ta
¹⁸²Hf	{syn.}	9 · 10⁶ a	β⁻	0,373	¹⁸²Ta

NMR-Eigenschaften

	Spin	γ in rad·T⁻¹·s⁻¹	E	f_L bei B = 4,7 T in M Hz
¹⁷⁷Hf	7/2	8,347 · 10⁶	0,000632	6,24
¹⁷⁹Hf	-9/2	5,002 · 10⁶	0,000216	3,74

Sicherheitshinweise

Gefahrstoffkennzeichnung

Gefahrensymbole
F Leichtent- zündlich

R- und S-Sätze

R: 17

S: keine S-Sätze

Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet.
Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen.

Hafnium (lat. Hafnia für Kopenhagen) ist ein chemisches Element im Periodensystem der Elemente mit dem Symbol Hf und der Ordnungszahl 72. Es ist ein silbergrau glänzendes, schweres, sehr dehnbares und sehr korrosionsbeständiges Metall.

Geschichte

Niels Bohr sagte in seiner 1922 veröffentlichten Arbeit zur Atomtheorie die Ähnlichkeit des Elementes 72 mit dem Zirconium voraus. Schon ein Jahr später konnte Hafnium nachgewiesen werden: 1923 wurde es in Kopenhagen von Dirk Coster und George de Hevesy durch Röntgenspektroskopie in norwegischem Zirkon entdeckt. Weitere Untersuchungen anderer Mineralien zeigten, dass Hafnium immer in zirconiumhaltigen Mineralien enthalten ist. Die Trennung vom Zirconium gelang Jantzen und Hevesy durch wiederholte Kristallisation der Diammonium- und Dikaliumfluoride der beiden Elemente. Metallisches Hafnium wurde erstmals durch Anton Eduard van Arkel und Jan Hendrik de Boer (van-Arkel-de-Boer-Prozess) durch Abscheidung von Hafnium(IV)-iodid an einem glühendem Wolframdraht hergestellt. Die späte Entdeckung des Hafniums beruht auf dem sehr ähnlichen chemischen Verhalten der Elemente Zirconium und Hafnium. Mit den üblichen chemischen Trennmethoden ließen sie sich nicht trennen.

Vorkommen

Hafnium kommt immer verschwistert mit Zirconiumverbindungen vor. Metallisches Hafnium kommt nicht natürlich vor. Zirconiumhaltige Mineralien wie

Alvit [(Hf, Th, Zr) SiO₄H₂O],
Thortveitit (Sc, Y)₂ [Si₂O₇] und
Zirkon (ZrSiO₄)

enthalten gewöhnlich 1 bis 5 % Hafnium.

Zirconium und Hafnium sind wegen ihrer Ähnlichkeit im chemischen Verhalten nur äußerst aufwändig zu trennen. Mehr als die Hälfte des gehandelten Hafniums fällt als Nebenprodukt bei der Zirconiumherstellung an. Im Kroll-Prozess wird Hafnium(IV)-chlorid durch Magnesium oder Natrium zum metallischen Hafnium reduziert.

Heute erfolgt die Trennung von Zirconium und Hafnium wegen der höheren Selektivität

durch Ionenaustauscher
chromatografisch aus methanolisch-salzsaurer Metallchloridlösung mit Kieselgel
durch Mehrfachextraktion saurer Sulfate mit Ether oder
durch fraktionierte Destillation phosphorhaltiger Oxichloridkomplexe

Eigenschaften

Hochreines elementares Hafnium

Die Atom- und Ionenradien unterscheiden sich aufgrund der Lanthanoidenkontraktion nur wenig von denen des Zirconiums. Beide Metalle verhalten sich deshalb chemisch sehr ähnlich und sind nur schwer zu trennen. An Luft überzieht es sich mit einer dünnen, passivierenden Oxidschicht. Von Mineralsäuren, auch heißen konzentrierten, wird es wenig angegriffen. Nur Königswasser und Fluorwasserstoffsäure lösen Hafnium unter Bildung von Hafnium(IV)-salzen auf.

Hafniumcarbid, HfC, ist sehr temperaturbeständig und hat einen extrem hohen Schmelzpunkt von etwa 3890 °C.

Im Kroll-Prozess wird Hafnium(IV)-chlorid durch Magnesium oder durch das „Hunter-Verfahren“ mit Natrium zum metallischen Hafnium reduziert.

Verwendung

Hafnium wird wegen seines großen Einfangquerschnitts für Neutronen zur Herstellung von Regel- und Kontrollstäben in Atomreaktoren verwendet. Die Absorptionsrate ist etwa 600-mal größer als die des Zirconiums.

Ende Januar 2007 kündigten die beiden Konzerne IBM und Intel unabhängig voneinander an, bei der zukünftigen Herstellung von Transistoren in der neuen 45-Nanometer-Technologie Hafniumoxid als Gate-Dielektrikum zu verwenden, da es günstigere Eigenschaften habe, als das bisher genutzte Siliciumdioxid. Aus diesem Grunde wird es wohl zu einer verstärkten Nachfrage nach Hafnium in den nächsten Jahren kommen. (Quellen: Financial Times Deutschland, http://www.elektroniknet.de)

Weitere Anwendungen:

Gettersubstanz zum Abbinden von Sauerstoff und Stickstoff,
Blitzlichtlampen mit besonders hoher Lichtausbeute,
Hochdruckglühlampen,
Komponente in Eisen-, Titan-, Niob-, Tantal-, Nickel- und anderen Legierungen,
Hafniumnitrid als Elektrodenwerkstoff in Vakuumröhren (geringere Verdampfungsneigung als Wolfram),
Herstellung von Hartstoffen wie Hafniumcarbid und Hafniumnitrid,
in der Halbleiterindustrie als Sputtertarget (PVD) und in Form von Organoprecursern (CVD, MOCVD, ALD) zur Herstellung von Gateoxiden (HfO₂, HfO₂|N, HfSiO₄|N) für MISFETs (siehe MOSFET-Transistoren) und pH-Sensoren
in Intels Prozessoren mit Penryn Kern (ab Mitte 2007), soll teilweise Hafnium zur Isolation anstelle von Silizium-Dioxid zum Einsatz kommen

Verbindungen

Hafniumcarbid
Hafnium(II)-hydrid
Hafniumnitrid
Hafnium(IV)-chlorid
Hafnium(IV)-iodid
Hafnium(IV)-oxid

Vorsichtsmaßnahmen

Feinverteiltes Hafnium ist pyrophor. Späne und Staub aus metallischem Hafnium entzünden sich an Luft. Metallisches Hafnium ist normalerweise nicht toxisch. Hafniumhaltige Verbindungen sollten als toxisch angesehen werden.