Hafnium – Steckbrief

Stellung im Periodensystem

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Vorkommen und Gewinnung

Hafnium ist nicht besonders selten, bildet aber keine eigenen Lagerstätten. In der Erdkruste kommen wenige Gramm auf eine Tonne Gestein, und fast immer steckt es als Begleiter in Zirconiumerzen, vor allem im Zirkon, einem Zirconiumsilicat, und im Baddeleyit. Je nach Erz ersetzt es ein bis drei Prozent des Zirconiums.

Das Element wurde erst 1923 entdeckt, obwohl man es lange gesucht hatte. Für die Ordnungszahl 72 klaffte im System eine Lücke, und viele Chemiker erwarteten dort ein Seltenerdmetall. Niels Bohr folgerte dagegen aus seinem Atommodell, dass dieses Element zur vierten Gruppe gehören und dem Zirconium ähneln muss. Am Institut von Bohr in Kopenhagen untersuchten Dirk Coster und George de Hevesy daraufhin Zirkon mit Röntgenspektroskopie und fanden die vorhergesagten Linien. Sie nannten das Element nach Hafnia, dem lateinischen Namen von Kopenhagen.

Die schwierigste Stufe der Gewinnung ist die Trennung vom Zirconium. Beide Atome sind fast gleich groß, und auch ihre Verbindungen verhalten sich fast identisch. Man trennt ihre Verbindungen deshalb durch aufwendige Verfahren wie Flüssig-Flüssig-Extraktion oder Destillation. Das Hafnium fällt dabei als Nebenprodukt an und wird anschließend zum Metall reduziert, meist mit Magnesium.

Eigenschaften und Reaktionen

Hafnium steht in Periode 6 und Gruppe 4, unter dem Zirconium aus Periode 5. In seiner Periode gehen ihm die Lanthanoide voraus, die man meist als eigene Zeile darunter abbildet. Die Elektronenkonfiguration ist [Xe] 4f¹⁴ 5d² 6s², die Elektronegativität beträgt 1,3. Das Metall hat eine Dichte von 13,3 g/cm³, schmilzt bei 2233 °C und siedet bei 4603 °C.

Dass Hafnium trotz der vielen zusätzlichen Elektronen fast genau so groß ist wie Zirconium, liegt an der Lanthanoidenkontraktion. Auf dem Weg von Lanthan bis Lutetium werden vierzehn Elektronen in die 4f-Unterschale eingebaut. Sie schirmen die wachsende Kernladung nur schlecht ab, und die äußeren Elektronen werden deshalb immer stärker angezogen. Die Atome schrumpfen, und am Ende kommt der Radius des Hafniums dem seines Nachbarn aus Periode 5 sehr nahe.

In Verbindungen hat Hafnium fast immer die Oxidationszahl plus vier. Das wichtigste Oxid, HfO₂, ist ein weißer, sehr hitzebeständiger Feststoff. An der Luft überzieht sich das Metall mit einer dünnen, festen Oxidschicht, die es vor Korrosion schützt. Säuren und Laugen greifen es kaum an, vor allem Flusssäure löst es. Das kompakte Metall gilt als wenig giftig. Feines Pulver dagegen kann sich an der Luft von selbst entzünden und ist ein Brandrisiko.

Verwendung in Alltag und Technik

In Druckwasserreaktoren regeln Steuerstäbe die Kettenreaktion, indem sie überschüssige Neutronen aufnehmen. Hafnium eignet sich dafür sehr gut, weil mehrere seiner Isotope Neutronen einfangen und dabei neue Isotope entstehen, die ebenfalls absorbieren. Die Wirkung hält deshalb lange an. Man findet Hafnium vor allem in Reaktoren von Atom-U-Booten. Die Hüllrohre der Brennstäbe bestehen dagegen aus Zirconium-Legierungen, gerade weil Zirconium Neutronen kaum einfängt.

Der zweite große Einsatz liegt in der Elektronik. In einem Transistor trennt eine hauchdünne Isolierschicht das Gate vom Kanal. Jahrzehntelang bestand sie aus Siliciumdioxid, doch mit schrumpfenden Strukturen wurde sie nur noch wenige Atomlagen dick, und es floss Strom durch sie hindurch. Hafniumoxid hat eine viel höhere Dielektrizitätskonstante, ein sogenanntes High-k-Dielektrikum. Die Schicht darf deshalb dicker sein und wirkt trotzdem wie eine sehr dünne, sodass weniger Strom verloren geht. Seit 2007 setzen Chiphersteller Hafniumoxid in Prozessoren ein, heute steckt es in vielen Chips für Smartphones und Computer.

Weitere Anwendungen sind Superlegierungen für Turbinen und Raketendüsen sowie Elektroden in Plasmabrennern zum Schneiden von Metall. Hafniumcarbid und Mischcarbide mit Tantal zählen zu den Stoffen mit den höchsten bekannten Schmelzpunkten.

Kurz gefragt

Welche Ordnungszahl hat Hafnium (Hf)?

Häufige Fragen