Hafniumtetrakloriid (HfCl₄)on kõrge väärtusega anorgaaniline ühend, mida kasutatakse laialdaselt lähteainena täiustatud kõrgtemperatuuriliste keraamikate, suure võimsusega valgusdioodide (LED-ide) fosformaterjalide ja heterogeensete katalüsaatorite sünteesil. Märkimisväärselt on sellel erakordne Lewise happesus, mis muudab selle väga tõhusaks olefiinide polümerisatsioonis ja mitmesugustes orgaanilistes muundustes. Tänu laienevatele rakendustele pooljuhtide tootmises, lennunduses ja järgmise põlvkonna elektroonikamaterjalides on HfCl₄ ülemaailmne nõudlus näidanud püsivat kasvu. Selle tööstusliku ulatusega tootmine on aga endiselt tehniliselt nõudlik – nõuab ranget protsessikontrolli, ülikõrge puhtusastmega toorainet ja vastavust rangetele keskkonna-, tervise- ja ohutusnõuetele (EHS). Arvestades HfCl₄ keskset rolli kõrgjõudlusega funktsionaalsete materjalide ja spetsiaalsete katalüsaatorite võimaldamisel, tunnustatakse seda üha enam strateegilise toorainena täiustatud materjaliteaduses ja peenkeemilises sünteesis.
| Hafnium, 72Hf | |
| Välimus | Terashall |
| Aatomnumber (Z) | 72 |
| Faas STP-s | Tahke |
| Sulamistemperatuur | 2506 K (2233 ℃, 4051 ℉) |
| Keemistemperatuur | 4876 K (4603 ℃, 8317 ℃) |
| Tihedus (temperatuuril 20 ℃) | 13,281 g/cm³3 |
| Kui vedelik (mp) | 12 g/cm²3 |
| Sulamissoojus | 27,2 kJ/mol |
| Aurustumissoojus | 648 kJ/mol |
| Molaarne soojusmahtuvus | 25,73 J/(mol·K) |
| Erisoojusmahtuvus | 144,154 J/(kg·K) |
5N puhtusastmega hafniumtetrakloriidi ettevõtte standard
| Sümbol | Li 7 (ppb) | Ole 9 (ppb) | Na 23 (ppb) | Mg24 (ppb) | Al 27 (ppb) | K 39 (ppb) | Ca 40 (ppb) | V 51 (ppb) | Cr 52 (ppb) | Mn 55 (ppb) | Fe 56 (ppb) | Co 59 (ppb) | Ni 60 (ppb) | Cu 63 (ppb) | Zn 66 (ppb) | Ga 69 (ppb) | Ge 74 (ppb) | Sr 87 (ppb) |
| UMHT5N | 0,371 | 2.056 | 17.575 | 6.786 | 87.888 | 31.963 | 66.976 | 0.000 | 74.184 | 34.945 | 1413.776 | 21.639 | 216.953 | 2.194 | 20.241 | 12.567 | 8.769 | 3846.227 |
| Zr 90 (ppb) | Nb 93 (ppb) | Mo98 (ppb) | Pd106 (ppb) | Ag 107 (ppb) | Nagu 108 (ppb) | Cd 111 (ppb) | 115-s (ppb) | Sn 118 (ppb) | Sb 121 (ppb) | Ti131 (ppb) | Ba 138 (ppb) | W 184 (ppb) | Au -2197 (ppb) | Hg202 (ppb) | Tl 205 (ppb) | Pb 208 (ppb) | Bi 209 (ppb) |
| 41997.655 | 8.489 | 181.362 | 270.662 | 40.536 | 49.165 | 5.442 | 0,127 | 26.237 | 1.959 | 72.198 | 0,776 | 121.391 | 1707.062 | 68.734 | 0,926 | 14.582 | 36.176 |
Kommentaar: Ülaltoodud parameetrid tuvastati ICP-MS-meetodil.
Hafniumtetrakloriid (HfCl₄) on värvitu kristalliline tahke aine molekulmassiga 320,30 g/mol ja CASi registrinumbriga 13499-05-3. See sulab temperatuuril 320 °C ja sublimeerub ümbritseva rõhu all umbes temperatuuril 317 °C. Ühend on äärmiselt hügroskoopne ning reageerib niiskusega eksotermiliselt ja jõuliselt, mistõttu on vaja seda säilitada veevabades, inertsetes atmosfääritingimustes (nt argoon või lämmastik) tihedalt suletud anumates. Tänu oma tugevale söövitavusele võib otsene kokkupuude naha või silmadega põhjustada tõsiseid keemilisi põletusi. Kuna tegemist on 8. klassi söövitava ohtliku ainena (UN2509), nõuab käitlemine sobivaid isikukaitsevahendeid, sealhulgas kemikaalikindlaid kindaid, kaitseprille ja hingamisteede kaitset, kui on võimalik tolmu teke.
Milleks kasutatakse hafniumtetrakloriidi?
Hafniumtetrakloriid (HfCl₄)on mitmekülgne anorgaaniline ühend, mis oma ainulaadsete keemiliste omaduste tõttu leiab laialdasi rakendusi paljudes kõrgtehnoloogia valdkondades:
- Pooljuhid ja elektroonikamaterjalid: see on peamine lähteaine suure dielektrilise konstandiga materjalide (näiteks hafniumdioksiidi) valmistamisel, mida kasutatakse transistori väravate isolatsioonikihtides kiibi jõudluse oluliseks parandamiseks. Seda kasutatakse laialdaselt ka keemilise aurustamise (CVD) protsessides metallilise hafniumi või hafniumiühendi õhukeste kilede sadestamiseks, mida rakendatakse suure jõudlusega transistorides, mäluseadmetes jne.
- Ülikõrge temperatuuriga keraamika ja lennundus: Kasutatakse ülikõrge temperatuuriga keraamiliste materjalide tootmisel, millel on suurepärane vastupidavus kõrgele temperatuurile, kulumiskindlusele ja korrosioonikindlusele. See keraamika sobib äärmuslikesse keskkondadesse, näiteks lennukimootorite kuumade sektsioonide ja raketidüüside jaoks. Lisaks saab seda kasutada suure võimsusega LED-pakendimaterjalides, et parandada seadme soojuse hajumist ja eluiga.
- Katalüüs ja orgaaniline süntees: Tõhusa Lewise happe katalüsaatorina soodustab see selliseid reaktsioone nagu olefiinide polümerisatsioon (nt Ziegler-Natta katalüsaatorite eelkäijana), alkoholide ja hapete esterdamine, atsüülimine ja 1,3-dipolaarsed tsükloadditsioonid, suurendades reaktsioonikiirust ja selektiivsust. Seda kasutatakse ka lõhnaainete ja ravimite peenkeemilises sünteesis.
- Tuumatööstus: Tänu oma heale termilisele ja keemilisele stabiilsusele kasutatakse seda tuumareaktorite jahutussüsteemides ja tuumkütuste kattematerjalidena, parandades korrosioonikindlust ja termilist stabiilsust.
- Energiasektor: Kasutatakse toorainena tahkete elektrolüütmaterjalide, näiteks liitiumhafniumfosfaadi sünteesimiseks suure ioonjuhtivusega liitiumakude arendamiseks. See toimib ka liitiumi- ja naatriumioonakude suure mahtuvusega katoodmaterjalide eelkäijana.
- Tsirkooniumi ja hafniumi eraldamine: Tsirkooniumtetrakloriidi ja hafniumtetrakloriidi lenduvuse erinevust ära kasutades saab neid tõhusalt eraldada fraktsioneeriva destillatsiooni või gaasikromatograafia abil. See on oluline tööstuslik meetod puhta hafniumi saamiseks.
Kokkuvõttes mängib hafniumtetrakloriid asendamatut rolli pooljuhtides, täiustatud materjalides, katalüüsis, tuumaenergias ja uutes energiasektorites, olles end tänapäevaste kõrgtehnoloogiliste tööstusharude põhitooraineks.
