Element 72 / Übergangsmetalle

Hafnium.

72 Protonen. 6 besetzte Schalen. Ein eigener Platz im Periodensystem.

Hf178,49 u

Das neutrale Atom

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Aufbau und Konfiguration

Protonen / Elektronen: 72 / 72
Schalenbelegung: 2 · 8 · 18 · 32 · 10 · 2
Konfiguration: [Xe] 4f¹⁴ 5d² 6s²
Oxidationszahlen: +2, +3, +4
Atommasse · u
Die Atommasse gibt die Masse eines Atoms an. Die Einheit u ist ein Zwölftel der Masse eines Kohlenstoff-12-Atoms. Bei natürlichen Elementen ist der Tabellenwert meist ein Mittelwert über ihre Isotope. Eine Zahl in eckigen Klammern bezeichnet dagegen die Massenzahl eines ausgewählten Isotops.
Ein Beispiel
Ein Sauerstoffatom besitzt im Mittel ungefähr 16 u. Ein Wassermolekül H₂O hat daher ungefähr 2 · 1 u + 16 u = 18 u.: 178,49 u
Zustand bei 20 °C: fest

Die Neutronenzahl in der Darstellung folgt der gerundeten Referenzmasse und ist ein schematisches Beispiel; Standardatommassen sind Mittelwerte, keine Massenzahlen einzelner Isotope.

Eigenschaften im Vergleich

Eigenschaft	Wert	Relative Lage unter den Elementen
Elektronegativität · Pauling-Skala Die Elektronegativität beschreibt, wie stark ein gebundenes Atom die gemeinsamen Elektronen anzieht. Auf der Pauling-Skala werden die Elemente miteinander verglichen. Die Werte sind dimensionslos. Ein Beispiel In Wasser zieht Sauerstoff die Bindungselektronen stärker an als Wasserstoff. Dadurch entsteht am Sauerstoff eine negative Teilladung.	1,3 Pauling
Atomradius · pm Der Atomradius beschreibt eine typische Größe des Atoms. Die Elektronenwolke hat einen fließenden Rand; deshalb gibt es verschiedene Radiusdefinitionen. 1 pm entspricht 10⁻¹² m. Ein Beispiel 100 pm entsprechen 0,1 nm. Das ist ein Zehntel eines milliardstel Meters.	159 pm
Erste Ionisierungsenergie · kJ/mol Diese Energie wird benötigt, um aus neutralen, gasförmigen Atomen jeweils das erste Elektron zu entfernen. Ein hoher Wert bedeutet, dass dieses Elektron stark gebunden ist. Ein Beispiel Aus einem neutralen Natriumatom entsteht nach dem Entfernen eines Elektrons ein Na⁺-Ion.	658,99255 kJ/mol
Dichte · g/cm³ Die Dichte beschreibt, wie viel Masse in einem bestimmten Volumen steckt: ρ = m / V. Temperatur, Druck und die Form des Stoffes beeinflussen den Wert. Die Tabellenwerte beziehen sich auf Referenzbedingungen. Ein Beispiel 1 cm³ Wasser besitzt ungefähr 1 g Masse. Bei einer Dichte von 2 g/cm³ würden 5 cm³ eines Stoffes eine Masse von 10 g besitzen.	13,31 g/cm³
Atommasse · u Die Atommasse gibt die Masse eines Atoms an. Die Einheit u ist ein Zwölftel der Masse eines Kohlenstoff-12-Atoms. Bei natürlichen Elementen ist der Tabellenwert meist ein Mittelwert über ihre Isotope. Eine Zahl in eckigen Klammern bezeichnet dagegen die Massenzahl eines ausgewählten Isotops. Ein Beispiel Ein Sauerstoffatom besitzt im Mittel ungefähr 16 u. Ein Wassermolekül H₂O hat daher ungefähr 2 · 1 u + 16 u = 18 u.	178,49 u
Schmelzpunkt · K Am Schmelzpunkt geht ein fester Stoff bei einem bestimmten Druck in den flüssigen Zustand über. Kelvin und Grad Celsius unterscheiden sich um 273,15: °C = K − 273,15. Bei einigen Elementen sind Modifikation und Druck besonders wichtig. Ein Beispiel 273,15 K entsprechen 0 °C. Kohlenstoff und Arsen gehen bei Normaldruck durch Sublimation direkt vom festen in den gasförmigen Zustand über.	2.506 K
Siedepunkt · K Am Siedepunkt entspricht der Dampfdruck einer Flüssigkeit dem äußeren Druck. Im gesamten Flüssigkeitsvolumen können Gasblasen entstehen. Der Siedepunkt hängt daher vom Luftdruck ab. Ein Beispiel Wasser siedet bei Normaldruck ungefähr bei 373,15 K, also 100 °C. Bei geringerem Druck siedet es bei niedrigerer Temperatur.	4.876 K
Elektronenaffinität · kJ/mol Die Elektronenaffinität beschreibt die Energiebilanz, wenn ein neutrales, gasförmiges Atom ein Elektron aufnimmt. In der hier verwendeten Konvention steht ein positiver Wert für frei werdende Energie. Ein Beispiel Ein Chloratom kann ein Elektron aufnehmen und ein Cl⁻-Ion bilden. Dabei wird Energie frei.	17,17433 kJ/mol
Häufigkeit in der Erdkruste · mg/kg Dieser Wert beschreibt die geschätzte mittlere Masse eines Elements in einem Kilogramm Erdkruste. Einzelne Gesteine und Lagerstätten können stark vom Mittelwert abweichen. Ein Beispiel 1.000 mg/kg entsprechen 1 g pro Kilogramm, also einem Massenanteil von 0,1 %.	3 mg/kg

Dichten sind Referenzwerte; für Gase überwiegend bei 0 °C. Schmelz- und Siededaten hängen von Druck und Modifikation ab. Kohlenstoff und Arsen sublimieren bei Normaldruck. Balken zeigen den Anteil am höchsten tabellierten Wert, keine Rangperzentile.

Position im Periodensystem

Periode 6 · Gruppe 4 · d-Block · Übergangsmetalle

H He Li Be B C N O F Ne Na Mg Al Si P S Cl Ar K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe Cs Ba La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn Fr Ra Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Rg Cn Nh Fl Mc Lv Ts Og

Die Größenordnung verstehen

Ein Mol neutraler Hafnium-Atome enthält genau 6,02214076 · 10²³ Atome. Seine mittlere Masse beträgt ungefähr 178,49 Gramm.

Tabellierter Atomradius: 159 pm = 0,159 nm. Eine gedachte Reihe von einer Million Atomdurchmessern wäre ungefähr 0,318 µm lang. Atome besitzen keine harte Kugelgrenze; Radiusdefinitionen können sich unterscheiden.

Bei der tabellierten Dichte entsprechen 100 g einem Volumen von ungefähr 7,5131 cm³. Dies ist eine Referenzrechnung für die angegebenen Stoffbedingungen.

Orbitale erkunden

Besetzte Unterschale von Hafnium

[Xe] 4f¹⁴ 5d² 6s²

Hauptquantenzahl nNebenquantenzahl lReelle Orientierung m

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5d / Wasserstoffähnlich

Form, Vorzeichen und Knoten

Die Punktdichte beschreibt die Aufenthaltswahrscheinlichkeit. Zwei Farben zeigen unterschiedliche Vorzeichen der reellen Wellenfunktion; beide gehören zur gleichen Elektronenladung.

Radiale Knoten: 2
Winkelknoten: 2
Orbitale der Unterschale: 5
Maximale Elektronenzahl: 10

Berechnet mit wasserstoffähnlichen Radialfunktionen und reellen Kugelflächenfunktionen. Die Auswahl m bezeichnet hier die reelle Sinus-/Kosinus-Kombination. Bei Mehrelektronenatomen weichen Energien und Größen vom Modell ab.

Radiale Wahrscheinlichkeit · 5d

Waagrecht: Abstand in Bohr-Radien a₀ (für Z = 1). Senkrecht: r² |R(r)|², relativ skaliert. Ein radiales Minimum bei r > 0 kann einen Knoten markieren; die Wolke besitzt dort keine Wahrscheinlichkeit.

Entdeckung und Einordnung

Entdeckungsangabe: 1923. Dieses Element kommt natürlich vor. Es besitzt mindestens ein stabiles Isotop.

Im d-Block werden d-Unterschalen aufgefüllt. Viele dieser Metalle haben mehrere Oxidationsstufen und bilden farbige Verbindungen. Zahlreiche Vertreter werden als Katalysatoren verwendet.

Die Familie Übergangsmetalle erkunden →

Anwendungen und Bedeutung

Die Anwendungen von Hafnium hängen von seiner chemischen Form ab. Das reine Element und seine Verbindungen besitzen unterschiedliche Eigenschaften.

Vorkommen

Tabellierte Häufigkeit in der Erdkruste: 3 mg/kg. Diese Angabe ist ein geologischer Mittelwert und keine Angabe für einzelne Proben.

Wissen prüfen

Wie viele Protonen und Elektronen besitzt Hafnium?

72 Protonen und im neutralen Atom 72 Elektronen. Bei Ionen verändert sich nur die Elektronenzahl.

Was bedeuten die Schalen und Oxidationszahlen?

Schalenbelegung: 2 · 8 · 18 · 32 · 10 · 2. Tabellierte Oxidationszahlen: +2, +3, +4. Oxidationszahlen dienen der formalen Elektronenbuchhaltung in Verbindungen.

Was ist beim Umgang zu beachten?

Die Gefährdung hängt von Verbindung, Menge und Exposition ab. Ein Element-Steckbrief ersetzt kein Sicherheitsdatenblatt für einen konkreten Stoff.

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