Hafnium (veraltet: Celtium) ist ein chemisches Element mit dem Symbol Hf und der Ordnungszahl 72. Benannt ist es nach dem lateinischen Namen der Stadt Kopenhagen, Hafnia, in der das Element entdeckt wurde. Es ist ein silbergrau glänzendes, korrosionsbeständiges Übergangsmetall, das im Periodensystem in der 4. Nebengruppe (Titangruppe) steht.
Hafnium besitzt sehr ähnliche Eigenschaften wie das im Periodensystem direkt darüber gelegene Zirconium. Biologische Funktionen sind nicht bekannt, es kommt normalerweise nicht im menschlichen Organismus vor und ist nicht toxisch.
Geschichte Hafnium war eines der letzten stabilen Elemente des Periodensystems, die entdeckt wurden. Aus den ersten, von Dmitri Mendelejew und anderen entwickelten Periodensystemen konnte nicht exakt bestimmt werden, wie viele Elemente zwischen den schon lange bekannten Barium und Tantal liegen. Erst als Henry Moseley 1914 das Moseleysche Gesetz aufstellte, war klar, dass zwischen Lutetium und Tantal ein bislang unbekanntes Element mit der Ordnungszahl 72 liegen muss. Noch unbestimmt war, welche Eigenschaften das unbekannte Element hat, ob es den Lanthanoiden ähnelt oder gänzlich unterschiedliche Eigenschaften hat. G. v. Hevesy: Über die Auffindung des Hafniums und den gegenwärtigen Stand unserer Kenntnisse von diesem Element. In: Berichte der Deutschen Chemischen Gesellschaft. Abteilung B, Abhandlungen. 1923, Band 56, Nummer 7, S. 1503–1516 .
Georges Urbain versuchte über längere Zeit zu beweisen, dass das unbekannte Element dem von ihm 1911 gefundenen, dem Lutetium ähnlichen CeltiumG. Urbain: Sur un nouvel élément qui accompagne le lutécium et le scandium dans le terrre de gadolinite: le celtium. In: Comptes rendus. 1911, 152, S. 141-143 (). entspricht. Ein von ihm und Moseley 1914 durchgeführtes Experiment mit Röntgenstrahlung scheiterte jedoch.K. M. Frederick‐Frost: Henry Moseley and the Search for Element 72. In: Chemistry International. 2019, Band 41, Nummer 2, S. 23–27, . Er erklärte schließlich 1922, dass Alexandre Dauvillier einen spektroskopischen Beweis dafür gefunden habe, dass Element 72 und Celtium identisch sind.G. Urbain: Les numéros atomiques du néo-ytterbium, du lutécium et du celtium. In: Comptes rendus. 1922, 174, S. 1349-1351 (). 1922 erweiterte der dänische Physiker Niels Bohr sein Bohrsches Atommodell und stellte eine Theorie auf, mit der die chemischen, physikalischen und spektroskopischen Eigenschaften der Elemente vorhergesagt werden konnten. Nach dieser Theorie sollten die Lanthanoide mit Lutetium enden und Element 72 eher dem Zirconium ähneln.Niels Bohr: Der Bau der Atome und die physikalischen und chemischen Eigenschaften der Elemente. In: The European Physical Journal A. 1922, Band 9, Nummer 1, S. 1–67, .Niels Bohr, D. Coster: Röntgenspektren und periodisches System der Elemente. In: The European Physical Journal A. 1923, Band 12, Nummer 1, S. 342–374, . Dies stand im Gegensatz zu Urbains Behauptungen zur Existenz eines weiteren Lanthanoids mit dem Namen Celtium als Element 72.
Dirk Coster und George de Hevesy, Mitarbeiter Bohrs in Kopenhagen, untersuchten verschiedene Zirconium-Minerale röntgenographisch und entdeckten dabei in norwegischem Zirkon die spektroskopischen Linien, die Element 72 nach dem Moseleyschen Gesetz haben sollte. Sie benannten das neue Element nach dem alten, latinisierten Namen von Kopenhagen Hafnium. D. Coster, G. Hevesy: On the Missing Element of Atomic Number 72. In: Nature. 1923, Band 111, Nummer 2777, S. 79, . Die Trennung der beiden Elemente gelang George de Hevesy und Valdemar Thal Jantzen durch Aufschluss von Zirkon-Mineralen, insbesondere dem besonders Hafnium-reichen Alvit, mit Kalium- und Ammoniumhydrogendifluorid und anschließender fraktionierter Kristallisation als Kalium- bzw. Ammoniumhexafluorozirconat. Dabei reicherte sich Hafnium in der Mutterlauge an.J. H. de Boer, A. E. van Arkel: Die Trennung von Zirkonium und Hafnium durch Kristallisation ihrer Ammoniumdoppelfluoride. In: Zeitschrift für anorganische und allgemeine Chemie. 1924, Band 141, Nummer 1, S. 284–288, . Die Darstellung elementaren Hafniums gelang 1925 Anton Eduard van Arkel und Jan Hendrik de Boer. Sie reduzierten gasförmiges Hafnium(IV)-iodid elektrochemisch über einem 2000 °C heißen Wolframfaden.A. E. van Arkel, J. H. de Boer: Darstellung von reinem Titanium‐, Zirkonium‐, Hafnium‐ und Thoriummetall. In: Zeitschrift für anorganische und allgemeine Chemie. 1925, Band 148, Nummer 1, S. 345–350 .
Nach der Entdeckung durch Coster und de Hevesy waren die Kontroversen um die Entdeckung des Hafniums nicht beendet. Urbain beharrte auf seinen Untersuchungen und akzeptierte die Entdeckungen der anderen zunächst nicht.G. Urbain, A. Dauvillier: On the Element of Atomic Number 72. In: Nature. 1923, Band 111, Nummer 2781, S. 218, . Bald darauf akzeptierte er zwar, dass sein Spektrum des Celtiums dem Lutetium zuzuordnen ist, bestand aber weiterhin darauf, das Recht zur Namensgebung für das Element 72 zu besitzen.G. Urbain: Sur le celtium, élément de numéro atomique 72. In: Comptes rendus. 1923, 176, S. 469-470 (). Auch bedingt durch die politische Situation nach dem 1. Weltkrieg entwickelte sich ein Streit zwischen französischen und englischen Chemikern auf der einen sowie deutschen, niederländischen und skandinavischen Chemikern auf der anderen Seite um die Namensgebung des neuen Elementes. How the periodic table survived a war to secure chemistry’s future. In: Nature. 2023, Band 613, Nummer 7944, S. 413 .Helge Kragh: Anatomy of a Priority Conflict: The Case of Element 72. In: Centaurus. 1980, Band 23, Nummer 4, S. 275–301 . Dieser Konflikt wurde schließlich 1930 entschieden, als die IUPAC offiziell den Namen Hafnium für das neue Element festlegte.Gregory Paul Baxter, Mme. M. Curie, O. Hönigschmid, P. Le. Beau, Retsina Meyer: First report of the committee on atomic weights of the International Union od Chemistry. In: Journal of the American Chemical Society. 1931, Band 53, Nummer 5, S. 1627–1639 .
Vorkommen mini|links|Hafnon Hafnium ist mit einem Gehalt von 4,9 ppm an der kontinentalen ErdkrusteK. H. Wedepohl: The composition of the continental crust. In: Geochimica et Cosmochimica Acta. 59, 7, 1995, S. 1217–1232, doi:10.1016/0016-7037(95)00038-2. ein auf der Erde nicht sehr häufiges Element. In der Häufigkeit ist es damit vergleichbar mit den Elementen Brom und Caesium und häufiger als das schon lange bekannte Gold und Quecksilber.
Hafnium ist auf Grund seines hohen Schmelzpunktes, kleinen Ionenradius und hoher Oxidationszahl refraktär, lithophil und zählt zu den inkompatiblen Elementen (HFSE). Dadurch findet sich Hafnium überwiegend in der kontinentalen Erdkruste, während Erdmantel und -kern nur wenig Hafnium enthalten. Hafnium ist kaum wasserlöslich und darum immobil.Janne Blichert-Toft: Hafnium. In: William White (Hrsg.): Encyclopedia of Geochemistry. Springer, 2018, ISBN 978-3-319-39311-7, S. 629–631.
Auf Grund des sehr ähnlichen Ionenradius von Zirconium und Hafnium kommen die beiden Elemente stets gemeinsam in Mineralen vor, wobei fast immer das häufigere Zirconium dominiert. Dementsprechend ist das wichtigste Zirconium-Mineral Zirkon auch die wichtigste Hafnium-Quelle. Granitischer Zirkon enthält etwa 1,43 % Hafnium (Modalwert), was einem Verhältnis von 38,5 von Zirconium zu Hafnium entspricht. Dieser Wert ist jedoch nicht konstant, es wurden auch Zirkone mit niedrigeren und deutlich höheren Hafniumgehalten gefunden. Hafniumreiche Zirkone bilden sich vor allem durch Kristallisation aus Lavaschmelzen bei niedrigeren Temperaturen und bei Kristallisationen aus hydrothermalen Lösungen.X.Wang, W. L. Griffin, J. Chen: Hf contents and Zr/Hf ratios in granitic zircons. In: Geochemical Journal. Band 44, Nr. 1, 2010, S. 65-72, .
Normalerweise beträgt der Hafniumgehalt von Zirkonen bis zu 5 %, deutlich höhere Gehalte findet man in Zirkonen, die in bestimmten Pegmatiten, den LCT-Pegmatiten (Lithium-Caesium-Tantal-Pegmatite) entstanden sind. Hier kann der Hafniumgehalt deutlich höher sein, teilweise sogar höher als der des Zirconiums. In diesem Fall ist das Mineral nicht mehr Zirkon, sondern es besteht ein eigenständiges Mineral, das Hafnon genannt wird.N.M. Kudryashova, S.G. Skublov, O.L. Galankina, O.V. Udoratina, A.V. Voloshin: Abnormally high-hafnium zircon from rare-metal pegmatites of the Vasin-Mylk deposit (the northeastern part of the Kola Peninsula). In: Geochemistry. Band 80, 2020, Artikel 125489, . Hafnon ist das einzige bekannte und anerkannte Mineral mit Hafnium als dominierendem Bestandteil, wobei Hafnon im engeren Sinn maximal 10 % Zirconium enthalten darf, bei Gehalten von 10 bis 50 % Zirconium wird dieser als zirconiumreicher Hafnon bezeichnet.Michael Fleischer, Adolf Pabst, J. A. Mandarino, George Y. Chao, Louis J. Cabri: New Mineral Names. In: American Mineralogist. Band 61, 1976, S. 175 (englisch, rruff.info [PDF; 1,7 MB; abgerufen am 10. November 2025]). Gefunden wurde Hafnon unter anderen in der Provinz Zambezia in Mosambik und in Mt. Holland in Western Australia.Hafnon. In: John W. Anthony, Richard A. Bideaux, Kenneth W. Bladh, Monte C. Nichols (Hrsg.): Handbook of Mineralogy, Mineralogical Society of America. 2001 (englisch, handbookofmineralogy.org [PDF; 66 kB; abgerufen am 10. November 2025]).
Gewinnung und Darstellung mini|links|Hafnium-Kristallstab, hergestellt nach dem Van-Arkel-de-Boer-Verfahren Da Zirconium und Hafnium stets zusammen in Mineralen vorkommen, ist Zirkon auch das Ausgangsmaterial für die Gewinnung von Hafnium. Dieser wird vor allem in Form von Sanden von Schwermineralen, die Zirkon und zudem Titanminerale wie Rutil oder Ilmenit enthalten, abgebaut. Diese kommen entweder an Stränden, unter Wasser, als äolisches Sediment in Dünen oder alluvial an Flüssen vor.Cameron Perks, Gavin Mudd: Titanium, zirconium resources and production: A state of the art literature review. In: Ore Geology Reviews. Band 107, 2019, S. 629–646, doi:10.1016/j.oregeorev.2019.02.025. Der Sand wird mit Schürfzügen, Baggern oder Planierraupen, unter Wasser mit Baggerschiffen abgebaut und in eine Aufbereitungsanlage transportiert. Dünen können auch mit hohem Wasserdruck abgetragen werden. Die Schwerminerale werden durch Nass-Schwerkrafttrennung von anderen Stoffen getrennt und es entsteht ein schlammartiges Konzentrat mit >90 % Schwermineralen. Dieses wird getrocknet und Zirkon mit magnetischen, elektrostatischen und gravimetrischen Verfahren von den anderen Erzen getrennt.Johannes Gediga, Andrea Morfino, Matthias Finkbeiner, Matthias Schulz, Keven Harlow: Life cycle assessment of zircon sand. In: The International Journal of Life Cycle Assessment. Band 24, 2019, S. 1976–1984, doi:10.1007/s11367-019-01619-5.
Um den sehr reaktionsträgen und hochschmelzenden Zirkon aufzuschließen, werden verschiedene Verfahren eingesetzt. Hierzu zählen der alkalische Aufschluss mit Natriumhydroxid oder Natriumcarbonat, der Fluorsilikat-Aufschluss mit Kaliumhexafluorosilicat unter der Bildung von Kaliumhexafluorozirconat(IV), der Kalk-Aufschluss mit Calciumcarbonat, die direkte Carbochlorierung mit Chlor und Kohlenstoff und die thermische Spaltung im Lichtbogen, bei der durch Quenchen eine Rekombination verhindert wird. So reagiert Zirkon mit Natriumhydroxid bei 650 °C zu Natriumzirconat und Natriumsilicat. Dieses kann mit Wasser hydrolysiert werden, während unlösliches Zirconium(IV)-hydroxid zurückbleibt, was zu weiterhin hafniumhatigem Zirconium(IV)-oxid gebrannt wird.Ralph H. Nielsen, Gerhard Wilfing: Zirconium and Zirconium Compounds. In: Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry. Wiley, 2012, S. 757-758, . ZrSiO4 + 4 NaOH -> Na2ZrO3 + Na2SiO3 + 2 H2O Na2ZrO3 + 3 H2O -> Zr(OH)4 + 2 NaOH Zr(OH)4 -> ZrO2 + 2 H2O