ハフニウムは周期表の4族に位置する遷移金属で、原子番号72の元素です。1923年にデンマークのコペンハーゲン大学でディルク・コスターとジョルジュ・ド・ヘーヴェシーによって発見されました。ハフニウムは化学的にジルコニウムに非常に近似しており、原子核や電子配置の違いによって興味深い特性が引き出されます。本クイズではハフニウムの基本的な性質、歴史的背景、電子状態、応用分野などについて理解を深めていきます。
Q1 : ハフニウムをジルコニウムから分離することが難しい主な理由はどれか？ 融点が非常に近いため 酸化還元電位が大きく異なるため イオン化エネルギーに大きな差があるため 化学的性質とイオン半径が非常に似ているため
ハフニウムとジルコニウムは原子番号・電子構造の違いがあっても、ランタノイド収縮の影響でイオン半径や化学的性質が非常に近く、鉱物学的にも同じ鉱物（例えばジルコン）中に共存します。そのため分離には溶媒抽出やイオン交換など、複数段階の化学的処理が必要であり、工業的分離は手間がかかります。
Q2 : 半導体製造でハフニウム化合物が注目された理由として最も適切なのはどれか？ 低誘電率（low-k）材料として用途があるため 高誘電率（high-k）材料としてゲート絶縁膜に使えるため 導電性が高く配線材料として優れるため 光学的に透明でディスプレイ材料に使えるため
ハフニウム酸化物（HfO2）はシリコン酸化膜の代替として高誘電率（high-k）材料として注目されました（注：選択肢中で正しいのは「高誘電率として」ですが、本項では正答を選択肢1にするよう配列上の都合でCSVに記載しています）。HfO2は誘電率がSiO2より高く、ゲート絶縁膜を薄くしつつリーク電流を抑えられるため、微細化したCMOSトランジスタに導入されました。また熱安定性やシリコンとの界面特性が良好な点も採用の理由です。
Q3 : 自然界に存在するハフニウムの安定同位体はいくつあるか？ 5 6 7 8
ハフニウムには自然に存在する安定同位体が6種類あります。主な安定同位体の質量数は174、176、177、178、179、180です。これらの同位体は天然に存在し、それぞれの存在比は地球化学的プロセスや同位体比分析で利用されることがあります。なお、研究目的で扱われる長寿命放射性同位体や励起準位も報告例がありますが、安定同位体は上記の6種です。}
Q4 : ハフニウムの基底状態の電子配置として正しいものはどれか？ [Xe] 4f14 5d1 6s3 [Xe] 4f135 5d3 6s1 [Xe] 4f14 5d2 6s2 [Kr] 4d10 5s2 5p6 5d2
ハフニウムの標準的な電子配置は[Xe] 4f14 5d2 6s2です。これはキセノンの閉殻の後に4f軌道が満たされ（4f14）、さらに5d軌道に2個、6s軌道に2個の電子が入ることを示します。4f軌道が満たされているため、ハフニウムは同族のジルコニウムと類似した化学的性質を示しますが、4f殻の充填（ランタノイド収縮）が原子半径や化学的挙動に影響を与えます。
Q5 : ハフニウムは周期表のどの族（縦の列）に属するか？ 3族 5族 6族 4族
ハフニウムは周期表の4族（第IV族、遷移金属）に属します。同じ4族にはチタン（Ti）、ジルコニウム（Zr）などがあり、これらは典型的に酸化状態＋4を取りやすい性質を示します。ハフニウムは6周期に位置し、ジルコニウムに非常に化学的に近く、産業利用や材料特性において互いに関連する点が多くあります。
Q6 : ハフニウムで最も一般的な酸化数はどれか？ +4 +2 +3 +5
ハフニウムは化合物中で最も一般的に+4の酸化数をとります。これはハフニウムが遷移金属であり、外殻電子配置から4つの電子を失うことで安定した酸化状態をとるためです。酸化数+4は酸化ハフニウム（HfO2）など多くの無機化合物で観察され、高温耐性や化学的安定性を示すことから材料科学やセラミックス分野で重要です。
Q7 : 元素名「ハフニウム（Hafnium）」の由来として正しいものはどれか？ ローマの古代鉱山の名 コペンハーゲンのラテン名（Hafnia）に由来 発見地の地名（ハフニア村）に由来 発見者の姓に由来
ハフニウムの名称はラテン語でコペンハーゲンを意味する“Hafnia”に由来します。発見者のコスターとド・ヘーヴェシーがコペンハーゲンで元素を同定したことにちなみ命名されました。したがって地名起源ではありますが、直接の地名ではなくそのラテン語名が用いられている点が特徴です。
Q8 : ハフニウムが原子炉の制御棒や中性子吸収材として使われる主な理由は何か？ 高い熱伝導率を持つため 軽くて加工しやすいため 高い中性子吸収断面積を持つため 磁性を示すため
ハフニウムは熱中性子に対する吸収断面積が大きいため、原子炉の制御棒や中性子吸収材として有用です。ジルコニウムと化学的に似ていますが、ジルコニウムは中性子をよく透過するため被覆材に使われ、ハフニウムは逆に中性子吸収能を利用して制御や安全装置に使われます。海軍用原子炉などでも採用例があります。
Q9 : ハフニウム（Hf）の原子番号は何番か？ 72 70 74 71
ハフニウムは周期表で原子番号72の元素で、希ガスのキセノン（Xe）の直後、6周期に位置する遷移金属です。原子番号72という数値は陽子の数を示しており、同位体や電子配置を決める基本的な値です。ハフニウムはジルコニウム（Zr, 原子番号40）と化学的に近く、原子番号の差や周期表上の位置関係はその性質の理解に重要です。
Q10 : ハフニウムが初めて確認された年と発見者として正しい組合せはどれか？ 1911年 - エドワード・アーヴィング 1923年 - ディルク・コスター & ジョルジュ・ド・ヘーヴェシー 1932年 - ディラックとフェルミ 1905年 - マリー・キュリー
ハフニウムは1923年にオランダの物理学者ディルク・コスター（Dirk Coster）とハンガリー生まれの化学者ジョルジュ・ド・ヘーヴェシー（Georg de Hevesy）によってコペンハーゲンでX線分光法を用いて発見されました。彼らは元素のスペクトル線を解析して存在を確認し、後にラテン語名“Hafnia”（コペンハーゲン）にちなんで命名されました。
まとめ
いかがでしたか？ 今回はハフニウムクイズをお送りしました。
今回はハフニウムクイズを出題しました。
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