Il afnio è un metallo di transizione il cui simbolo chimico è Hf e ha un numero atomico 72. È il terzo elemento del gruppo 4 della tavola periodica, essendo congenere di titanio e zirconio. Con quest'ultimo condivide molte proprietà chimiche, trovandosi insieme nei minerali della crosta terrestre.
Cercare afnio significa cercare dove si trova lo zirconio, poiché è un sottoprodotto della sua estrazione. Il nome di questo metallo deriva dalla parola latina 'hafnia', il cui significato deriva dal nome di Copenaghen, città in cui è stato scoperto nei minerali di zircone e le polemiche sulla sua vera natura chimica si sono concluse..
L'afnio è un metallo che passa inosservato nell'intelletto generale, infatti poche persone ne hanno mai sentito parlare prima. Anche tra alcune sostanze chimiche è un elemento raro, in parte dovuto al suo alto costo di produzione, e al fatto che nella maggior parte delle sue applicazioni lo zirconio può sostituirlo senza alcun problema..
Questo metallo porta la particolarità di essere l'ultimo degli elementi più stabili scoperti qui sulla Terra; ovvero, le altre scoperte hanno costituito una serie di elementi ultra pesanti, radioattivi e / o isotopi artificiali.
I composti dell'afnio sono analoghi a quelli del titanio e dello zirconio, con un numero di ossidazione predominante di +4, come HfCl4, HfODue, HfI4 e HfBr4. Alcuni di loro sono in cima alla lista dei materiali più refrattari mai realizzati, oltre a leghe ad alta resistenza termica e che fungono anche da ottimi assorbitori di neutroni..
Per questo motivo l'afnio ha molta partecipazione alla chimica nucleare, soprattutto per quanto riguarda i reattori ad acqua pressurizzata..
Indice articolo
La scoperta dell'afnio fu circondata da polemiche, nonostante la sua esistenza fosse già stata prevista dal 1869 grazie alla tavola periodica di Mendeleev..
Il problema era che era posizionato al di sotto dello zirconio, ma coincideva nello stesso periodo degli elementi delle terre rare: i lantanoidi. I chimici dell'epoca non sapevano se fosse un metallo di transizione o un metallo delle terre rare..
Il chimico francese Georges Urbain, scopritore del lutezio, un metallo vicino dell'afnio, affermò nel 1911 di aver scoperto l'elemento 72, che chiamò celtium e proclamò che si trattava di un metallo delle terre rare. Ma tre anni dopo si concluse che i suoi risultati erano sbagliati e che aveva isolato solo una miscela di lantanoidi.
Fu solo quando gli elementi furono ordinati in base ai loro numeri atomici, grazie al lavoro di Henry Moseley nel 1914, che il vicinato tra il lutezio e l'elemento 72 fu messo in evidenza, concordando con le previsioni di Mendeleev quando quest'ultimo elemento si trovava nello stesso gruppo come i metalli titanio e zirconio.
Nel 1921, dopo gli studi di Niels Bohr sulla struttura atomica e la sua previsione dello spettro di emissione dei raggi X per l'elemento 72, la ricerca di questo metallo nei minerali delle terre rare fu interrotta; Invece, ha concentrato la sua ricerca sui minerali di zirconio, poiché entrambi gli elementi devono condividere diverse proprietà chimiche..
Il chimico danese Dirk Coster e il chimico ungherese Georg von Hevesy nel 1923 riuscirono finalmente a riconoscere lo spettro predetto da Niels Bohr in campioni di zirconi provenienti dalla Norvegia e dalla Groenlandia. Dopo aver fatto la scoperta a Copenaghen, hanno chiamato l'elemento 72 con il nome latino di questa città: hafnia, da cui in seguito è stato derivato 'afnio'.
Tuttavia, non è stato un compito facile separare gli atomi di afnio da quelli dello zirconio, poiché le loro dimensioni sono simili e reagiscono allo stesso modo. Sebbene nel 1924 fosse stato ideato un metodo di ricristallizzazione frazionata per ottenere il tetracloruro di afnio, HfCl4, furono i chimici olandesi Anton Eduard van Arkel e Jan Hendrik de Boer a ridurlo ad afnio metallico.
Per fare questo, HfCl4 ha subito una riduzione utilizzando magnesio metallico (processo Kroll):
HfCl4 + 2 Mg (1100 ° C) → 2 MgClDue + HF
D'altra parte, a partire dall'afnio tetraioduro, HfI4, Questo è stato vaporizzato per subire decomposizione termica su un filamento di tungsteno incandescente, sul quale è stato depositato l'afnio metallico per produrre una barra dall'aspetto policristallino (processo a barra cristallina o processo Arkel-De Boer):
HfI4 (1700 ° C) → Hf + 2 IDue
Gli atomi di afnio, Hf, si raggruppano a pressione ambiente in un cristallo a struttura esagonale compatta, hcp, così come i metalli titanio e zirconio. Questo cristallo di afnio hcp diventa la sua fase α, che rimane costante fino ad una temperatura di 2030 K, quando subisce una transizione alla fase β, con una struttura cubica centrata nel corpo, bcc.
Ciò si comprende se si considera che il calore "rilassa" il cristallo e, quindi, gli atomi di Hf cercano di posizionarsi in modo tale da diminuire la loro compattazione. Queste due fasi sono sufficienti per considerare il polimorfismo dell'afnio.
Allo stesso modo, presenta un polimorfismo che dipende dalle alte pressioni. Le fasi α e β esistono alla pressione di 1 atm; mentre la fase ω, esagonale ma ancora più compatta del normale hcp, compare quando le pressioni superano i 40 GPa. È interessante notare che, quando le pressioni continuano ad aumentare, ricompare la fase β meno densa.
Solido bianco-argenteo, che mostra toni scuri se ha uno strato di ossido e nitruro.
178,49 g / mol
2233 ºC
4603 ºC
A temperatura ambiente: 13,31 g / cm3, essendo due volte più denso dello zirconio
Proprio al punto di fusione: 12 g / cm3
27,2 kJ / mol
648 kJ / mol
1.3 sulla scala Pauling
Primo: 658,5 kJ / mol (Hf+ gassoso)
Secondo: 1440 kJ / mol (HfDue+ gassoso)
Terzo: 2250 kJ / mol (Hf3+ gassoso)
23,0 W / (m · K)
331 nΩ m
5.5
A meno che il metallo non sia lucidato e bruci, emettendo scintille a una temperatura di 2000 ° C, non ha suscettibilità ad arrugginirsi o corrodersi, poiché un sottile strato del suo ossido lo protegge. In questo senso, è uno dei metalli più stabili. Infatti, né acidi forti né basi forti possono dissolverlo; ad eccezione dell'acido fluoridrico e degli alogeni in grado di ossidarlo.
L'atomo di afnio ha la seguente configurazione elettronica:
[Xe] 4f14 5 DDue 6sDue
Ciò coincide con il fatto di appartenere al gruppo 4 della tavola periodica, insieme al titanio e allo zirconio, perché ha quattro elettroni di valenza negli orbitali 5d e 6s. Si noti inoltre che l'afnio non può essere un lantanoide, poiché ha i suoi orbitali 4f completamente riempiti.
La stessa configurazione elettronica rivela quanti elettroni un atomo di afnio è teoricamente in grado di perdere come parte di un composto. Supponendo che perda i suoi quattro elettroni di valenza, sarebbe un catione tetravalente Hf4+ (in analogia a Ti4+ e Zr4+), e avrebbe quindi un numero di ossidazione di +4.
Questo è infatti il più stabile e comune dei suoi numeri di ossidazione. Altri meno rilevanti sono: -2 (HfDue-), +1 (Hf+), +2 (HfDue+) e +3 (Hf3+).
L'afnio si presenta sulla Terra come cinque isotopi stabili e uno radioattivo con una vita molto lunga:
-174Hf (0,16%, con un'emivita di 2 10quindici anni, quindi è considerato praticamente stabile)
-176Hf (5,26%)
-177Hf (18,60%)
-178Hf (27,28%)
-179Hf (13,62%)
-180Hf (35,08%)
Si noti che in quanto tale non esiste un isotopo che risalti in abbondanza, e questo si riflette nella massa atomica media di afnio, 178,49 amu.
Di tutti gli isotopi radioattivi dell'afnio, che insieme a quelli naturali si sommano a un totale di 34, il 178m2Hf è il più controverso perché nel suo decadimento radioattivo rilascia radiazioni gamma, quindi questi atomi potrebbero essere usati come arma di guerra.
L'afnio è un metallo resistente all'umidità e alle alte temperature, oltre ad essere un ottimo assorbitore di neutroni. Per questo motivo, viene utilizzato nei reattori ad acqua pressurizzata, nonché nella fabbricazione di barre di controllo per reattori nucleari, i cui rivestimenti sono realizzati in zirconio ultra puro, poiché questo deve essere in grado di trasmettere neutroni attraverso di esso..
Gli atomi di afnio possono integrare altri cristalli metallici per dare origine a diverse leghe. Questi sono caratterizzati da essere resistenti e termicamente resistenti, motivo per cui sono destinati ad applicazioni spaziali, come nella costruzione di ugelli per motori per razzi..
D'altra parte, alcune leghe e composti solidi di afnio hanno proprietà speciali; come i suoi carburi e nitruri, rispettivamente HfC e HfN, che sono materiali altamente refrattari. Carburo di tantalio e afnio, Ta4HfC5, Con un punto di fusione di 4215 ° C, è uno dei materiali più refrattari mai conosciuti..
I metalloceni di afnio sono usati come catalizzatori organici per la sintesi di polimeri come polietilene e polistirene.
Ad oggi non è noto quale impatto gli ioni Hf potrebbero avere sul nostro corpo4+. D'altra parte, poiché si trovano in natura nei minerali di zirconio, non si ritiene che alterino l'ecosistema rilasciando i loro sali nell'ambiente..
Tuttavia, si consiglia di maneggiare i composti di afnio con cura, come se fossero tossici, anche quando non esistono studi medici che dimostrino che sono dannosi per la salute.
Il vero pericolo dell'afnio risiede nelle particelle finemente macinate del suo solido, che a malapena possono bruciare quando vengono a contatto con l'ossigeno nell'aria..
Questo spiega perché quando viene lucidato, un'azione che ne raschia la superficie e rilascia particelle di metallo puro, vengono rilasciate scintille ardenti con una temperatura di 2000 ºC; cioè, l'afnio ha piroforicità, l'unica proprietà che comporta rischi di incendio o gravi ustioni.
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