HAFNIUM: DESCOPERIRE, STRUCTURĂ, PROPRIETĂȚI, UTILIZĂRI, RISCURI - CHIMIE - 2025

Hafniu este un metal de tranziție al cărui simbol chimic este si are un HF număr atomic de 72. Acesta este al treilea element din grupa 4 a tabelului periodic, fiind titan congener și zirconiu. Cu acesta din urmă împărtășește multe proprietăți chimice, fiind localizat împreună în minerale ale scoarței terestre.

Căutarea hafniului caută unde se află zirconiul, deoarece este un produs secundar al extracției sale. Numele acestui metal provine de la cuvântul latin „hafnia”, al cărui sens vine să fie numele de Copenhaga, un oraș în care a fost descoperit în minerale de zircon și s-a încheiat controversa cu privire la adevărata sa natură chimică.

Eșantion de hafniu metalic. Sursa: Imagini Hi-Res ale elementelor chimice

Hafnium este un metal care trece neobservat în intelectul general, de fapt, puțini oameni au auzit până acum. Chiar printre unele substanțe chimice este un element neobișnuit, datorat în parte costului său ridicat de producție, deoarece în majoritatea aplicațiilor sale, zirconiul îl poate înlocui fără nicio problemă.

Acest metal poartă distincția de a fi ultimul dintre cele mai stabile elemente descoperite aici pe Pământ; Cu alte cuvinte, celelalte descoperiri au constituit o serie de elemente ultra-grele, radioactive și / sau izotopi artificiali.

Compușii hafnium sunt analogi celor din titan și zirconiu, cu un număr de oxidare de +4 predominant în ei, cum ar fi HfCl ₄ , HfO ₂ , HfI ₄ și HfBr ₄ . Unele dintre ele sunt în top lista celor mai refractare materiale create vreodată, precum și aliaje cu o rezistență termică deosebită și care acționează, de asemenea, ca excelenți absorbanți ai neutronilor.

Din acest motiv, hafnium are o mare participare la chimia nucleară, în special în ceea ce privește reactoarele de apă sub presiune.

Descoperire

Tranziția sau metalul cu pământuri rare

Descoperirea hafniumului a fost înconjurată de controverse, în ciuda faptului că existența sa a fost deja prevăzută încă din 1869, datorită tabelului periodic al lui Mendeleev.

Problema a fost că a fost poziționat sub zirconiu, dar a coincis în aceeași perioadă a elementelor de pământ rare: lantanoizii. Pe atunci, chimiștii nu știau dacă era un metal de tranziție sau un metal de pământ rar.

Chimistul francez Georges Urbain, descoperitorul lutetiului, un metal vecin de hafnium, a pretins în 1911 că a descoperit elementul 72, pe care l-a numit celtium și a proclamat că este un metal de pământ rar. Dar trei ani mai târziu s-a ajuns la concluzia că rezultatele sale au fost greșite și că a izolat doar un amestec de lantanoizi.

Numai până când elementele au fost ordonate după numerele lor atomice, datorită lucrărilor lui Henry Moseley în 1914, cartierul dintre lutetiu și elementul 72 a fost pus în evidență, fiind de acord cu previziunile lui Mendeleev atunci când ultimul element a fost situat în aceeași grupă ca și metalele titan și zirconiu.

Detectare în Copenhaga

În 1921, după studiile lui Niels Bohr asupra structurii atomice și predicția sa a spectrului de emisii de raze X pentru elementul 72, căutarea acestui metal în minerale de pământuri rare a fost oprită; În schimb, și-a concentrat căutarea pe mineralele de zirconiu, deoarece ambele elemente trebuie să fi împărtășit diverse proprietăți chimice.

Chimistul danez Dirk Coster și chimistul maghiar Georg von Hevesy în 1923 au reușit în sfârșit să recunoască spectrul prevăzut de Niels Bohr în eșantioane de zircon din Norvegia și Groenlanda. După ce au făcut descoperirea la Copenhaga, ei au numit elementul 72 cu numele latin al acestui oraș: hafnia, din care a fost ulterior derivat „hafnium”.

Izolarea și producția

Cu toate acestea, nu a fost o sarcină ușoară separarea atomilor de hafnium de cei ai zirconiului, deoarece dimensiunile lor sunt similare și reacționează în același mod. Deși în 1924 a fost concepută o metodă de recristalizare fracțională pentru a obține tetraclorură de hafniu, HfCl ₄ , au fost chimiștii olandezi Anton Eduard van Arkel și Jan Hendrik de Boer care au redus-o la metalul de hafniu.

Pentru aceasta, HfCl _{4 a} fost supus unei reduceri folosind magneziu metalic (procedeu Kroll):

HfCl ₄ + 2 Mg (1100 ° C) → 2 MgCl ₂ + Hf

Pe de altă parte, pornind de la tetraiodură de hafniu, HfI ₄ , s-a vaporizat pentru a fi supus unei descompuneri termice pe un filament de tungsten incandescent, pe care a fost depus hafnium metalic pentru a produce o bară cu aspect policristalin (procedeul barei cristaline sau Procesul Arkel- De Boer):

HFI ₄ (1700 ° C) → + 2 I Hf ₂

Structura hafniumului

Atomii de hafnium, Hf, se aglomerează la presiunea ambiantă într-un cristal cu o structură hexagonală compactă, ca, la fel ca și metalele din titan și zirconiu. Acest cristal de hafnium de hcp devine faza sa α, care rămâne constantă până la o temperatură de 2030 K, când trece printr-o tranziție la faza β, cu o structură cubică centrată în corp, cc.

Acest lucru se înțelege dacă se consideră că căldura „relaxează” cristalul și, prin urmare, atomii de Hf încearcă să se poziționeze astfel încât să-și reducă compactarea. Aceste două faze sunt suficiente pentru a lua în considerare polimorfismul hafniumului.

De asemenea, prezintă un polimorfism care depinde de presiuni mari. Fazele α și β există la o presiune de 1 atm; în timp ce faza,, hexagonală, dar și mai compactă decât hcp-ul obișnuit, apare când presiunile depășesc 40 GPa. Interesant este că, atunci când presiunile continuă să crească, faza β, cea mai puțin densă, reapare.

Proprietăți

Aspectul fizic

Solid alb-argintiu, care prezintă tonuri întunecate dacă are un strat de oxid și nitru.

Masă molară

178,49 g / mol

Punct de topire

2233 ºC

Punct de fierbere

4603 ºC

Densitate

La temperatura camerei: 13,31 g / cm ³ , fiind de două ori mai dens zirconiu

Chiar la punctul de topire: 12 g / cm ³

Căldură de fuziune

27,2 kJ / mol

Căldură de vaporizare

648 kJ / mol

electronegativitate

1.3 pe scara Pauling

Energii de ionizare

Primul: 658,5 kJ / mol (Hf ⁺ gazos)

Al doilea: 1440 kJ / mol (Hf ²⁺ gazos)

Al treilea: 2250 kJ / mol (Hf ³⁺ gazos)

Conductivitate termică

23,0 W / (mK)

Rezistență electrică

331 nΩ m

Duritate Mohs

5.5

reactivitatea

Cu excepția cazului în care metalul este lustruit și arde, emanând scântei la o temperatură de 2000 ° C, acesta nu are sensibilitate la rugină sau corodare, deoarece un strat subțire din oxidul său îl protejează. În acest sens, este unul dintre cele mai stabile metale. De fapt, nici acizii puternici, nici bazele puternice nu o pot dizolva; Cu excepția acidului fluorhidric și a halogenilor capabili să îl oxideze.

Configurație electronică

Atomul hafnium are următoarea configurație electronică:

4f ¹⁴ 5d ² 6s ²

Acest lucru coincide cu apartenența la grupa 4 a tabelului periodic, împreună cu titanul și zirconiul, deoarece are patru electroni de valență în orbitalele 5d și 6s. De menționat, de asemenea, că hafnium nu ar putea fi un lantanoid, deoarece are 4b orbitalele sale complet umplute.

Numere de oxidare

Aceeași configurație a electronilor relevă câți electroni un atom de hafniu este capabil să piardă ca parte a unui compus. Presupunând că își pierde cei patru electroni de valență, acesta ar rămâne ca un cation tetravalent Hf ⁴⁺ (în analogie cu Ti ⁴⁺ și Zr ⁴⁺ ) și, prin urmare, ar avea un număr de oxidare de +4.

Acesta este, de fapt, cel mai stabil și mai comun dintre numerele sale de oxidare. Alte mai puțin relevante sunt: ​​-2 (Hf ^2- ), +1 (Hf ⁺ ), +2 (Hf ²⁺ ) și +3 (Hf ³⁺ ).

izotopi

Hafnium apare pe Pământ ca cinci izotopi stabili și unul radioactiv cu o viață foarte lungă:

- ¹⁷⁴ Hf (0,16%, cu o durată medie de viață de 2 · 10 ¹⁵ ani, deci este considerat practic stabil)

- ¹⁷⁶ Hf (5,26%)

- ¹⁷⁷ Hf (18,60%)

- ¹⁷⁸ Hf (27,28%)

- ¹⁷⁹ Hf (13,62%)

- ¹⁸⁰ Hf (35,08%)

Rețineți că nu există astfel de izotop care să iasă în evidență prin abundență, iar acest lucru se reflectă în masa atomică medie de hafnium, 178,49 amu.

Dintre toate izotopii radioactivi ai hafniumului, care împreună cu cei naturali adaugă un total de 34, ^178m2 Hf este cel mai controversat, deoarece în degradarea sa radioactivă degajă radiații gamma, astfel încât acești atomi ar putea fi folosiți ca armă de război. .

Aplicații

Reacții nucleare

Hafnium este un metal rezistent la umiditate și temperaturi ridicate, precum și un excelent absorbant de neutroni. Din acest motiv, este utilizat în reactoarele cu apă sub presiune, precum și la fabricarea tijelor de control pentru reactoarele nucleare, în a căror acoperire sunt realizate din zirconiu ultra-pur, deoarece acesta trebuie să poată transmite neutroni prin el. .

aliaje

Atomii Hafnium pot integra alte cristale metalice pentru a da naștere la diferite aliaje. Acestea se caracterizează prin faptul că sunt rezistente și termice, motiv pentru care sunt destinate aplicațiilor spațiale, cum ar fi în construcția de duze pentru motoare pentru rachete.

Pe de altă parte, unele aliaje și compuși solizi de hafniu au proprietăți speciale; cum ar fi carburile și nitriții, respectiv HfC și HfN, care sunt materiale extrem de refractare. Carbura de hafniu de tantaliu , Ta ₄ HfC ₅ , cu punctul de topire de 4215 ° C, este unul dintre cele mai refractare materiale cunoscute vreodată.

Cataliză

Metalocenele Hafnium sunt utilizate ca catalizatori organici pentru sinteza polimerilor precum polietilena și polistirenul.

riscuri

Nu se cunoaște până în prezent ce impact ar putea avea ioni Hf ⁴⁺ asupra organismului nostru . Pe de altă parte, deoarece se găsesc în natură în minerale de zirconiu, nu se crede că acestea modifică ecosistemul prin eliberarea sărurilor în mediu.

Cu toate acestea, se recomandă manipularea cu atenție a compușilor de hafnium, parcă ar fi toxici, chiar și atunci când nu există studii medicale care să demonstreze că sunt dăunătoare sănătății.

Adevăratul pericol al hafniului constă în particulele fin de sol ale solidului său, care abia se pot arde atunci când intră în contact cu oxigenul din aer.

Așa se explică de ce atunci când este lustruit, o acțiune care își zgârie suprafața și eliberează particule de metal pur, scânteile arzătoare sunt eliberate cu o temperatură de 2000 ºC; adică hafnium prezintă piroficitate, singura proprietate care prezintă riscuri de incendiu sau arsuri grave.

Referințe

1. Shiver & Atkins. (2008). Chimie anorganică . (A patra editie). Mc Graw Hill.
2. Wikipedia. (2020). Hafniu. Recuperat de la: en.wikipedia.org
3. Steve Gagnon. (Sf). Elementul Hafnium. Resurse Laborator Jefferson. Recuperat de la: education.jlab.org
4. Redactorii Encyclopaedia Britannica. (18 decembrie 2019). Hafniu. Encyclopædia Britannica. Recuperat de la: britannica.com
5. Dr. Doug Stewart. (2020). Fapte cu elementele Hafnium. Recuperat de la: chemicool.com
6. Centrul Național de Informații Biotehnologice. (2020). Hafniu. Baza de date PubChem, AtomicNumber = 72. Recuperat din: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
7. K. Pandey și colab. (Sf). Reinvestigarea polimorfismului de înaltă presiune în metalul Hafnium. Recuperat de la: arxiv.org
8. Eric Scerri. (1 septembrie 2009). Hafniu. Chimia în elementele sale. Recuperat de la: chemistryworld.com