HAFNI: DESCOBRIMENT, ESTRUCTURA, PROPIETATS, USOS, RISCOS - QUIMICA - 2026

L' hafni és un metall de transició el símbol químic és Hf i té un nombre atòmic de 72. És el tercer element de el grup 4 de la taula periòdica, sent congènere de l'titani i zirconi. Amb aquest últim comparteix moltes propietats químiques, sent localitzats junts en minerals de l'escorça terrestre.

Cerca a l'hafni és mirar cap a on el zirconi, ja que és un subproducte de la seva extracció. El nom d'aquest metall prové de la paraula llatina 'Hafnia', el va significar ve a ser el nom de Copenhaguen, ciutat on es va descobrir en minerals de zircó i es va posar fi a la controvèrsia respecte a la seva veritable naturalesa química.

Mostra de hafni metàl·lic. Font: Hi-Res Images ofChemical Elements

L'hafni és un metall que passa desapercebut en l'intel·lecte general, de fet, poques persones tan sols l'han escoltat nomenar abans. Tot i entre alguns químics és un element poc comú, havent en part al seu alt cost de producció, ja que en la majoria de les seves aplicacions el zirconi pot substituir sense cap problema.

Aquest metall es porta la distinció de ser l'últim dels elements més estables descoberts aquí a la Terra; és a dir, els altres descobriments han constituït una sèrie d'elements ultrapesados, radioactius i / o d'isòtops artificials.

Els compostos de l'hafni són anàlegs als de titani i zirconi, predominant en ells el nombre d'oxidació de +4, com ara el HfCl ₄, HFO ₂, HFI ₄ i HfBr ₄. Alguns d'ells lideren la llista dels materials més refractaris mai creats, així com aliatges de gran resistència tèrmica i que actua a més com a absorbents excel·lents de neutrons.

Per aquesta raó el hafni té molta participació en la química nuclear, especialment al que respecten els reactors d'aigua a pressió.

descobriment

Metall de transició o de les terres rares

El descobriment de l'hafni va estar envoltat de controvèrsies, tot i que la seva existència ja es predeia des de 1869 gràcies a la taula periòdica Mendeleev.

El problema va radicar en què es posicionava sota el zirconi, però coincidia en el mateix període dels elements de les terres rares: els lantanoides. Els químics en aquells dies no sabien si es tractava d'un metall de transició o d'un metall de les terres rares.

El químic francès Georges Urbain, descobridor de l'luteci, metall veí de l'hafni, va assegurar el 1911 haver descobert l'element 72, a el qual va cridar celtio i proclamava que era un metall de les terres rares. Però tres anys més tard es va arribar a la conclusió que els seus resultats estaven equivocats, i que només havia aïllat una barreja de lantanoides.

No va ser fins que els elements es van ordenar pels seus números atòmics, gràcies a la feina d'Henry Moseley en 1914, que es va posar en evidència el veïnatge entre el luteci i l'element 72, concordant amb les prediccions de Mendeleev a l'ubicar-se aquest últim element en el mateix grup que els metalls titani i zirconi.

Detecció a Copenhaguen

El 1921, després dels estudis de l'estructura atòmica de Niels Bohr i la seva predicció de l'espectre d'emissió de raigs X per a l'element 72, es va deixar de buscar aquest metall en els minerals de les terres rares; i en el seu lloc, es va enfocar la seva recerca en els minerals de zirconi, ja que tots dos elements devien compartir diverses propietats químiques.

El químic danès Dirk Coster i el químic hongarès Georg von Hevesy en 1923 van aconseguir finalment reconèixer l'espectre predit per Niels Bohr en mostres de zircó provinents de Noruega i Groenlàndia. A l'haver realitzat el descobriment a Copenhaguen, van cridar a l'element 72 pel nom llatí d'aquesta ciutat: Hafnia, de el qual va derivar després 'hafni'.

Aïllament i producció

No obstant això, no era tasca fàcil separar els àtoms d'hafni dels de l'zirconi, ja que les seves grandàries són similars i reaccionen de la mateixa manera. Si bé en 1924 s'havia ideat un mètode per recristal·lització fraccionada per obtenir tetraclorur de hafni, HfCl ₄, van ser els químics holandesos Anton Eduard van Arkel i Jan Hendrik de Boer qui ho van reduir a l'hafni metàl·lic.

Per a això, el HfCl ₄ es sotmetia a una reducció utilitzant magnesi metàl·lic (procés Kroll):

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

D'altra banda, partint de l'tetrayoduro de hafni, HFI ₄, aquest es vaporitzava per patir una descomposició tèrmica sobre un filament incandescent de tungstè, sobre el qual es dipositava el hafni metàl·lic per originar una barra d'aparença policristalina (procés de la barra cristal·lina o procés Arkel- De Boer):

HFI ₄ (1700 ° C) → Hf + 2 I ₂

Estructura de l'hafni

Els àtoms d'hafni, Hf, s'agrupen a pressió ambient en un cristall d'estructura hexagonal compacta, hcp, a l'igual que ho fa els metalls titani i zirconi. Aquest vidre hcp de hafni ve a ser la seva fase α, la qual es manté constant fins a una temperatura de 2030 K, quan pateix una transició a la fase β, d'estructura cúbica centrada en el cos, bcc.

Això s'entén si es considera que la calor "relaxa" el vidre i, per tant, els àtoms Hf busquen posicionar-se de tal manera que disminueixi la seva compactació. Aquestes dues fases són suficients per considerar el polimorfisme de l'hafni.

Així mateix, presenta un polimorfisme que depèn de les altes pressions. Les fases α i β existeixen a una pressió d'1 atm; mentre que la fase ω, hexagonal però encara més compactada que la hcp ordinària, apareix quan les pressions sobrepassen els 40 GPa. Curiosament, quan les pressions segueixen augmentant, reapareix la fase β, la menys densa.

propietats

aparença física

Sòlid blanc platejat, el qual mostra tonalitats fosques si té una capa d'òxid i nitrur.

massa molar

178,49 g / mol

Punt de fusió

2233 ºC

Punt d'ebullició

4603 ºC

densitat

A temperatura ambient: 13,31 g / cm ³, sent dues vegades més dens que el zirconi

Just en el punt de fusió: 12 g / cm ³

Calor de fusió

27,2 kJ / mol

Calor de vaporització

648 kJ / mol

electronegativitat

1,3 en l'escala de Pauling

Energies d'ionització

Primera: 658,5 kJ / mol (Hf ⁺ gasós)

Segona: 1440 kJ / mol (Hf ²⁺ gasós)

Tercera: 2250 kJ / mol (Hf ³⁺ gasós)

conductivitat tèrmica

23,0 W / (m · K)

resistivitat elèctrica

331 nΩ · m

Duresa de Mohs

5,5

reactivitat

Llevat que el metall es poleixi i cremi, acomiadant espurnes a una temperatura de 2000 ºC, no té susceptibilitat per oxidar ni corroir, ja que una fina capa de la seva òxid el protegeix. En aquest sentit, és un dels metalls més estables. De fet, els àcids ni les bases fortes poden dissoldre; a excepció de l'àcid fluorhídric, i dels halògens capaços de oxidar.

configuració electrònica

L'àtom de hafni té la següent configuració electrònica:

4f ¹⁴ 5d ² 6s ²

Aquesta coincideix amb el fet de pertànyer a al grup 4 de la taula periòdica, juntament amb el titani i zirconi, perquè posseeix quatre electrons de valència en els orbitals 5d i 6s. Així mateix cal notar que el hafni no podia tractar-se d'un lantanoide, ja que té els seus orbitals 4f completament plens.

Números d'oxidació

La mateixa configuració electrònica revela quants electrons és capaç de perdre teòricament un àtom de hafni a l'formar part d'un compost. Suposant que perd els seus quatre electrons de valència, quedaria com un catió tetravalent Hf ⁴⁺ (en analogia a l'Tu ⁴⁺ i Zr ⁴⁺), i tindria per tant un nombre d'oxidació de +4.

Aquest és de fet el més estable i comú dels seus números d'oxidació. Altres d'ells menys rellevants són: -2 (Hf ^2-), +1 (Hf ⁺), +2 (Hf ²⁺) i +3 (Hf ³⁺).

isòtops

El hafni es presenta a la Terra com cinc isòtops estables i un radioactiu amb un temps de vida molt gran:

- ¹⁷⁴ Hf (0,16%, amb un temps de vida mitjana de 2 · 10 ¹⁵ anys, de manera que se'l considera pràcticament estable)

- ¹⁷⁶ Hf (5,26%)

- ¹⁷⁷ Hf (18,60%)

- ¹⁷⁸ Hf (27,28%)

- ¹⁷⁹ Hf (13,62%)

- ¹⁸⁰ Hf (35,08%)

Cal notar que no hi ha com a tal cap isòtop que destaqui en abundància, i això es reflecteix en la massa atòmica mitjana de l'hafni, 178.49 uma.

De tots els isòtops radioactius de l'hafni, que juntament amb els naturals sumen un total de 34, el ^178m2 Hf és el més controversial pel fet que en el seu decaïment radioactiu allibera radiació gamma, de manera que aquests àtoms podrien arribar a utilitzar-se com a arma de guerra.

usos

reaccions nuclears

L'hafni és un metall resistent a la humitat ia les altes temperatures, a més que és un excel·lent absorbent de neutrons. Per aquesta raó, s'utilitza en els reactors d'aigua a pressió, així com en la fabricació de barres controladores per als reactors nuclears, en els recobriments estan fets de zirconi ultrapur, ja que aquest sí ha de ser capaç de transmetre els neutrons a través d'ell.

aliatges

Els àtoms d'hafni poden integrar altres vidres metàl·lics per donar lloc a diferents aliatges. Aquestes es caracteritzen per ser tenaços i tèrmicament resistents, de manera que es destinen per a aplicacions espacials, com en la construcció dels filtres de motors per als coets.

D'altra banda, alguns aliatges i compostos sòlids de hafni tenen propietats especials; com ara els seus carburs i nitrurs, HFC i HFN, respectivament, els quals són materials molt refractaris. El carbur de tàntal i hafni, Ta ₄ HFC _maig, amb un punt de fusió de 4215 ºC, és un dels materials més refractaris mai coneguts.

catàlisi

Els metal·locens d'hafni s'utilitzen com a catalitzadors orgànics per a la síntesi de polímers com ara el polietilè i el poliestirè.

Riscos

Es desconeix fins a la data quin impacte podria tenir en el nostre organisme els ions Hf ⁴⁺. D'altra banda, pel fet que es troben en la natura en minerals de zirconi, no es creu que arribin a alterar l'ecosistema d'alliberar les seves sals a el medi ambient.

Ara bé, es recomana manipular els compostos de hafni amb cura, com si fossin tòxics, tot i que no hi hagi estudis mèdics que comprovin que siguin nocius per a la salut.

El veritable perill de l'hafni radica en les partícules del seu sòlid finament mòltes, les quals poden cremar tot just a l'entrar en contacte amb l'oxigen de l'aire.

Això explica per què quan se li poleix, acció que raspa la seva superfície i desprèn partícules de metall pur, s'alliberen espurnes ardents amb una temperatura de 2000 ºC; això és, el hafni presenta piroforicitat, única propietat que comporta riscos d'incendis o cremades greus.

referències

1. Shiver & Atkins. (2008). Química Inorgànica. (Quarta edició). Mc Graw Hill.
2. Wikipedia. (2020). Hafnium. Recuperat de: en.wikipedia.org
3. Steve Gagnon. (Sf). The Element Hafnium. Jefferson Lab Resources. Recuperat de: education.jlab.org
4. The Editors of Encyclopaedia Britannica. (18 de desembre de al 2019). Hafnium. Encyclopædia Britannica. Recuperat de: britannica.com
5. Dr. Doug Stewart. (2020). Hafnium Element Facts. Recuperat de: chemicool.com
6. National Center for Biotechnology Information. (2020). Hafnium. PubChem Database, AtomicNumber = 72. Recuperat de: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
7. K. Pandey et al. (Sf). Reinvestigation of high pressure polymorphism in Hafnium metall. Recuperat de: arxiv.org
8. Eric Scerri. (01 de setembre de 2009). Hafnium. Chemistry in its Elements. Recuperat de: chemistryworld.com