le hafnium c'est un métal de transition dont le symbole chimique est Hf et a un numéro atomique de 72. C'est le troisième élément du groupe 4 du tableau périodique, étant congénère du titane et du zirconium. Avec ce dernier, il partage de nombreuses propriétés chimiques, étant situé ensemble dans les minéraux de la croûte terrestre.
La recherche d'hafnium consiste à chercher où se trouve le zirconium, car il s'agit d'un sous-produit de son extraction. Le nom de ce métal vient du mot latin `` hafnia '', dont la signification devient le nom de Copenhague, une ville où il a été découvert dans des minéraux de zircon et la controverse concernant sa véritable nature chimique a pris fin..
Hafnium est un métal qui passe inaperçu dans l'intellect général, en fait peu de gens en ont même entendu parler auparavant. Même parmi certains produits chimiques, il s'agit d'un élément rare, en partie en raison de son coût de production élevé et du fait que dans la plupart de ses applications, le zirconium peut le remplacer sans aucun problème..
Ce métal a la particularité d'être le dernier des éléments les plus stables découverts ici sur Terre; c'est-à-dire que les autres découvertes ont constitué une série d'éléments radioactifs ultra-lourds et / ou d'isotopes artificiels.
Les composés d'hafnium sont analogues à ceux du titane et du zirconium, avec un indice d'oxydation de +4 prédominant, comme le HfCl4, HfOdeux, HfI4 et HfBr4. Certains d'entre eux figurent en tête de liste des matériaux les plus réfractaires jamais créés, ainsi que des alliages à haute résistance thermique et qui agissent également comme d'excellents absorbeurs de neutrons..
Pour cette raison, l'hafnium participe beaucoup à la chimie nucléaire, en particulier en ce qui concerne les réacteurs à eau sous pression..
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La découverte du hafnium a été entourée de controverses, malgré le fait que son existence avait déjà été prédite depuis 1869 grâce au tableau périodique de Mendeleev..
Le problème était qu'il était positionné sous le zirconium, mais coïncidait à la même époque des éléments des terres rares: les lanthanoïdes. Les chimistes de l'époque ne savaient pas s'il s'agissait d'un métal de transition ou d'un métal des terres rares..
Le chimiste français Georges Urbain, découvreur du lutétium, un métal voisin du hafnium, a affirmé en 1911 avoir découvert l'élément 72, qu'il a appelé celtium et a proclamé qu'il s'agissait d'un métal des terres rares. Mais trois ans plus tard, on a conclu que ses résultats étaient faux et qu'il n'avait isolé qu'un mélange de lanthanoïdes..
Ce n'est que lorsque les éléments ont été ordonnés par leur numéro atomique, grâce aux travaux d'Henry Moseley en 1914, que le voisinage entre le lutétium et l'élément 72 a été mis en évidence, en accord avec les prédictions de Mendeleev lorsque ce dernier élément était situé dans le même groupe. comme les métaux titane et zirconium.
En 1921, après les études de Niels Bohr sur la structure atomique et sa prédiction du spectre d'émission des rayons X pour l'élément 72, la recherche de ce métal dans les minéraux de terres rares a été arrêtée; Au lieu de cela, il a concentré sa recherche sur les minéraux de zirconium, car les deux éléments doivent partager plusieurs propriétés chimiques..
Le chimiste danois Dirk Coster et le chimiste hongrois Georg von Hevesy en 1923 ont finalement réussi à reconnaître le spectre prédit par Niels Bohr dans des échantillons de zircon de Norvège et du Groenland. Ayant fait la découverte à Copenhague, ils appelèrent l'élément 72 du nom latin de cette ville: hafnia, dont il fut plus tard dérivé `` hafnium ''.
Cependant, ce n'était pas une tâche facile de séparer les atomes d'hafnium de ceux du zirconium, car leurs tailles sont similaires et ils réagissent de la même manière. Bien qu'en 1924, une méthode de recristallisation fractionnée avait été conçue pour obtenir le tétrachlorure d'hafnium, HfCl4, ce sont les chimistes hollandais Anton Eduard van Arkel et Jan Hendrik de Boer qui l'ont réduit en hafnium métallique.
Pour ce faire, HfCl4 subit une réduction à l'aide de magnésium métallique (procédé Kroll):
HfCl4 + 2 Mg (1100 ° C) → 2 MgCldeux + Hf
D'autre part, à partir du tétraiodure d'hafnium, HfI4, Celui-ci a été vaporisé pour subir une décomposition thermique sur un filament de tungstène incandescent, sur lequel l'hafnium métallique a été déposé pour produire une barre d'aspect polycristallin (processus de barre cristalline ou processus Arkel-De Boer):
HfI4 (1700 ° C) → Hf + 2 Ideux
Les atomes d'hafnium, Hf, se regroupent à pression ambiante dans un cristal à structure hexagonale compacte, hcp, tout comme les métaux titane et zirconium. Ce cristal d'hafnium hcp devient sa phase α, qui reste constante jusqu'à une température de 2030 K, lorsqu'il subit une transition vers la phase β, avec une structure cubique centrée dans le corps, bcc.
Ceci est compris si l'on considère que la chaleur "détend" le cristal et, par conséquent, les atomes Hf cherchent à se positionner de manière à diminuer leur compactage. Ces deux phases suffisent à considérer le polymorphisme de l'hafnium.
De même, il présente un polymorphisme qui dépend des hautes pressions. Les phases α et β existent à une pression de 1 atm; tandis que la phase ω, hexagonale mais encore plus compactée que la hcp ordinaire, apparaît lorsque les pressions dépassent 40 GPa. Fait intéressant, lorsque les pressions continuent d'augmenter, la phase β la moins dense réapparaît.
Solide blanc argenté, qui montre des tons sombres s'il a une couche d'oxyde et de nitrure.
178,49 g / mol
2233 ºC
4603 ºC
À température ambiante: 13,31 g / cm3, étant deux fois plus dense que le zirconium
Juste au point de fusion: 12 g / cm3
27,2 kJ / mol
648 kJ / mol
1.3 sur l'échelle de Pauling
Premièrement: 658,5 kJ / mol (Hf+ gazeux)
Deuxième: 1440 kJ / mol (Hfdeux+ gazeux)
Troisième: 2250 kJ / mol (Hf3+ gazeux)
23,0 W / (mK)
331 nΩ m
5.5
À moins que le métal ne soit poli et brûle, produisant des étincelles à une température de 2000 ° C, il n'est pas susceptible de rouiller ou de se corroder, car une fine couche de son oxyde le protège. En ce sens, c'est l'un des métaux les plus stables. En fait, ni les acides forts ni les bases fortes ne peuvent le dissoudre; à l'exception de l'acide fluorhydrique et des halogènes capables de l'oxyder.
L'atome d'hafnium a la configuration électronique suivante:
[Xe] 4f14 5 jdeux 6 sdeux
Cela coïncide avec le fait d'appartenir au groupe 4 du tableau périodique, avec le titane et le zirconium, car il a quatre électrons de valence dans les orbitales 5d et 6s. Notez également que l'hafnium ne peut pas être un lanthanoïde, car ses orbitales 4f sont complètement remplies.
La même configuration électronique révèle combien d'électrons un atome d'hafnium est théoriquement capable de perdre dans le cadre d'un composé. En supposant qu'il perd ses quatre électrons de valence, ce serait un cation tétravalent Hf4+ (par analogie avec Ti4+ et Zr4+), et aurait donc un indice d'oxydation de +4.
C'est en fait le plus stable et le plus courant de ses indices d'oxydation. D'autres moins pertinents sont: -2 (Hfdeux-), +1 (Hf+), +2 (Hfdeux+) et +3 (Hf3+).
L'hafnium se présente sur Terre sous la forme de cinq isotopes stables et d'un radioactif avec une très longue durée de vie:
-174Hf (0,16%, avec une demi-vie de 2 10quinze ans, il est donc considéré comme pratiquement stable)
-176Hf (5,26%)
-177Hf (18,60%)
-178Hf (27,28%)
-179Hf (13,62%)
-180Hf (35,08%)
Notez qu'il n'y a en tant que tel aucun isotope qui se démarque en abondance, et cela se reflète dans la masse atomique moyenne de l'hafnium, 178,49 amu.
De tous les isotopes radioactifs de l'hafnium, qui, avec les naturels, totalisent 34, le 178m2Hf est le plus controversé car dans sa désintégration radioactive, il libère un rayonnement gamma, de sorte que ces atomes pourraient être utilisés comme arme de guerre.
L'hafnium est un métal résistant à l'humidité et aux températures élevées, en plus d'être un excellent absorbeur de neutrons. Pour cette raison, il est utilisé dans les réacteurs à eau sous pression, ainsi que dans la fabrication de barres de commande pour réacteurs nucléaires, dont les revêtements sont en zirconium ultra pur, car celui-ci doit être capable de transmettre des neutrons à travers lui..
Les atomes d'hafnium peuvent intégrer d'autres cristaux métalliques pour donner naissance à différents alliages. Ceux-ci se caractérisent par leur robustesse et leur résistance thermique, c'est pourquoi ils sont destinés à des applications spatiales, comme dans la construction de buses de moteur pour fusées..
D'autre part, certains alliages et composés d'hafnium solides ont des propriétés spéciales; comme ses carbures et nitrures, HfC et HfN, respectivement, qui sont des matériaux hautement réfractaires. Carbure de tantale et hafnium, Ta4HfC5, Avec un point de fusion de 4215 ° C, c'est l'un des matériaux les plus réfractaires jamais connus..
Les métallocènes d'hafnium sont utilisés comme catalyseurs organiques pour la synthèse de polymères tels que le polyéthylène et le polystyrène.
On ne sait pas à ce jour quel impact les ions Hf pourraient avoir sur notre corps4+. D'autre part, comme ils se trouvent dans la nature dans les minéraux de zirconium, on ne pense pas qu'ils altèrent l'écosystème en libérant leurs sels dans l'environnement..
Cependant, il est recommandé de manipuler les composés d'hafnium avec précaution, comme s'ils étaient toxiques, même en l'absence d'études médicales prouvant qu'ils sont nocifs pour la santé..
Le vrai danger du hafnium réside dans les particules finement broyées de son solide, qui peuvent à peine brûler lorsqu'elles entrent en contact avec l'oxygène de l'air..
Ceci explique que lorsqu'il est poli, une action qui gratte sa surface et libère des particules de métal pur, des étincelles brûlantes sont libérées à une température de 2000 ºC; c'est-à-dire que l'hafnium a une pyrophoricité, la seule propriété qui porte des risques d'incendie ou de brûlures graves.
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