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Afnio

elemento chimico con numero atomico 72

L'afnio è l'elemento chimico di numero atomico 72 e il suo simbolo è Hf.

Afnio
   

72		 Hf
  
               
               
                                   
                                   
                                                               
                                                               
   

lutezio ← afnio → tantalio

Aspetto
Aspetto dell'elemento
Aspetto dell'elemento
Metallo grigio lucente
Linea spettrale
Linea spettrale dell'elemento
Linea spettrale dell'elemento
Generalità
Nome, simbolo, numero atomicoafnio, Hf, 72
Seriemetalli di transizione
Gruppo, periodo, blocco4, 6, d
Densità13 310 kg/m³
Durezza5,5
Configurazione elettronica
Configurazione elettronica
Configurazione elettronica
Termine spettroscopico3F2
Proprietà atomiche
Peso atomico178,49 u
Raggio atomico (calc.)172 pm
Raggio covalente150 pm
Raggio di van der Waals161 pm[1]
Configurazione elettronica[Xe]4f14 5d2 6s2
e− per livello energetico2, 8, 18, 32, 10, 2
Stati di ossidazione4 (anfotero)
Struttura cristallinaesagonale
Proprietà fisiche
Stato della materiasolido
Punto di fusione2 506 K (2 233 °C)
Punto di ebollizione4 876 K (4 603 °C)
Volume molare1,344×10−5 m³/mol
Entalpia di vaporizzazione575 kJ/mol
Calore di fusione24,06 kJ/mol
Tensione di vapore1,12×10−3 Pa a 2500 K
Velocità del suono1590 m/s a 293,15 K
Altre proprietà
Numero CAS7440-58-6
Elettronegatività1,3
Calore specifico140 J/(kg·K)
Conducibilità elettrica3,12×106/m·Ω
Conducibilità termica23 W/(m·K)
Energia di prima ionizzazione658,5 kJ/mol
Energia di seconda ionizzazione1 440 kJ/mol
Energia di terza ionizzazione2 250 kJ/mol
Isotopi più stabili
Per approfondire vedi la voce Isotopi dell'afnio.
isoNATDDMDEDP
172Hfsintetico 1,87 anniε0,350172Lu
174Hf0,162% 2×1015 anniα2,495170Yb
176Hf5,206% È stabile con 104 neutroni
177Hf18,606% È stabile con 105 neutroni
178Hf27,297% È stabile con 106 neutroni
179Hf13,629% È stabile con 107 neutroni
180Hf35,1% È stabile con 108 neutroni
182Hfsintetico 9×106 anniβ0,373182Ta
iso: isotopo
NA: abbondanza in natura
TD: tempo di dimezzamento
DM: modalità di decadimento
DE: energia di decadimento in MeV
DP: prodotto del decadimento

È un metallo di transizione di aspetto lucido e colore argenteo; chimicamente assomiglia allo zirconio e si trova spesso nei minerali di zirconio. L'afnio si utilizza in lega con il tungsteno nei filamenti e negli elettrodi ed è utilizzato come assorbente di neutroni nelle barre di controllo dei reattori nucleari.

Storia

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Campioni di Afnio puro al 99,9% rifusi con un saldatore ad arco al tungsteno visti fronte retro, con una visibile struttura cristallina. I colori sono un effetto dovuto a sottile strato di ossido.

L'afnio (dal latino Hafnia, l'attuale "Copenaghen") è stato scoperto da Dirk Coster e George Charles de Hevesy nel 1923 a Copenaghen, Danimarca.

Già nella Tavola periodica degli elementi elaborata da Dmitrij Mendeleev nel 1869 era previsto un corrispondente più pesante del titanio e dello zirconio, anche se Mendeleev aveva piazzato il lantanio subito al disotto dello zirconio in quanto egli basava le sue considerazioni sul peso atomico e non sul numero atomico.[2]

Quando si comprese che dopo il lantanio era presente un gruppo di elementi con proprietà simili, iniziò la ricerca per gli elementi mancanti con numero atomico 43, 61, 72 e 75.[3] Georges Urbain affermò di avere isolato l'elemento 72 nelle terre rare e pubblicò nel 1911 i risultati della sua ricerca sull'elemento chiamato celtium.[4] Tuttavia né gli spettri né le caratteristiche chimiche corrispondevano alle aspettative cosicché, dopo un intenso dibattito, la sua scoperta fu rigettata.[5]

All'inizio del 1923 alcuni chimici e fisici, tra cui Niels Bohr[6] e Charles R. Bury,[7] proposero che l'elemento 72 dovesse assomigliare allo zirconio e quindi non far parte delle terre rare. Queste considerazioni erano basate sulla teoria atomica di Bohr, sulla spettroscopia a raggi X di Mosley e su argomentazioni di natura chimica da parte di Friedrich Paneth.[8][9]

Sulla base di queste considerazioni, Dirk Coster e George Charles de Hevesy cominciarono a cercare l'elemento 72 nei minerali di zirconio[10] fino a giungere così alla scoperta dell'afnio nel 1923 a Copenaghen.[11][12] Il nome dell'elemento fu derivato da Hafnia, il nome latino della città di Copenaghen, la città di Niels Bohr.[13] Per questo nel sigillo della Facoltà di scienze dell'Università di Copenaghen compare un'immagine stilizzata dell'afnio.[14]

L'afnio fu definitivamente identificato attraverso l'analisi ai raggi X in cristalli di zircone in Norvegia.[15]

L'afnio fu separato dallo zirconio attraverso ripetute ricristallizzazioni dei fluoruri di ammonio o potassio da Jantzen e von Hevesey.[16] L'afnio metallico fu preparato per la prima volta nel 1924 da Anton Eduard van Arkel e Jan Hendrik de Boer facendo passare il vapore del suo tetraioduro sopra un filamento di tungsteno riscaldato.[17][18] Tale processo per la purificazione differenziata dello zirconio e dell'afnio è tuttora in uso.[19]

Caratteristiche

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Afnio metallico

Questo metallo argenteo si presenta duttile e resistente alla corrosione. Le proprietà dell'afnio sono fortemente influenzate dalle impurezze di zirconio e questi due elementi sono tra i più difficili da separare. La sola differenza importante tra i due è la densità: quella dello zirconio è circa la metà di quella dell'afnio.

Il carburo di afnio è il composto binario più refrattario che si conosca (fonde a 4150 °C) ed il nitruro di afnio, con un punto di fusione di 3 310 °C, è il più refrattario fra tutti i nitruri metallici. Questo metallo è resistente agli alcali concentrati mentre gli alogeni reagiscono con esso formando tetraalogenuri di afnio. Ad alta temperatura l'afnio reagisce con ossigeno, azoto, carbonio, boro, zolfo e silicio.

L'isomero nucleare Hf-178-2m è usato come sorgente di raggi gamma e se ne sta studiando l'utilizzo come sorgente di energia nei laser a raggi gamma.

Dei sei isotopi che costituiscono l'afnio naturale, l'afnio-174 ha la maggiore sezione d'urto per neutroni termici. Il vantaggio dell'afnio rispetto agli altri assorbitori neutronici è che la reazione di assorbimento non produce elio.[20] Inoltre la sua resistenza alla corrosione in acqua è maggiore delle leghe di zirconio da guaina, perciò rende possibile il suo impiego senza guaina,[20] infine ha buona stabilità e mantenimento delle proprietà meccaniche sotto radiazione. Il periodo di esercizio delle barre in afnio può superare i 10 anni.[20]

L'afnio solido subisce una trasformazione polimorfa a 1 700-2 000 °C. È un forte sottrattore di ossigeno e azoto anche a bassissima pressione (0,1-1,0 mPa) ed è generalmente utilizzato nell'analisi delle proprietà termiche dei materiali. Ossigeno e azoto si dissolvono nell'afnio, stabilizzano la fase α aumentando la sua temperatura di transizione, il cui valore più affidabile è di 1 742 °C. I risultati più affidabili vengono da esperimenti con campioni grandi, vuoto spinto e breve durata.[21][22]

Abbondanza e disponibilità

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L'afnio si trova in natura combinato con i composti di zirconio e non esiste come elemento libero. I minerali che contengono zirconio come l'alvite [(Hf, Th, Zr)SiO4 H2O], thortveitite e zircone (ZrSiO4) contengono dall'1 al 5 per cento di afnio.

Isotopi

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  Lo stesso argomento in dettaglio: Isotopi dell'afnio.

Metodi di preparazione

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Circa la metà dell'afnio metallico è prodotto mediante raffinazione dello zirconio. Questo processo si effettua riducendo il tetracloruro di afnio con magnesio o sodio nel processo Kroll oppure attraverso il meno efficiente processo van Arkel-de Boer.

Applicazioni

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L'afnio è utilizzato per fabbricare barre di controllo nei reattori nucleari per via della sua alta capacità di assorbimento dei neutroni: è in grado di assorbire neutroni energetici 600 volte più efficacemente che lo zirconio; inoltre ha ottime caratteristiche meccaniche ed un'eccezionale resistenza alla corrosione.

Altri utilizzi sono:

Intel ha introdotto una tecnologia di transistor per i suoi processori a 45 nm che fa uso dell'afnio.

Precauzioni

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Simboli di rischio chimico
 
pericolo
frasi H250 - 251
frasi RR 17
consigli P210 - 222 - 235+410 - 280 - 420 - 422 [25][26]
frasi SS 2-7/8-43
Le sostanze chimiche
vanno manipolate con cautela
Avvertenze

L'afnio va trattato con attenzione perché quando è in polvere è piroforico, cioè si accende spontaneamente a contatto con l'aria. Composti contenenti questo metallo vengono raramente a contatto con le persone ed il metallo puro non è tossico, ma tutti i suoi composti dovrebbero essere trattati come sostanze tossiche. L'esposizione all'afnio e ai suoi composti non deve eccedere il TLV-TWA pari a 0,5 mg/m³, valore limite ponderato su 8 ore giornaliere.

Note

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  1. ^ Afnio, su lenntech.it. URL consultato il 27 aprile 2013.
  2. ^ Masanori Kaji, D. I. Mendeleev's concept of chemical elements and The Principles of Chemistry (PDF), in Bulletin for the History of chemistry, vol. 27, 2002, p. 4. URL consultato il 20 agosto 2008 (archiviato dall'url originale il 17 dicembre 2008)..
  3. ^ John L. Heilbron, The Work of H. G. J. Moseley, in Isis, vol. 57, n. 3, 1966, p. 336, DOI:10.1086/350143..
  4. ^ M. G. Urbain, Sur un nouvel élément qui accompagne le lutécium et le scandium dans les terres de la gadolinite: le celtium, in Comptes rendus, 1911, p. 141. URL consultato il 10 settembre 2008.
  5. ^ V. P. Mel'nikov, Some Details in the Prehistory of the Discovery of Element 72, in Centaurus, vol. 26, n. 3, 1982, p. 317, Bibcode:1982Cent...26..317M, DOI:10.1111/j.1600-0498.1982.tb00667.x.
  6. ^ Niels Bohr, The Theory of Spectra and Atomic Constitution: Three Essays, p. 114, ISBN 1-4365-0368-X.
  7. ^ Charles R. Bury, Langmuir's Theory of the Arrangement of Electrons in Atoms and Molecules, in J. Amer. Chem. Soc., vol. 43, n. 7, 1921, p. 1602, DOI:10.1021/ja01440a023.
  8. ^ (DE) F. A. Paneth, Das periodische System (The periodic system), in Ergebnisse der Exakten Naturwissenschaften 1, 1922, p. 362.
  9. ^ W. C. Fernelius, Hafnium (PDF), in Journal of Chemical Education, 1982, p. 242. URL consultato il 29 ottobre 2011 (archiviato dall'url originale il 15 marzo 2020).
  10. ^ (FR) M. G. Urbain, Sur les séries L du lutécium et de l'ytterbium et sur l'identification d'un celtium avec l'élément de nombre atomique 72, in Comptes rendus, vol. 174, 1922, p. 1347. URL consultato il 30 ottobre 2008.
  11. ^ D. Coster, Hevesy, G., On the Missing Element of Atomic Number 72, in Nature, vol. 111, n. 2777, 1923, p. 79, Bibcode:1923Natur.111...79C, DOI:10.1038/111079a0.
  12. ^ G. Hevesy, The Discovery and Properties of Hafnium, in Chemical Reviews, vol. 2, 1925, p. 1, DOI:10.1021/cr60005a001.
  13. ^ Eric R. Scerri, Prediction of the nature of hafnium from chemistry, Bohr's theory and quantum theory, in Annals of Science, vol. 51, n. 2, 1994, p. 137, DOI:10.1080/00033799400200161.
  14. ^ University Life 2005 (PDF), su publikationer.ku.dk, University of Copenghagen, p. 43. URL consultato il 2 novembre 2008 (archiviato dall'url originale il 25 agosto 2011).
  15. ^ Georg von Hevesy, Über die Auffindung des Hafniums und den gegenwärtigen Stand unserer Kenntnisse von diesem Element, in Berichte der deutschen chemischen Gesellschaft (A and B Series), vol. 56, n. 7, 1923, p. 1503, DOI:10.1002/cber.19230560702..
  16. ^ (DE) A. E. van Arkel, de Boer, J. H., Die Trennung von Zirkonium und Hafnium durch Kristallisation ihrer Ammoniumdoppelfluoride (The separation of zirconium and hafnium by crystallization of the double ammonium fluorides), in Zeitschrift für anorganische und allgemeine Chemie, vol. 141, 1924, p. 284, DOI:10.1002/zaac.19241410117..
  17. ^ (DE) A. E. van Arkel, de Boer, J. H., Die Trennung des Zirkoniums von anderen Metallen, einschließlich Hafnium, durch fraktionierte Distillation (The separation of zirconium and hafnium by fractionated distillation), in Zeitschrift für anorganische und allgemeine Chemie, vol. 141, 1924, p. 289, DOI:10.1002/zaac.19241410118.
  18. ^ (DE) A. E. van Arkel, de Boer, J. H., Darstellung von reinem Titanium-, Zirkonium-, Hafnium- und Thoriummetall (Production of pure titanium, zirconium, hafnium and Thorium metal), in Zeitschrift für anorganische und allgemeine Chemie, vol. 148, 1925, p. 345, DOI:10.1002/zaac.19251480133.
  19. ^ J. H. Schemel, ASTM Manual on Zirconium and Hafnium, ASTM International, 1977, pp. 1–5, ISBN 978-0-8031-0505-8.
  20. ^ a b c Thermophysical Properties of Materials for Nuclear Engineering: A Tutorial and Collection of Data (PDF), p. 145. URL consultato il 26 novembre 2013.
  21. ^ Thermophysical properties database of materials for LWR and HWR (PDF), p. 296. URL consultato il 26 novembre 2013.
  22. ^ I dati più affidabili e raccomandati su espansione termica, entalpia, calore specifico e emissività di afnio e biossido di afnio sono forniti in Thermophysical properties database of materials for LWR and HWR
  23. ^ Intel userà afnio come isolante, su macitynet.it. URL consultato il 29 gennaio 2007 (archiviato dall'url originale il 3 febbraio 2007).
  24. ^ Intel: la chiave è l'afnio, su punto-informatico.it, Punto Informatico, 16 novembre 2007. URL consultato il 16 novembre 2007.
  25. ^ Conservare sotto gas inerte.
  26. ^ scheda dell'afnio in polvere su IFA-GESTIS, su gestis-en.itrust.de. URL consultato il 3 giugno 2021 (archiviato dall'url originale il 16 ottobre 2019).

Bibliografia

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Voci correlate

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Altri progetti

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Collegamenti esterni

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