Afnio

Da Wikipedia, l'enciclopedia libera.
Afnio
Aspetto
Aspetto dell'elemento
Metallo grigio lucente
Generalità
Nome, simbolo, numero atomico afnio, Hf, 72
Serie metalli di transizione
Gruppo, periodo, blocco 4, 6, d
Densità 13310 kg/m³
Durezza 5,5
Configurazione elettronica
Configurazione elettronica
Proprietà atomiche
Peso atomico 178,49 amu
Raggio atomico (calc.) 172 pm
Raggio covalente 150 pm
Raggio di van der Waals 0,161 nm[1]
Configurazione elettronica [Xe]4f14 5d2 6s2
e per livello energetico 2, 8, 18, 32, 10, 2
Stati di ossidazione 4 (anfotero)
Struttura cristallina esagonale
Proprietà fisiche
Stato della materia solido
Punto di fusione 2506 K (2233 °C)
Punto di ebollizione 4876 K (4603 °C)
Volume molare 1,344 × 10−5  m³/mol
Entalpia di vaporizzazione 575 kJ/mol
Calore di fusione 24,06 kJ/mol
Tensione di vapore 1,12 × 10-3 Pa a 2500 K
Velocità del suono 1590 m/s a 293,15 K
Altre proprietà
Numero CAS 7440-58-6
Elettronegatività 1,3
Calore specifico 140 J/(kg K)
Conducibilità elettrica 3,12 × 106  /m Ω
Conducibilità termica 23 W/(m K)
Energia di prima ionizzazione 658,5 kJ/mol
Energia di seconda ionizzazione 1440 kJ/mol
Energia di terza ionizzazione 2250 kJ/mol
Isotopi più stabili
Per approfondire vedi la voce Isotopi dell'afnio.
iso NA TD DM DE DP
172Hf sintetico 1,87 anni ε 0,350 172Lu
174Hf 0,162% 2 × 1015  anni α 2,495 170Yb
176Hf 5,206% È stabile con 104 neutroni
177Hf 18,606% È stabile con 105 neutroni
178Hf 27.297% È stabile con 106 neutroni
179Hf 13.629% È stabile con 107 neutroni
180Hf 35,1% È stabile con 108 neutroni
182Hf sintetico 9 × 106  anni β 0,373 182Ta
iso: isotopo
NA: abbondanza in natura
TD: tempo di dimezzamento
DM: modalità di decadimento
DE: energia di decadimento in MeV
DP: prodotto del decadimento

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

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.

Caratteristiche[modifica | modifica sorgente]

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 (la densità 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 è il più refrattario fra tutti i nitruri metallici (con un punto di fusione di 3310 °C). 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 di assorbimento per neutroni termici. Il vantaggio dell'afnio rispetto agli altri assorbitori neutronici è che la reazione di assorbimento non produce elio[2]. Inoltre, la sua resistenza alla corrosione in acqua è maggiore delle leghe di zirconio da guaina, perciò rende possibile il suo impiego senza guaina [2], buona stabilità e mantenimento delle alte proprietà meccaniche sotto radiazione. Il periodo di esercizio delle barre in afnio può superare così i 10 anni[2].

L'afnio solido subisce una trasformazione polimorfa a 1700-2000°C, con grande dispersione dei dati[3]. Costituisce un forte sottrattore di ossigeno e azoto anche nel grado di vuoto di 0.1-1.0 mPa generalmente utilizzato nell'analisi delle proprietà termiche dei materiali. Questi due elementi si dissolvono nell'afnio, stabilizzano la fase α aumentando la sua temperatura di transizione, il cui valore più affidabile è di 1742°C. Perciò i risultati più affidabili vengono da esperimenti con campioni grandi, vuoto spinto e breve durata[3]. 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. URL consultato il 26/11/2013. , p.296.

Applicazioni[modifica | modifica sorgente]

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:

  • nelle lampade ad incandescenza,
  • per catturare i residui di ossigeno ed azoto,
  • come elettrodo nel taglio al plasma per la sua capacità di emissione di elettroni,
  • in lega con ferro, titanio, niobio, tantalio ed altri metalli.
  • il biossido di afnio dovrebbe venire utilizzato negli isolatori di gate High-K (ad alta costante dielettrica) nelle ultime generazioni di circuiti integrati.[4][5]
  • Il DARPA finanzia saltuariamente ricerche mirate ad utilizzare un isomero nucleare dell'afnio (l'Hf-178-2m) per costruire un'arma piccola ma potente da attivare con un semplice meccanismo a raggi X, la cosiddetta bomba all'afnio. C'è una forte opposizione sia tecnica che morale al progetto (si dice che questa arma potrebbe essere irrealizzabile ma altri paesi potrebbero giustificare l'aumento delle riserve di armi nucleari per contrastare il "divario con la bomba a isomeri").

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

Storia[modifica | modifica sorgente]

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 Dmitri 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.[6]

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.[7] 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.[8] Tuttavia né gli spettri né le caratteristiche chimiche corrispondevano alle aspettative cosicché, dopo un intenso dibattito, la sua scoperta fu rigettata.[9]

All'inizio del 1923 alcuni chimici e fisici, tra cui Niels Bohr[10] e Charles R. Bury[11] 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.[12][13]

Sulla base di queste considerazioni, Dirk Coster e George Charles de Hevesy cominciarono a cercare l'elemento 72 nei minerali di zirconio,[14] fino a giungere così alla scoperta dell'afnio nel 1923 a Copenaghen.[15][16] Il nome dell'elemento fu derivato da Hafnia, il nome latino della città di Copenaghen, la città di Niels Bohr.[17] Per questo nel sigillo della Facoltà di scienze dell'Università di Copenaghen compare un'immagine stilizzata dell'afnio.[18]

L'afnio fu definitivamente identificato in cristalli di zircone in Norvegia attraverso l'analisi ai raggi X.[19]

L'afnio fu separato dallo zirconio attraverso ripetute ricristallizzazioni dei fluoruri di ammonio o potassio da Jantzen e von Hevesey.[20] 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.[21][22] Tale processo per la purificazione differenziata dello zirconio e dell'afnio è tuttora in uso.[23]

Dove si trova[modifica | modifica sorgente]

L'afnio si trova in natura combinato con i composti di zirconio ma 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. 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.

Isotopi[modifica | modifica sorgente]

Exquisite-kfind.png Per approfondire, vedi Isotopi dell'afnio.

Precauzioni[modifica | modifica sorgente]

Simboli di rischio chimico

facilmente infiammabile
pericolo


frasi H: 250 - 251
consigli P: 210 - 222 - 235+410 - 280 - 420 - 422 [24][25]


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[modifica | modifica sorgente]

  1. ^ Afnio, lenntech.it. URL consultato il 27 aprile 2013.
  2. ^ a b c Thermophysical Properties of Materials for Nuclear Engineering: A Tutorial and Collection of Data. URL consultato il 26/11/2013. , p.145
  3. ^ a b Thermophysical properties database of materials for LWR and HWR. URL consultato il 26/11/2013. , p.296
  4. ^ Intel userà afnio come isolante
  5. ^ Intel: la chiave è l'afnio, Punto Informatico, 16 novembre 2007. URL consultato il 16 novembre 2007.
  6. ^ 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.
  7. ^ John L. Heilbron, The Work of H. G. J. Moseley in Isis, vol. 57, n. 3, 1966, p. 336. DOI:10.1086/350143.
  8. ^ 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.
  9. ^ 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.
  10. ^ Niels Bohr, The Theory of Spectra and Atomic Constitution: Three Essays, p. 114. ISBN 1-4365-0368-X.
  11. ^ 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.
  12. ^ (DE) F. A. Paneth, Das periodische System (The periodic system) in Ergebnisse der Exakten Naturwissenschaften 1, 1922, p. 362.
  13. ^ W. C. Fernelius, Hafnium in Journal of Chemical Education, 1982, p. 242.
  14. ^ (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.
  15. ^ 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.
  16. ^ G. Hevesy, The Discovery and Properties of Hafnium in Chemical Reviews, vol. 2, 1925, p. 1. DOI:10.1021/cr60005a001.
  17. ^ 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.
  18. ^ University Life 2005 (PDF), University of Copenghagen, p. 43. URL consultato il 2 novembre 2008.
  19. ^ 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.
  20. ^ (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.
  21. ^ (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.
  22. ^ (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.
  23. ^ J. H. Schemel, ASTM Manual on Zirconium and Hafnium, ASTM International, 1977, pp. 1–5. ISBN 978-0-8031-0505-8.
  24. ^ Conservare sotto gas inerte.
  25. ^ scheda dell'afnio in polvere su IFA-GESTIS

Bibliografia[modifica | modifica sorgente]

Voci correlate[modifica | modifica sorgente]

Altri progetti[modifica | modifica sorgente]

Collegamenti esterni[modifica | modifica sorgente]

chimica Portale Chimica: Il portale della scienza della composizione, delle proprietà e delle trasformazioni della materia