LA hafnium, Hf, est un métal de transition de numéro atomique 72, situé dans le groupe 4 du Tableau périodique. Il se produit naturellement avec l'élément qui se trouve juste au-dessus, le zirconium, mais ils sont difficiles à séparer compte tenu de la grande similitude chimique entre eux. La contraction lanthanique donne au hafnium une rayon atomique presque égal à celui du zirconium, facilitant l'échange entre les deux dans la composition des minéraux.
L'hafnium est peu présent dans la croûte terrestre, mais il a des applications importantes. L'un d'eux concerne la fabrication de barres de contrôle neutronique dans les réacteurs nucléaires, qui contrôlent les réactions de fission. Il peut également être utilisé dans la production de superalliages métalliques et de céramiques à haute température.
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résumé de l'hafnium
Il se produit naturellement avec le zirconium.
Il est peu présent dans la croûte terrestre.
La contraction lanthanique rend difficile la séparation de l'hafnium et du zirconium.
On le trouve essentiellement dans la zirconite.
Il est utilisé dans la fabrication de barres de contrôle neutronique dans réacteurs nucléaires.
Il a été découvert par Georg von Hevesey et Dirk Coster.
Propriétés de l'hafnium
symbole: Hf
numéro atomique: 72
masse atomique: 178,49 u.m.
configuration électronique: [Xe] 6s2 4f14 5d2
Point de fusion : 2233°C
Point d'ébullition: 4600 °C
Densité: 13,3 g.cm-3
série chimique: métal de transition, groupe 4
caractéristiques de l'hafnium
L'hafnium est un métal grisâtre naturellement présent dans la croûte terrestre, avec environ 5,3 mg pour chaque kilogramme de croûte. Lorsqu'il est finement divisé, c'est un matériau pyrophorique, c'est-à-dire qu'il est sujet à la combustion spontanée au contact de l'air, cependant, sous sa forme brute, elle ne l'est pas.
L'hafnium est l'un des premiers éléments du tableau périodique à avoir l'effet de la soi-disant contraction des lanthanides, dans laquelle une contraction du rayon atomique au cours de la série des lanthanides. En conséquence, le le rayon hafnium est similaire à l'élément juste au-dessus lui dans le tableau périodique, le zirconium, dont la différence n'est que de 1 pm (picomètre, 10-12 m). En conséquence, certaines propriétés sont très similaires les unes aux autres, ce qui les fait se produire ensemble dans la nature et est difficile à séparer.
C'est un métal qui peut subir une attaque acide à des températures élevées, mais ne subit aucune action des solutions alcalines, même à des températures plus élevées. La chimie de l'hafnium est mal connue par rapport au zirconium. Cependant, une grande partie de la le comportement chimique de l'hafnium ressemble à celui du zirconium, comme la prédominance de l'état d'oxydation +4 en solution et la réaction avec la plupart des non-métaux à haute température.
Hf + O2 → HfO2
Hf + 2 Cl2 → HfCl4
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Présence d'hafnium
l'hafnium est peu présent dans la croûte terrestre, se produisant principalement associé au zirconium dans des minéraux tels que la zirconite, un silicate mixte de zirconium et d'hafnium, qui peut également contenir d'autres éléments. La formule chimique peut être représentée par (Zr, Hf) SiO4 et la teneur en hafnium varie habituellement de 1 % à 4 % en masse. Le rapport du zirconium à l'hafnium est de 50:1 dans la zirconite, et comme dit, ils sont assez difficiles à séparer.
LA extraction du mélange zirconium-hafnium du zircon peut se produire avec la conversion de l'oxyde de ces métaux en leur tétrachlorure, à haute température. Dans un second temps, le tétrachlorure des métaux sera réduit de magnésium dans une atmosphère de argon, à très haute température. Les réactions suivantes illustrent le processus, où M peut être Hf ou Zr.
MO2 → MCl4 (à l'aide de CCl4 à une température de 770 K)
MCI4 → M (utilisant Mg dans une atmosphère d'air à 1420 K de température)
LA la séparation entre les deux peut impliquer certaines techniques, comme la cristallisation fractionnée des sels de K2ZrF6 et K2HfF6, qui ont des solubilités différentes dans l'eau. Il est également possible de faire une extraction par solvant, dans laquelle les composés Zr et Hf sont dissous dans l'eau puis extraits sélectivement avec des solvants organiques. Il est à noter que ce ne sont pas les seules techniques de séparation de l'hafnium et du zirconium. L'industrie a déjà développé des voies hydrométallurgiques (c'est-à-dire qui se produisent en solution aqueuse) et pyrométallurgiques (sans présence d'eau).
applications d'hafnium
Lorsqu'il est mélangé avec du zirconium, l'hafnium peut être un améliorant important des propriétés physiques de l'acier. Lorsqu'il est pur, le hafnium métallique peut être incorporé dans des alliages de le fer, titane et niobium. Les similitudes avec le zirconium permettent au hafnium d'être un bon substitut à ce métal, bien que cela soit un peu improbable étant donné le zirconium naturel plus élevé.
Cependant, une utilisation majeure de l'hafnium est dans fabrication de bâtons(également connules comme des bâtons ou des tiges) de contrôle dans centrales nucléaires. Comme il s'agit d'un métal avec une bonne capacité d'absorption de neutrons, l'hafnium peut être utilisé pour empêcher les réactions en chaîne de se produire dans l'usine, ce qui permet de contrôler l'énergie générée et de minimiser la probabilité d'accidents. Il convient de rappeler que la fission de l'uranium, par exemple, génère toujours des neutrons, qui pourraient entrer en collision avec de nouveaux noyaux d'uranium, dans un effet qui générerait de l'énergie selon une progression géométrique.
Enfin, l'hafnium peut aussi être utilisé dans la céramique à haute température, car il est capable de produire des matériaux hautement réfractaires tels que des borures et des carbures qui dépassent le point de fusion de 3000 ° C.
histoire de l'hafnium
L'hafnium a suivi la tendance des éléments découverts tout au long du XXe siècle. Étaient découverte en petite quantité et il a aussi fait remarquer sa découverte par erreur. Cela s'est produit avec Georges Urbain, qui croyait que l'élément 72 était une terre rare et non un métal de transition. Voilà pourquoi, Urbain a commencé à le chercher dans des mélanges du minéral ytterbium, dans lequel il a co-découvert l'élément lutétium, numéro atomique 71. Ainsi, en 1911, il publie un article dans lequel il présente ce que seraient les données spectroscopiques d'un nouvel élément, qu'il nomme celtium.
Pour déterminer son numéro atomique et confirmer sa découverte, Urbain se rend en Angleterre en 1914 pour réaliser des expériences d'émission de rayons X développées par Henry Moseley. Cependant, les expériences n'ont pas réussi à prouver que l'élément supposé Celtium était, en fait, l'élément 72. Tellement convaincu de ses efforts, Georges Urbain est allé jusqu'à dire à Rutherford, plus tard, que l'échec de la vérification de sa découverte était dû à des défauts dans les méthodes de Moseley.
En sens inverse et face aux nouvelles idées sur la structure atomique, Georg von Hevesy a supposé que l'élément 72 devait être un métal de transition et a donc commencé d'autres études avec son collègue Dirk Coster. L'analyse aux rayons X de petits échantillons de silicate de zirconium a révélé l'existence d'une substance inconnu, avec des caractéristiques spectroscopiques similaires à celles prédites par Moseley pour un tel élément.
Ainsi, après purification de l'échantillon,Vsur Hevesy et Coster ont publié leurs conclusions, suggérant le nom hafnium pour le nouvel élément, faisant allusion au nom latin de la ville de Copenhague, Hafnia, le site de la découverte. Même ainsi, Urbain a continué à défendre la découverte du celtium pendant de nombreuses années, jusqu'à ce que des techniques expérimentales prouvent que l'hafnium et le celtium produisaient des réponses différentes. En réponse à cela, ce que Moseley soupçonnait déjà a été confirmé: le Celtium était, en fait, du lutétium hautement purifié.
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Exercices résolus sur l'hafnium
question 1
L'hafnium est un élément très similaire au zirconium, qui se trouve juste au-dessus dans le tableau périodique. Nous pouvons expliquer cette grande similitude parce que :
(A) Hafnium et zirconium ont la même masse.
(B) Hafnium et zirconium ont le même nombre de protons.
(C) Hafnium et zirconium sont dans le même groupe dans le tableau périodique.
(D) Hafnium et zirconium ont le même nombre d'électrons.
(E) L'hafnium et le zirconium sont tous deux des éléments métalliques.
Répondre: lettre C
La similitude entre Hf et Zr provient de leur appartenance au même groupe dans le tableau périodique. Le tableau place dans les groupes les éléments qui ont des propriétés chimiques similaires. Ainsi, le modèle est la lettre C.
question 2
Comme le zirconium, l'hafnium apparaît sous sa forme la plus stable avec un degré d'oxydation de +4. Généralement, l'hafnium peut lier les halogènes.
La formule la plus appropriée pour le fluorure d'hafnium IV serait :
(A) HfF
(B) HfF2
(C) HfF3
(D) HfF4
(E) Hf2F3
Répondre: lettre D
LA fluor Il a un nombre d'oxydation fixe, toujours égal à -1. Puisque Hf est un élément avec NOx égal à +4, quatre atomes de fluor sont nécessaires pour neutraliser la charge de Hf. Ainsi, le composé fluorure d'hafnium IV est HfF4, décrit dans la lettre D.
Par Stefano Araújo Novais
Professeur de chimie