IL afnio, Hf, è un metallo di transizione di numero atomico 72, situato nel gruppo 4 del Tavola periodica. Si presenta naturalmente con l'elemento che si trova appena sopra, lo zirconio, ma sono difficili da separare data la grande somiglianza chimica tra di loro. La contrazione lantanica fa sì che l'afnio abbia a raggio atomico quasi uguale a quello dello zirconio, facilitando lo scambio tra i due nella composizione dei minerali.
L'afnio è scarsamente presente nella crosta terrestre, ma ha importanti applicazioni. Uno di questi è nella produzione di barre di controllo dei neutroni nei reattori nucleari, che controllano le reazioni di fissione. Può essere utilizzato anche nella produzione di superleghe metalliche e ceramiche ad alta temperatura.
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riassunto di afnio
Si presenta naturalmente con lo zirconio.
Non è molto presente nella crosta terrestre.
La contrazione lantanica rende difficile la separazione di afnio e zirconio.
Si trova fondamentalmente nella zirconite.
È utilizzato nella produzione di barre di controllo dei neutroni in reattori nucleari.
È stato scoperto da Georg von Hevesey e Dirk Coster.
Proprietà dell'afnio
Simbolo: HF
numero atomico: 72
massa atomica: 178.49 c.s.
configurazione elettronica: [Xe] 6s2 4f14 5 D2
Punto di fusione: 2233 °C
Punto di ebollizione: 4600 °C
Densità: 13,3 g.cm-3
serie chimica: metallo di transizione, gruppo 4
caratteristiche dell'afnio
L'afnio è un metallo grigiastro presente in natura nella crosta terrestre, con circa 5,3 mg per ogni chilogrammo di crosta. Quando è finemente diviso, è un materiale piroforico, cioè incline combustione spontaneo a contatto con l'aria, invece, nella sua forma grezza, non lo è.
L'afnio è uno dei primi elementi della Tavola Periodica ad avere l'effetto della cosiddetta contrazione dei lantanidi, in cui una contrazione del raggio atomico durante la serie dei lantanidi. Di conseguenza, il il raggio di afnio è simile all'elemento appena sopra lui nella tavola periodica, lo zirconio, la cui differenza è solo di 1 pm (picometro, 10-12 m). Di conseguenza, alcune proprietà sono molto simili tra loro, il che le rende presenti insieme in natura ed è difficile da separare.
È un metallo che può subire l'attacco acido alle alte temperature, ma non subisce l'azione delle soluzioni alcaline, anche a temperature più elevate. La chimica dell'afnio è poco conosciuta rispetto allo zirconio. Tuttavia, gran parte del il comportamento chimico dell'afnio è simile a quello dello zirconio, come la predominanza dello stato di ossidazione +4 in soluzione e la reazione con la maggior parte del non metalli ad alta temperatura.
Hf + O2 → HfO2
Hf + 2 Cl2 → HfCl4
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Presenza di afnio
l'afnio è poco presente nella crosta terrestre, che si trova principalmente associato allo zirconio in minerali come la zirconite, un silicato misto di zirconio e afnio, che può contenere anche altri elementi. La formula chimica può essere rappresentata da (Zr, Hf) SiO4 e il contenuto di afnio varia solitamente dall'1% al 4% in massa. Il rapporto tra zirconio e afnio è 50:1 in zirconite e, come detto, sono abbastanza difficili da separare.
IL estrazione della miscela zirconio-afnio dallo zircone può avvenire con la conversione dell'ossido di questi metalli nel loro tetracloruro, ad alta temperatura. In una seconda fase, il tetracloruro dei metalli sarà ridotto di magnesio in atmosfera di argon, ad altissima temperatura. Le seguenti reazioni dimostrano il processo, dove M può essere Hf o Zr.
MO2 → MCl4 (usando CCl4 a 770 K di temperatura)
MCl4 → M (usando Mg in un'atmosfera d'aria a 1420 K di temperatura)
IL la separazione tra i due può coinvolgere alcune tecniche, come la cristallizzazione frazionata dei sali di K2ZrF6 e K2HfF6, che hanno diverse solubilità in acqua. È anche possibile eseguire un'estrazione con solvente, in cui i composti Zr e Hf vengono disciolti in acqua e quindi estratti selettivamente con solventi organici. Vale la pena notare che queste non sono le uniche tecniche per separare afnio e zirconio. L'industria ha già sviluppato percorsi idrometallurgici (ovvero che avvengono in soluzione acquosa) e pirometallurgici (senza presenza di acqua).
applicazioni di afnio
Se miscelato con lo zirconio, l'afnio può essere a importante miglioratore delle proprietà fisiche dell'acciaio. Quando è puro, l'afnio metallico può essere incorporato in leghe di ferro, titanio e niobio. Le somiglianze con lo zirconio rendono possibile che l'afnio sia un buon sostituto di questo metallo, anche se è un po' improbabile dato lo zirconio naturale più alto.
Tuttavia, c'è un uso importante dell'afnio produzione di bastoncini(anche conosciutoIls come bastoni o aste) di controllo centrali elettriche nucleari. Trattandosi di un metallo con una buona capacità di assorbimento di neutroni, l'afnio può essere utilizzato per prevenire il verificarsi di reazioni a catena nell'impianto, consentendo il controllo dell'energia generata e riducendo al minimo la probabilità di incidenti. Vale la pena ricordare che la fissione dell'uranio, ad esempio, genera sempre neutroni, che potrebbero entrare in collisione con nuovi nuclei di uranio, in un effetto che genererebbe energia in una progressione geometrica.
Infine, può esserlo anche l'afnio utilizzato nella ceramica ad alta temperatura, in quanto è in grado di produrre materiali altamente refrattari come boruri e carburi che superano il punto di fusione di 3000 °C.
storia dell'afnio
L'afnio ha seguito la tendenza degli elementi scoperti nel corso del XX secolo. Erano scoperto in piccole quantità e fece anche notare erroneamente la sua scoperta. Ciò è accaduto con Georges Urbain, che credeva che l'elemento 72 fosse una terra rara e non un metallo di transizione. Ecco perché, Urbain iniziò a cercarlo nelle miscele del minerale itterbio, in cui ha co-scoperto l'elemento lutezio, numero atomico 71. Così, nel 1911, pubblicò un articolo in cui presentava quelli che sarebbero stati i dati spettroscopici di un nuovo elemento, che chiamò celtium.
Per determinarne il numero atomico e confermare la sua scoperta, Urbain si recò in Inghilterra nel 1914 per condurre esperimenti di emissione di raggi X sviluppati da Henry Moseley. Tuttavia, gli esperimenti non sono riusciti a dimostrare che il presunto elemento Celtium fosse, in effetti, l'elemento 72. Così convinto dei suoi sforzi, Georges Urbain è arrivato al punto di dirlo Rutherford, in seguito, che la mancata verifica della sua scoperta era dovuta a difetti nei metodi di Moseley.
Nella direzione opposta e di fronte a nuove idee sulla struttura atomica, Georg von Hevesy presumeva che l'elemento 72 dovesse essere un metallo di transizione e iniziò così ulteriori studi con il collega Dirk Coster. L'analisi a raggi X di piccoli campioni di silicato di zirconio ha rivelato l'esistenza di una sostanza sconosciuto, con caratteristiche spettroscopiche simili a quelle previste da Moseley per un tale elemento.
Pertanto, dopo la purificazione del campione,vsu Hevesy e Coster hanno pubblicato le loro scoperte, suggerendo il nome afnio per il nuovo elemento, alludendo al nome latino della città di Copenaghen, Hafnia, luogo del ritrovamento. Anche così, Urbain ha continuato a sostenere la scoperta del celtium per molti anni, fino a quando le tecniche sperimentali hanno dimostrato che afnio e celtium producevano risposte diverse. In risposta a ciò, è stato confermato ciò che Moseley già sospettava: il celtio era, infatti, lutezio altamente purificato.
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Esercizi risolti su afnio
domanda 1
L'afnio è un elemento molto simile allo zirconio, che si trova appena sopra di esso nella tavola periodica. Possiamo spiegare questa grande somiglianza perché:
(A) L'afnio e lo zirconio hanno la stessa massa.
(B) L'afnio e lo zirconio hanno lo stesso numero di protoni.
(C) L'afnio e lo zirconio sono nello stesso gruppo nella tavola periodica.
(D) L'afnio e lo zirconio hanno lo stesso numero di elettroni.
(E) L'afnio e lo zirconio sono entrambi elementi metallici.
Rispondere: lettera C
La somiglianza tra Hf e Zr deriva dalla loro appartenenza allo stesso gruppo della Tavola Periodica. La tabella colloca nei gruppi i elementi che hanno proprietà chimiche simili. Pertanto, il modello è la lettera C.
Domanda 2
Come lo zirconio, l'afnio appare nella sua forma più stabile con un numero di ossidazione di +4. Comunemente, l'afnio può legare gli alogeni.
La formula più adatta per il fluoruro di afnio IV sarebbe:
(A) HfF
(B) HfF2
(C) HfF3
(D) HfF4
(E) Hf2F3
Rispondere: lettera D
IL fluoro Ha un numero di ossidazione fisso, sempre uguale a -1. Poiché Hf è un elemento con NOx pari a +4, sono necessari quattro atomi di fluoro per neutralizzare la carica di Hf. Pertanto, il composto fluoruro di afnio IV è HfF4, descritto nella lettera D.
Di Stefano Araújo Novais
Insegnante di chimica
