Fatti sull'afnio

L'afnio è un metallo di transizione grigio-argenteo brillante. Scoperto nel 1923, fu il penultimo elemento con nuclei stabili ad essere aggiunto alla tavola periodica (l'ultima fu renio nel 1925). L'afnio prende il nome dalla parola latina per Copenaghen: Hafnia. L'elemento ha alcune applicazioni commerciali molto importanti, compreso il suo utilizzo nell'industria dell'energia nucleare, apparecchiature elettroniche, ceramiche, lampadine e nella realizzazione di superleghe.

L'afnio si trova raramente libero in natura e invece è presente nella maggior parte dei minerali di zirconio a una concentrazione fino al 5%. In effetti, l'afnio è così chimicamente simile allo zirconio che separare i due elementi è estremamente difficile. La maggior parte dell'afnio commerciale è prodotto come sottoprodotto della raffinazione dello zirconio.

L'afnio è il 45 ° elemento più abbondante sulla Terra, che comprende circa 3,3 parti per milione (ppm) della crosta terrestre in peso, secondo Chemicool. L'afnio è abbastanza resistente alla corrosione a causa della formazione di un film di ossido sulle superfici esposte. Infatti, non è influenzato dall'acqua, dall'aria e da tutti gli alcali e gli acidi ad eccezione del fluoruro di idrogeno.

Il carburo di afnio (HfC) ha il punto di fusione più alto di qualsiasi composto a due elementi noto a quasi 7.034 gradi Fahrenheit (3.890 gradi Celsius), secondo Jefferson Lab. Il composto nitruro di afnio (HfN) ha anche un alto punto di fusione, circa 5,981 gradi F (3,305 gradi C). Tra i composti di tre elementi, il carburo misto di tungsteno e afnio ha il punto di fusione più alto di qualsiasi composto noto a 7.457 gradi F (4.125 gradi C), secondo Chemistry World. Alcuni altri composti di afnio includono fluoruro di afnio (HfF₄) afnio cloruro (HfCl₄) e ossido di afnio (HfO₂).

Solo i fatti

• Numero atomico (numero di protoni nel nucleo): 72
• Simbolo atomico (sulla tavola periodica degli elementi): Hf
• Peso atomico (massa media dell'atomo): 178,49
• Densità: 13,3 grammi per centimetro cubo
• Fase a temperatura ambiente: solido
• Punto di fusione: 4.051 gradi Fahrenheit (2.233 gradi Celsius)
• Punto di ebollizione: 8,317 gradi F (4.603 gradi C)
• Numero di isotopi (atomi dello stesso elemento con un diverso numero di neutroni): 32 le cui emivite sono note con numeri di massa da 154 a 185
• Isotopi più comuni: Hf-174, Hf-176, Hf-177, Hf-178, Hf-179 e Hf-180.

Scoperta

La presenza di afnio era stata prevista decenni prima della sua scoperta, secondo Chemistry World. L'elemento si è rivelato piuttosto sfuggente, poiché era quasi impossibile distinguerlo chimicamente dal molto più comune zirconio.

L'afnio era ancora sconosciuto quando il chimico e inventore russo Dimitri Mendeleev sviluppò la Legge periodica - una versione premoderna della tavola periodica degli elementi - nel 1869. Nel suo lavoro, tuttavia, Mendeleev predisse correttamente che ci sarebbe stato un elemento le cui proprietà erano simili ma più pesante dello zirconio e del titanio.

Nel 1911, il chimico francese Georges Urbain, che aveva già scoperto l'elemento delle terre rare lutezio, credeva di aver finalmente scoperto l'elemento mancante 72 - che iniziò a chiamare celtium, secondo Chemicool. Tuttavia, alcuni anni dopo la sua scoperta si dimostrò essere una combinazione di lantanidi già scoperti (i 15 elementi metallici con numeri atomici da 57 a 71 nella tavola periodica).

Non era ancora chiaro se l'elemento mancante 72 sarebbe stato un metallo di transizione o un metallo di terre rare poiché cadeva al confine tra questi due tipi di elementi nella tabella. I chimici che credevano che sarebbe stato un elemento delle terre rare hanno condotto molte ricerche infruttuose tra i minerali contenenti terre rare, secondo Chemistry World.

Tuttavia, nuove prove derivanti sia dal campo della chimica che della fisica hanno supportato l'idea che l'elemento 72 sarebbe un elemento di transizione. Ad esempio, gli scienziati sapevano che l'elemento 72 era inferiore al titanio e allo zirconio nella tavola periodica ed entrambi erano noti elementi di transizione. Inoltre, il fisico danese Niels Bohr, uno dei fondatori della teoria quantistica, ha predetto che l'elemento 72 sarebbe stato un metallo di transizione basato sulla sua configurazione elettronica per l'elemento, secondo Chemistry World.

Nel 1921 Bohr incoraggiò il chimico ungherese Georg von Hevesy e il fisico olandese Dirk Costerto - all'epoca due giovani ricercatori del suo istituto - a cercare l'elemento 72 nel minerale di zirconio. Sulla base della sua teoria quantistica della struttura atomica, Bohr sapeva che il nuovo metallo avrebbe una struttura chimica simile allo zirconio, quindi c'era una forte possibilità che i due elementi si sarebbero trovati negli stessi minerali, secondo Chemicool.

Von Hevesy e Coster seguirono il consiglio di Bohr e procedettero allo studio del minerale di zirconio usando la spettroscopia a raggi X. Hanno usato la teoria di Bohr su come gli elettroni riempiono gusci e subshell all'interno degli atomi per prevedere le differenze tra gli spettri di raggi X dei due elementi, secondo Chemical and Engineering News. Questo metodo alla fine portò alla scoperta dell'afnio nel 1923. La scoperta fu una delle sole sei lacune allora rimaste nella tavola periodica. Hanno chiamato il nuovo elemento dopo la città natale di Bohr, Copenaghen (Hafniain latino).

usi

L'afnio è notevolmente resistente alla corrosione e un eccellente assorbitore di neutroni, consentendone l'uso nei sottomarini nucleari e nelle barre di controllo dei reattori nucleari, una tecnologia fondamentale utilizzata per mantenere le reazioni di fissione. Le barre di controllo mantengono attiva la reazione a catena di fissione ma impediscono anche che acceleri senza controllo.

L'afnio è utilizzato in apparecchiature elettroniche come catodi e condensatori, nonché in ceramica, lampadine flash fotografiche e filamenti di lampadine. È usato nei tubi a vuoto come getter, una sostanza che si combina con e rimuove i gas in traccia dai tubi, secondo Jefferson Lab. L'afnio è comunemente legato ad altri metalli come titanio, ferro, niobio e tantalio. Ad esempio, le leghe afnio-nobio resistenti al calore sono utilizzate in applicazioni aerospaziali, come i motori a razzo spaziale.

Il composto carburo di afnio ha il punto di fusione più alto di qualsiasi composto costituito da soli due elementi, consentendo di utilizzarlo per rivestire forni e forni ad alta temperatura, secondo Chemicool.

Chi lo sapeva?

• L'afnio è piroforico (si accende spontaneamente) sotto forma di polvere.
• Il chimico inglese Henry Moseley fu lo scienziato che si rese conto che l'elemento "celtium" di Georges Urbain non era il vero elemento situato sotto lo zirconio. Sfortunatamente, la prima guerra mondiale interruppe l'importante ricerca di questo giovane scienziato. Moseley si arruolò diligentemente negli ingegneri reali dell'esercito britannico e fu ucciso da un cecchino nel 1915. La sua morte portò l'Inghilterra a stabilire una nuova politica che vietava a eminenti scienziati di impegnarsi in combattimenti.
• Nel 1925, i chimici olandesi Anton Eduard van Arkel e Jan Hendrik de Boer inventarono un metodo per produrre afnio di elevata purezza. Per fare questo, gli scienziati hanno decomposto il tetraioduro di afnio su un filo di tungsteno caldo, ottenendo una barra di cristallo di afnio puro, secondo Chemicool. Questo metodo è chiamato processo della barra di cristallo.
• L'isomero nucleare dell'afnio è stato a lungo dibattuto come una potenziale arma. Nella controversia sull'afnio, gli scienziati discutono se l'elemento sia in grado di innescare un rapido rilascio di energia.
• Sebbene lo zirconio sia chimicamente molto simile all'afnio, è diverso dall'afnio in quanto è molto povero nell'assorbire i neutroni. Pertanto lo zirconio viene utilizzato nello strato esterno delle barre di combustibile dove è importante che i neutroni possano viaggiare facilmente.

Incontri strati terrestri con afnio

In un recente studio, un team internazionale di ricercatori è stato in grado di confermare che la prima crosta terrestre si è formata circa 4,5 miliardi di anni fa, grazie alla loro analisi chimica dell'afnio in un raro meteorite. I ricercatori ritengono che il meteorite abbia avuto origine dall'asteroide Vesta, a seguito di un grande impatto che ha inviato frammenti di roccia sulla Terra, secondo il comunicato stampa dello studio pubblicato su Science Daily. Secondo i ricercatori, i meteoriti sono pezzi dei materiali originali che hanno formato tutti i pianeti. Per lo studio, hanno misurato il rapporto tra gli isotopi afnio-176 e afnio-177 nel meteorite. Questo ha dato loro un punto di partenza per la composizione della Terra. Hanno confrontato i risultati con le rocce più antiche della Terra, confermando essenzialmente che una crosta si era già formata sulla superficie della Terra circa 4,5 miliardi di anni fa. I loro risultati sono pubblicati negli Atti della National Academy of Sciences (PNAS).