Scopriamo insieme l’afnio, un metallo di transizione appartenente al 6° Periodo e al Gruppo 4 della Tavola Periodica, con numero atomico 72 e configurazione elettronica [Xe] 4f14,5d2, 6s2. Questo elemento deve il suo nome a Hafinia, il nome latino di Copenhagen, dove fu scoperto nel 1923 da Dirk Coster e George von Hevesy.
La scoperta di Dmitrij Mendeleev
Indice Articolo
- Proprietà dell’afnio
- Processo di Estrazione Industriale
- Processo di Riduzione per Ottenere Hafnio Metallico
- Processo di Purificazione con Iodio
- Proprietà dei Composti dell’Hafnio
- Utilizzo dell’Ossido di Hafnio
- L’utilizzo dell’afnio in diverse applicazioni tecnologiche
- Catalizzatore e materiali elettronici
- Applicazioni nell’industria nucleare
- Leghe e applicazioni aerospaziali
- Superleghe e resistenza ai materiali
Nel 1869, Dmitrij Mendeleev, nel contesto delle sue ricerche sulle leggi periodiche degli elementi, aveva previsto l’esistenza di questo metallo. Egli aveva predetto l’esistenza di un elemento con proprietà simili a quelle del titanio e dello zirconio ma più pesante dei due.
La scoperta dell’afnio, nascosto tra i minerali contenenti zirconio, avvenne grazie alla tecnica di diffrazione dei Raggi X. Questo nuovo elemento presentava proprietà chimico-fisiche simili allo zirconio, con il quale poteva essere scambiato.
Proprietà dell’afnio
L’afnio, come lo zirconio, è un metallo duttile, di colore argenteo, resistente alla corrosione e piroforico se ridotto in polvere sottile. La principale differenza risiede nella sua maggiore densità. Cristallizza secondo un reticolo esagonale compatto ed è anisotropo.
Così come lo zirconio, l’afnio si trova in natura combinato con i minerali contenenti zirconio, rendendone difficile la separazione e impedendo la sua presenza allo stato puro.
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Processo di Estrazione Industriale
Nel processo industriale di estrazione dell’afnio, viene impiegata la cristallizzazione frazionata di sali di bifluoruro di ammonio o la distillazione frazionata del cloruro. Questi metodi risultano cruciali data la presenza di numeri di ossidazione come +4, +3, +2, +1 e -2, che causano instabilità, in contrasto con lo zirconio.
Processo di Riduzione per Ottenere Hafnio Metallico
A livello industriale, vengono utilizzati processi di estrazione liquido-liquido con vari solventi per ottenere il tetracloruro di afnio. Successivamente, avviene la riduzione con magnesio e sodio tramite il processo Kroll:
HfCl4 + 2 Mg → 2 MgCl2 + Hf
Il metallo si depositerà sul fondo del recipiente, formando uno strato liquido di cloruro di magnesio, mentre il magnesio in eccesso si stratificherà come terzo strato.
Processo di Purificazione con Iodio
L’afnio ottenuto si presenta come una spugna che viene poi purificato tramite il processo allo iodio di De Boer-Van Arkel. In questo processo, l’afnio reagisce con l’iodio a 500°C per formare il tetraioduro di afnio:
Hf + 2 I2 → HfI4
Successivamente, a una temperatura di 1700°C, avviene la reazione inversa e l’afnio purificato si deposita su un filamento di tungsteno.
Proprietà dei Composti dell’Hafnio
L’hafnio forma composti refrattari come il nitruro HfN (che ha una temperatura di fusione di 3300°C) e il carburo HfC (che ha una temperatura di fusione di circa 3900 °C), considerato come la sostanza più refrattaria conosciuta.
Resistente agli alcali, l’hafnio reagisce con varie sostanze a elevate temperature ed è in grado di reagire direttamente con gli alogeni per formare tetralogenuri.
Utilizzo dell’Ossido di Hafnio
Uno dei composti più comuni dell’hafnio è l’ossido di hafnio (IV) HfO2, che possiede proprietà isolanti ed è usato come intermedio per ottenere l’hafnio metallico. Quest’ossido reagisce con acidi e basi forti e si scioglie lentamente in acido fluoridrico, oltre a reagire con il cloro in presenza di sostanze appropriate.
L’utilizzo dell’afnio in diverse applicazioni tecnologiche
L’afnio è un metallo molto versatile che trova impiego in diversi settori tecnologici grazie alle sue eccellenti proprietà fisiche e chimiche. Una delle sue forme più comuni è il tetracloruro di afnio HfCl4, ottenuto tramite la reazione tra l’afnio e il tetracloruro di carbonio.
Catalizzatore e materiali elettronici
Il tetracloruro di afnio è il precursore di numerosi composti organometallici dell’afnio e viene impiegato come catalizzatore in varie reazioni chimiche. Trova utilizzo anche nella produzione di filamenti per lampadine e nell’elettronica come materiale per catodi.
Applicazioni nell’industria nucleare
Uno dei principali impieghi dell’afnio è nella costruzione di barre di controllo per reattori nucleari. Questo metallo è preferito al boro per la sua maggiore resistenza alla corrosione e la sua elevata capacità di catturare neutroni.
Leghe e applicazioni aerospaziali
L’afnio viene spesso utilizzato in lega con altri metalli come ferro, niobio, tantalio e titanio. Le leghe afnio-niobio, ad esempio, sono conosciute per la loro resistenza al calore e vengono impiegate in applicazioni aerospaziali.
Superleghe e resistenza ai materiali
In aggiunta, l’afnio viene utilizzato in alte temperature per migliorare la resistenza alla corrosione e alla trazione delle superleghe a base di nichel. Questa aggiunta migliora le prestazioni dei materiali in condizioni estreme, rendendoli ideali per applicazioni che richiedono resistenza e durata nel tempo.
In conclusione, l’afnio è un metallo prezioso con numerose applicazioni nell’industria e nella tecnologia moderna, dalle leghe aerospaziali alle superleghe ad alte prestazioni, garantendo resistenza e affidabilità nei materiali che utilizziamo quotidianamente.
