L’afnio è un metallo di transizione appartenente al 6° Periodo e al Gruppo 4 della Tavola Periodica avente numero atomico 72 e configurazione elettronica [Xe] 4f14,5d2, 6s2.Il nome deriva da Hafinia, il nome latino di Copenhagen. In questa città nel 1923 i chimici Dirk Coster e George von Hevesy scoprirono infatti questo elemento.
Il geniale Dmitrij Mendeleev nel 1869 nell’ambito delle sue ricerche sulle leggi periodiche degli elementi aveva previsto l’esistenza del metallo. Infatti predisse che doveva esistere un elemento con proprietà simili a quelle del titanio e dello zirconio ma più pesante dei due.
La ricerca dell’elemento nascosto che appassionò i chimici fu risolta solo grazie alla tecnica di diffrazione dei Raggi X. Analizzando un pezzo di zircone fu evidenziato un nuovo elemento che presentava proprietà chimico-fisiche del tutto analoghe a quelle dello zirconio con il quale poteva essere scambiato.
L’afnio infatti si trova in natura combinato con i minerali contenenti zirconio in ragione dall’1 al 5% da cui è difficile separarlo e non esiste come elemento allo stato puro.
Proprietà dell’afnio
Come lo zirconio è duttile, di colore argenteo ed è resistente alla corrosione e se ridotto in polvere sottile è piroforico. L’unica differenza importante rispetto allo zirconio è la maggiore densità.
Cristallizza secondo un reticolo esagonale compatto ed è anisotropo
Presenta, come lo zirconio, numeri di ossidazione +4, +3, +2, +1 e -2, ma a differenza dello zirconio i numeri di ossidazione più bassi sono meno stabili.
Stanti le affinità tra i due elementi risulta particolarmente complicata la loro separazione. I metodi usati più frequentemente sono la cristallizzazione frazionata di sali di bifluoruro di ammonio o la distillazione frazionata del cloruro.
Sintesi
Tuttavia a livello industriale sono effettuati processi di estrazione liquido-liquido con un’ampia varietà di solventi al fine di ottenere il tetracloruro di afnio. Esso è poi convertito in metallo a seguito della riduzione con magnesio e sodio secondo il processo Kroll:
HfCl4 + 2 Mg → 2 MgCl2 + Hf
Il metallo si deposita sul fondo del recipiente mentre il cloruro di magnesio forma uno strato liquido. Questo si stratifica sull’afnio e il magnesio in eccesso si stratifica, fuso, come terzo strato.
L’afnio così ottenuto si presenta come una spugna che viene tramite il processo allo ioduro di De Boer-Van Arkel: l’afnio è fatto reagire a 500°C con lo iodio per dare tetraioduro di afnio secondo la reazione
Hf + 2 I2 → HfI4
Alla temperatura di 1700°C avviene la reazione inversa e l’afnio purificato si deposita su un filamento di tungsteno.
Composti
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 e costituisce la sostanza più refrattaria ad oggi conosciuta.
E’ resistente agli alcali e, ad elevate temperature, reagisce con ossigeno, azoto, carbonio, boro, silicio e zolfo mentre reagisce direttamente con gli alogeni per dare tetralogenuri.
Uno dei composti più comuni dell’afnio è l’ossido di afnio (IV) HfO2 che ha capacità isolanti ed è usato quale intermedio per ottenere l’afnio metallico. L’ossido reagisce con acidi e basi forti e si solubilizza lentamente in acido fluoridrico; reagisce inoltre con il cloro in presenza di grafite o tetracloruro di carbonio per date il tetracloruro di afnio HfCl4.
Quest’ultimo è il precursore di molti composti organometallici dell’afnio e viene usato come catalizzatore.
Come tale è utilizzato in filamenti per lampadine, in apparecchiature elettroniche e come catodo.
L’utilizzo maggiore dell’afnio è nella costruzione di barre di controllo dei reattori nucleari per l’elevata sezione di cattura per i neutroni ed è preferito al boro per la maggiore resistenza alla corrosione.
È usato in lega con altri metalli quali ferro, niobio, tantalio e titanio; le leghe afnio-niobio sono resistenti al calore e sono utilizzate in applicazioni aerospaziali.
La lega più famosa è la lega C-103 in cui vi sono niobio, afnio, titanio, zirconio, tantalio e tungsteno. Il motore principale del modulo lunare Apollo è fatto utilizzando questa lega
Aggiunto ad alta temperatura a superleghe a base di nichel, esso aumenta la sua resistenza alla corrosione e alla trazione.