Descoberta de háfnio, estrutura, propriedades, usos, riscos

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Jonah Lester

O háfnio é um metal de transição cujo símbolo químico é Hf e tem número atômico 72. É o terceiro elemento do grupo 4 da tabela periódica, sendo congênere do titânio e do zircônio. Com este último compartilha muitas propriedades químicas, estando localizado junto nos minerais da crosta terrestre.

Procurar háfnio é procurar onde está o zircônio, pois ele é um subproduto de sua extração. O nome deste metal vem da palavra latina 'hafnia', cujo significado passa a ser o nome de Copenhague, cidade onde foi descoberto nos minerais de zircão e acabou a polêmica sobre sua verdadeira natureza química..

Amostra de háfnio metálico. Fonte: Imagens de alta resolução de elementos químicos [CC BY (https://creativecommons.org/licenses/by/3.0)]

O háfnio é um metal que passa despercebido ao intelecto geral; na verdade, poucas pessoas ouviram falar dele antes. Mesmo entre alguns produtos químicos é um elemento incomum, em parte devido ao seu alto custo de produção e ao fato de que na maioria de suas aplicações o zircônio pode substituí-lo sem problemas..

Este metal carrega a distinção de ser o último dos elementos mais estáveis ​​descobertos aqui na Terra; ou seja, as outras descobertas constituíram uma série de elementos radioativos ultra-pesados ​​e / ou isótopos artificiais.

Os compostos de háfnio são análogos aos do titânio e zircônio, com um número de oxidação de +4 predominante neles, como o HfCl4, HfOdois, HfI4 e HfBr4. Alguns deles encabeçam a lista dos materiais mais refratários já criados, assim como ligas com alta resistência térmica e que também atuam como excelentes absorvedores de nêutrons..

Por esse motivo, o háfnio tem grande participação na química nuclear, principalmente no que diz respeito a reatores de água pressurizada..

Índice do artigo

  • 1 descoberta
    • 1.1 Transição ou metal de terra rara
    • 1.2 Detecção em Copenhagen
    • 1.3 Isolamento e produção
  • 2 Estrutura do háfnio
  • 3 propriedades
    • 3.1 Aparência física
    • 3.2 Massa molar
    • 3.3 Ponto de fusão
    • 3.4 Ponto de ebulição
    • 3,5 Densidade
    • 3.6 Calor de fusão
    • 3.7 Calor de vaporização
    • 3.8 Eletronegatividade
    • 3.9 Energias de ionização
    • 3.10 Condutividade térmica
    • 3.11 Resistividade elétrica
    • 3.12 Dureza de Mohs
    • 3.13 Reatividade
  • 4 configuração eletrônica
    • 4.1 números de oxidação
  • 5 isótopos
  • 6 usos
    • 6.1 Reações nucleares
    • 6.2 Ligas
    • 6.3 Catálise
  • 7 riscos
  • 8 referências

Descoberta

Transição ou metal de terra rara

A descoberta do háfnium foi cercada de polêmica, apesar de sua existência já ter sido prevista desde 1869, graças à tabela periódica de Mendeleev..

O problema é que ele estava posicionado abaixo do zircônio, mas coincidia no mesmo período dos elementos de terras raras: os lantanóides. Os químicos da época não sabiam se era um metal de transição ou um metal de terra rara..

O químico francês Georges Urbain, descobridor do lutécio, um metal vizinho do háfnio, afirmou em 1911 ter descoberto o elemento 72, que chamou de celtium e proclamou que se tratava de um metal de terras raras. Mas três anos depois concluiu-se que seus resultados estavam errados e que ele havia isolado apenas uma mistura de lantanóides..

Não foi até os elementos serem ordenados por seus números atômicos, graças ao trabalho de Henry Moseley em 1914, que a vizinhança entre o lutécio e o elemento 72 foi posta em evidência, concordando com as previsões de Mendeleev quando o último elemento estava localizado no mesmo grupo como os metais titânio e zircônio.

Detecção em Copenhague

Em 1921, após os estudos de Niels Bohr sobre a estrutura atômica e sua previsão do espectro de emissão de raios X para o elemento 72, a busca por esse metal em minerais de terras raras foi interrompida; Em vez disso, ele concentrou sua pesquisa nos minerais de zircônio, uma vez que ambos os elementos devem compartilhar várias propriedades químicas..

O químico dinamarquês Dirk Coster e o químico húngaro Georg von Hevesy em 1923 finalmente conseguiram reconhecer o espectro previsto por Niels Bohr em amostras de zircão da Noruega e da Groenlândia. Tendo feito a descoberta em Copenhague, eles chamaram o elemento 72 pelo nome latino desta cidade: hafnia, do qual mais tarde foi derivado de 'háfnium'.

Isolamento e produção

No entanto, não foi uma tarefa fácil separar os átomos de háfnio dos do zircônio, pois seus tamanhos são semelhantes e reagem da mesma maneira. Embora em 1924 um método de recristalização fracionada tenha sido desenvolvido para obter tetracloreto de háfnio, HfCl4, foram os químicos holandeses Anton Eduard van Arkel e Jan Hendrik de Boer que o reduziram a háfnio metálico.

Para fazer isso, HfCl4 sofreu redução usando magnésio metálico (processo Kroll):

HfCl4 + 2 Mg (1100 ° C) → 2 MgCldois + Hf

Por outro lado, a partir de tetraiodeto de háfnio, HfI4, Este foi vaporizado para sofrer decomposição térmica em um filamento de tungstênio incandescente, no qual o háfnio metálico foi depositado para produzir uma barra de aparência policristalina (processo de barra cristalina ou processo Arkel-De Boer):

HfI4 (1700 ° C) → Hf + 2 Idois

Estrutura do háfnio

Os átomos de háfnio, Hf, agrupam-se à pressão ambiente em um cristal com uma estrutura hexagonal compacta, hcp, assim como os metais titânio e zircônio. Este cristal hcp háfnio passa a ser sua fase α, que permanece constante até a temperatura de 2030 K, quando passa por uma transição para a fase β, com estrutura cúbica centrada no corpo, bcc.

Isso é entendido se for considerado que o calor "relaxa" o cristal e, portanto, os átomos de Hf procuram se posicionar de forma a diminuir sua compactação. Essas duas fases são suficientes para considerar o polimorfismo do háfnio.

Da mesma forma, apresenta um polimorfismo que depende de altas pressões. As fases α e β existem a uma pressão de 1 atm; enquanto a fase ω, hexagonal mas ainda mais compactada do que o hcp comum, aparece quando as pressões excedem 40 GPa. Curiosamente, quando as pressões continuam a aumentar, a fase β menos densa reaparece.

Propriedades

Aparência física

Sólido branco prateado, que mostra tons escuros se tiver uma camada de óxido e nitreto.

Massa molar

178,49 g / mol

Ponto de fusão

2233 ºC

Ponto de ebulição

4603 ºC

Densidade

À temperatura ambiente: 13,31 g / cm3, sendo duas vezes mais denso que o zircônio

Bem no ponto de fusão: 12 g / cm3

Calor de fusão

27,2 kJ / mol

Calor da vaporização

648 kJ / mol

Eletro-negatividade

1,3 na escala de Pauling

Energias de ionização

Primeiro: 658,5 kJ / mol (Hf+ gasoso)

Segundo: 1440 kJ / mol (Hfdois+ gasoso)

Terceiro: 2250 kJ / mol (Hf3+ gasoso)

Condutividade térmica

23,0 W / (mK)

Resistividade elétrica

331 nΩ m

Dureza de Mohs

5,5

Reatividade

A menos que o metal seja polido e queime, liberando faíscas a uma temperatura de 2.000 ° C, ele não tem suscetibilidade à ferrugem ou corrosão, pois uma fina camada de seu óxido o protege. Nesse sentido, é um dos metais mais estáveis. Na verdade, nem os ácidos fortes nem as bases fortes podem dissolvê-lo; exceto para ácido fluorídrico e halogênios capazes de oxidá-lo.

Configuração eletronica

O átomo de háfnio tem a seguinte configuração eletrônica:

[Xe] 4f14 5 ddois 6sdois

Isso coincide com o fato de pertencer ao grupo 4 da tabela periódica, junto com o titânio e o zircônio, por possuir quatro elétrons de valência nos orbitais 5d e 6s. Observe também que o háfnio não pode ser um lantanóide, uma vez que tem seus orbitais 4f completamente preenchidos.

Números de oxidação

A mesma configuração de elétrons revela quantos elétrons um átomo de háfnio é teoricamente capaz de perder como parte de um composto. Supondo que ele perca seus quatro elétrons de valência, seria um cátion tetravalente Hf4+ (em analogia com Ti4+ e Zr4+) e, portanto, teria um número de oxidação de +4.

Este é de fato o mais estável e comum de seus números de oxidação. Outros menos relevantes são: -2 (Hfdois-), +1 (Hf+), +2 (Hfdois+) e +3 (Hf3+).

Isótopos

O háfnio ocorre na Terra como cinco isótopos estáveis ​​e um radioativo com uma vida útil muito longa:

-174Hf (0,16%, com meia-vida de 2 10quinze anos, por isso é considerado praticamente estável)

-176Hf (5,26%)

-177Hf (18,60%)

-178Hf (27,28%)

-179Hf (13,62%)

-180Hf (35,08%)

Observe que, como tal, nenhum isótopo se destaca em abundância, e isso se reflete na massa atômica média do háfnio, 178,49 amu.

De todos os isótopos radioativos de háfnio, que junto com os naturais somam um total de 34, o 178m2Hf é o mais polêmico porque em seu decaimento radioativo libera radiação gama, então esses átomos poderiam ser usados ​​como uma arma de guerra.

Formulários

Reações nucleares

O háfnio é um metal resistente à umidade e altas temperaturas, além de ser um excelente absorvedor de nêutrons. Por isso, é utilizado em reatores de água pressurizada, bem como na fabricação de hastes de controle para reatores nucleares, cujos revestimentos são feitos de zircônio ultra-puro, pois este deve ser capaz de transmitir nêutrons através dele..

Ligas

Os átomos de háfnio podem integrar outros cristais metálicos para dar origem a diferentes ligas. Estes se caracterizam por serem robustos e termicamente resistentes, por isso se destinam a aplicações espaciais, como na construção de bicos de motores para foguetes..

Por outro lado, algumas ligas e compostos sólidos de háfnio têm propriedades especiais; como seus carbonetos e nitretos, HfC e HfN, respectivamente, que são materiais altamente refratários. Carboneto de tântalo e háfnio, Ta4HfC5, Com ponto de fusão de 4215 ° C, é um dos materiais mais refratários já conhecidos..

Catálise

Metalocenos de háfnio são usados ​​como catalisadores orgânicos para a síntese de polímeros como polietileno e poliestireno.

Riscos

Não se sabe até o momento que impacto os íons Hf podem ter em nosso corpo4+. Por outro lado, por serem encontrados na natureza em minerais de zircônio, não se acredita que alterem o ecossistema liberando seus sais no meio ambiente..

No entanto, é recomendável manusear os compostos de háfnio com cuidado, como se fossem tóxicos, mesmo quando não há estudos médicos que comprovem que são prejudiciais à saúde..

O perigo real do háfnio está nas partículas finamente moídas de seu sólido, que mal podem queimar quando entram em contato com o oxigênio do ar..

Isso explica porque quando é polido, ação que raspa sua superfície e libera partículas de metal puro, fagulhas de queima são liberadas a uma temperatura de 2.000 ºC; ou seja, háfnio tem piroforicidade, a única propriedade que traz riscos de incêndio ou queimaduras graves.

Referências

  1. Shiver & Atkins. (2008). Química Inorgânica. (Quarta edição). Mc Graw Hill.
  2. Wikipedia. (2020). Háfnio. Recuperado de: en.wikipedia.org
  3. Steve Gagnon. (s.f.). O elemento Hafnium. Recursos do Jefferson Lab. Recuperado de: education.jlab.org
  4. Os editores da Encyclopaedia Britannica. (18 de dezembro de 2019). Háfnio. Encyclopædia Britannica. Recuperado de: britannica.com
  5. Dr. Doug Stewart. (2020). Fatos sobre o elemento de háfnio. Recuperado de: chemicool.com
  6. Centro Nacional de Informações sobre Biotecnologia. (2020). Háfnio. Banco de dados PubChem, AtomicNumber = 72. Recuperado de: pubchem.ncbi.nlm.nih.gov
  7. K. Pandey et al. (s.f.). Reinvestigação do polimorfismo de alta pressão no metal Hafnium. Recuperado de: arxiv.org
  8. Eric Scerri. (1 de setembro de 2009). Háfnio. Química em seus elementos. Recuperado de: chemicalworld.com

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