iso: isotopo NA: abbondanza in natura TD: tempo di dimezzamento DM: modalità di decadimento DE: energia di decadimento in MeV DP: prodotto del decadimento
Campioni di Afnio puro al 99,9% rifusi con un saldatore ad arco al tungsteno visti fronte retro, con una visibile struttura cristallina. I colori sono un effetto dovuto a sottile strato di ossido.
Già nella Tavola periodica degli elementi elaborata da Dmitrij Mendeleev nel 1869 era previsto un corrispondente più pesante del titanio e dello zirconio, anche se Mendeleev aveva piazzato il lantanio subito al disotto dello zirconio in quanto egli basava le sue considerazioni sul peso atomico e non sul numero atomico.[2]
Quando si comprese che dopo il lantanio era presente un gruppo di elementi con proprietà simili, iniziò la ricerca per gli elementi mancanti con numero atomico 43, 61, 72 e 75.[3]Georges Urbain affermò di avere isolato l'elemento 72 nelle terre rare e pubblicò nel 1911 i risultati della sua ricerca sull'elemento chiamato celtium.[4] Tuttavia né gli spettri né le caratteristiche chimiche corrispondevano alle aspettative cosicché, dopo un intenso dibattito, la sua scoperta fu rigettata.[5]
All'inizio del 1923 alcuni chimici e fisici, tra cui Niels Bohr[6] e Charles R. Bury,[7] proposero che l'elemento 72 dovesse assomigliare allo zirconio e quindi non far parte delle terre rare. Queste considerazioni erano basate sulla teoria atomica di Bohr, sulla spettroscopia a raggi X di Mosley e su argomentazioni di natura chimica da parte di Friedrich Paneth.[8][9]
Sulla base di queste considerazioni, Dirk Coster e George Charles de Hevesy cominciarono a cercare l'elemento 72 nei minerali di zirconio[10] fino a giungere così alla scoperta dell'afnio nel 1923 a Copenaghen.[11][12] Il nome dell'elemento fu derivato da Hafnia, il nome latino della città di Copenaghen, la città di Niels Bohr.[13] Per questo nel sigillo della Facoltà di scienze dell'Università di Copenaghen compare un'immagine stilizzata dell'afnio.[14]
L'afnio fu definitivamente identificato attraverso l'analisi ai raggi X in cristalli di zircone in Norvegia.[15]
L'afnio fu separato dallo zirconio attraverso ripetute ricristallizzazioni dei fluoruri di ammonio o potassio da Jantzen e von Hevesey.[16] L'afnio metallico fu preparato per la prima volta nel 1924 da Anton Eduard van Arkel e Jan Hendrik de Boer facendo passare il vapore del suo tetraioduro sopra un filamento di tungsteno riscaldato.[17][18] Tale processo per la purificazione differenziata dello zirconio e dell'afnio è tuttora in uso.[19]
Caratteristiche
Afnio metallico
Questo metallo argenteo si presenta duttile e resistente alla corrosione. Le proprietà dell'afnio sono fortemente influenzate dalle impurezze di zirconio e questi due elementi sono tra i più difficili da separare. La sola differenza importante tra i due è la densità: quella dello zirconio è circa la metà di quella dell'afnio.
Il carburo di afnio è il composto binario più refrattario che si conosca (fonde a 4150°C) ed il nitruro di afnio, con un punto di fusione di 3 310 °C, è il più refrattario fra tutti i nitruri metallici. Questo metallo è resistente agli alcali concentrati mentre gli alogeni reagiscono con esso formando tetraalogenuri di afnio. Ad alta temperatura l'afnio reagisce con ossigeno, azoto, carbonio, boro, zolfo e silicio.
L'isomero nucleare Hf-178-2m è usato come sorgente di raggi gamma e se ne sta studiando l'utilizzo come sorgente di energia nei laser a raggi gamma.
Dei sei isotopi che costituiscono l'afnio naturale, l'afnio-174 ha la maggiore sezione d'urto per neutroni termici. Il vantaggio dell'afnio rispetto agli altri assorbitori neutronici è che la reazione di assorbimento non produce elio.[20] Inoltre la sua resistenza alla corrosione in acqua è maggiore delle leghe di zirconio da guaina, perciò rende possibile il suo impiego senza guaina,[20] infine ha buona stabilità e mantenimento delle proprietà meccaniche sotto radiazione. Il periodo di esercizio delle barre in afnio può superare i 10 anni.[20]
L'afnio solido subisce una trasformazione polimorfa a 1 700-2 000 °C. È un forte sottrattore di ossigeno e azoto anche a bassissima pressione (0,1-1,0 mPa) ed è generalmente utilizzato nell'analisi delle proprietà termiche dei materiali. Ossigeno e azoto si dissolvono nell'afnio, stabilizzano la fase α aumentando la sua temperatura di transizione, il cui valore più affidabile è di 1 742 °C. I risultati più affidabili vengono da esperimenti con campioni grandi, vuoto spinto e breve durata.[21][22]
Abbondanza e disponibilità
L'afnio si trova in natura combinato con i composti di zirconio e non esiste come elemento libero. I minerali che contengono zirconio come l'alvite [(Hf, Th, Zr)SiO4H2O], thortveitite e zircone (ZrSiO4) contengono dall'1 al 5 per cento di afnio.
Circa la metà dell'afnio metallico è prodotto mediante raffinazione dello zirconio. Questo processo si effettua riducendo il tetracloruro di afnio con magnesio o sodio nel processo Kroll oppure attraverso il meno efficiente processo van Arkel-de Boer.
Applicazioni
L'afnio è utilizzato per fabbricare barre di controllo nei reattori nucleari per via della sua alta capacità di assorbimento dei neutroni: è in grado di assorbire neutroni energetici 600 volte più efficacemente che lo zirconio; inoltre ha ottime caratteristiche meccaniche ed un'eccezionale resistenza alla corrosione.
L'afnio va trattato con attenzione perché quando è in polvere è piroforico, cioè si accende spontaneamente a contatto con l'aria. Composti contenenti questo metallo vengono raramente a contatto con le persone ed il metallo puro non è tossico, ma tutti i suoi composti dovrebbero essere trattati come sostanze tossiche. L'esposizione all'afnio e ai suoi composti non deve eccedere il TLV-TWA pari a 0,5 mg/m³, valore limite ponderato su 8 ore giornaliere.
Note
^Afnio, su lenntech.it. URL consultato il 27 aprile 2013.
^(DE) F. A. Paneth, Das periodische System (The periodic system), in Ergebnisse der Exakten Naturwissenschaften 1, 1922, p. 362.
^ W. C. Fernelius, Hafnium (PDF), in Journal of Chemical Education, 1982, p. 242. URL consultato il 29 ottobre 2011 (archiviato dall'url originale il 15 marzo 2020).
^University Life 2005 (PDF), su publikationer.ku.dk, University of Copenghagen, p. 43. URL consultato il 2 novembre 2008 (archiviato dall'url originale il 25 agosto 2011).
^scheda dell'afnio in polvere su IFA-GESTIS, su gestis-en.itrust.de. URL consultato il 3 giugno 2021 (archiviato dall'url originale il 16 ottobre 2019).
