Fatos sobre o háfnio

O háfnio é um metal de transição cinza-prateado brilhante. Descoberto em 1923, foi o penúltimo elemento com núcleos estáveis ​​a ser adicionado à tabela periódica (o último foi o rênio em 1925). Hafnium tem o nome da palavra latina para Copenhague: Hafnia. O elemento tem algumas aplicações comerciais muito importantes, incluindo seu uso na indústria de energia nuclear, equipamentos eletrônicos, cerâmicas, lâmpadas e na fabricação de superligas..

O háfnio raramente é encontrado livre na natureza e, em vez disso, está presente na maioria dos minerais de zircônio em uma concentração de até 5%. Na verdade, o háfnio é tão quimicamente semelhante ao zircônio que separar os dois elementos é extremamente difícil. A maior parte do háfnio comercial é produzido como um subproduto do refino de zircônio.

Hafnium é o 45º elemento mais abundante na Terra, compreendendo cerca de 3,3 partes por milhão (ppm) da crosta terrestre por peso, de acordo com Chemicool. O háfnio é bastante resistente à corrosão devido à formação de uma película de óxido nas superfícies expostas. Na verdade, ele não é afetado pela água, pelo ar e por todos os álcalis e ácidos, exceto o fluoreto de hidrogênio.

O carboneto de háfnio (HfC) tem o ponto de fusão mais alto de qualquer composto de dois elementos conhecido, a quase 7.034 graus Fahrenheit (3.890 graus Celsius), de acordo com o Jefferson Lab. O composto nitreto de háfnio (HfN) também tem um alto ponto de fusão, em torno de 5.981 graus F (3.305 graus C). Entre os compostos de três elementos, o carboneto misto de tungstênio e háfnio tem o único ponto de fusão mais alto de qualquer composto conhecido a 7.457 graus F (4.125 graus C), de acordo com o Chemistry World. Alguns outros compostos de háfnio incluem fluoreto de háfnio (HfF₄) cloreto de háfnio (HfCl₄) e óxido de háfnio (HfO₂).

Apenas os fatos

• Número atômico (número de prótons no núcleo): 72
• Símbolo atômico (na tabela periódica dos elementos): Hf
• Peso atômico (massa média do átomo): 178,49
• Densidade: 13,3 gramas por centímetro cúbico
• Fase à temperatura ambiente: Sólido
• Ponto de fusão: 4.051 graus Fahrenheit (2.233 graus Celsius)
• Ponto de ebulição: 8.317 graus F (4.603 graus C)
• Número de isótopos (átomos do mesmo elemento com um número diferente de nêutrons): 32 cujas meias-vidas são conhecidas com números de massa de 154 a 185
• Isótopos mais comuns: Hf-174, Hf-176, Hf-177, Hf-178, Hf-179 e Hf-180.

Descoberta

A presença de Hafnium havia sido prevista décadas antes de sua descoberta, de acordo com o Chemistry World. O elemento provou ser bastante elusivo, já que era quase impossível distingui-lo quimicamente do zircônio muito mais comum.

Hafnium ainda era desconhecido quando o químico e inventor russo Dimitri Mendeleev desenvolveu a Lei Periódica - uma versão pré-moderna da tabela periódica dos elementos - em 1869. Em sua obra, no entanto, Mendeleev previu corretamente que haveria um elemento cujas propriedades eram semelhantes a mas mais pesado do que zircônio e titânio.

Em 1911, o químico francês Georges Urbain, que já havia descoberto o elemento terra-rara lutécio, acreditou ter finalmente descoberto o elemento 72 que faltava - que ele passou a chamar de celtium, de acordo com o Chemicool. No entanto, alguns anos depois, sua descoberta mostrou ser uma combinação de lantanídeos já descobertos (os 15 elementos metálicos com números atômicos de 57 a 71 na tabela periódica).

Ainda não estava claro se o elemento 72 ausente seria um metal de transição ou um metal de terra rara, uma vez que ele ficava na fronteira entre esses dois tipos de elementos na tabela. Os químicos que acreditavam que seria um elemento de terra rara realizaram muitas pesquisas infrutíferas entre minerais contendo terras raras, de acordo com a Chemistry World.

No entanto, novas evidências provenientes tanto do campo da química quanto da física apoiaram a ideia de que o elemento 72 seria um elemento de transição. Por exemplo, os cientistas sabiam que o elemento 72 ficava abaixo do titânio e do zircônio na tabela periódica e ambos eram elementos de transição conhecidos. Além disso, o físico dinamarquês Niels Bohr, um dos fundadores da teoria quântica, previu que o elemento 72 seria um metal de transição baseado em sua configuração eletrônica para o elemento, de acordo com o Chemistry World.

Em 1921, Bohr encorajou o químico húngaro Georg von Hevesy e o físico holandês Dirk Costerto - dois jovens pesquisadores em seu instituto na época - a pesquisar o elemento 72 no minério de zircônio. Com base em sua teoria quântica da estrutura atômica, Bohr sabia que o novo metal teria uma estrutura química semelhante ao zircônio, então havia uma grande chance de os dois elementos serem encontrados no mesmo minério, de acordo com Chemicool.

Von Hevesy e Coster seguiram o conselho de Bohr e começaram a estudar o minério de zircônio usando espectroscopia de raios-X. Eles usaram a teoria de Bohr de como os elétrons preenchem as camadas e sub-camadas dentro dos átomos para prever as diferenças entre os espectros de raios-X dos dois elementos, de acordo com o Chemical and Engineering News. Em última análise, esse método levou à descoberta do háfnio em 1923. A descoberta foi uma das seis lacunas que restavam na tabela periódica. Eles nomearam o novo elemento em homenagem à cidade natal de Bohr, Copenhague (Hafniaem latim).

Usos

Hafnium é notavelmente resistente à corrosão e um excelente absorvedor de nêutrons, permitindo seu uso em submarinos nucleares e hastes de controle de reatores nucleares, uma tecnologia crítica usada para manter as reações de fissão. As hastes de controle mantêm a reação em cadeia de fissão ativa, mas também evitam que ela acelere além do controle.

O háfnio é utilizado em equipamentos eletrônicos como cátodos e capacitores, além de cerâmicas, lâmpadas de flash fotográfico e filamentos de lâmpadas. Ele é usado em tubos de vácuo como um getter, uma substância que se combina e remove gases residuais dos tubos, de acordo com o laboratório Jefferson. O háfnio é comumente ligado a outros metais, como titânio, ferro, nióbio e tântalo. Por exemplo, ligas de háfnio-nóbio resistentes ao calor são usadas em aplicações aeroespaciais, como motores de foguetes espaciais.

O composto de carboneto de háfnio tem o ponto de fusão mais alto de qualquer composto composto por apenas dois elementos, permitindo que seja usado para revestir fornos e fornos de alta temperatura, de acordo com Chemicool.

Quem sabia?

• Hafnium é pirofórico (inflama espontaneamente) na forma de pó.
• O químico inglês Henry Moseley foi o cientista que percebeu que o elemento "celtium" de Georges Urbain não era o verdadeiro elemento localizado sob o zircônio. Infelizmente, a Primeira Guerra Mundial interrompeu as importantes pesquisas desse jovem cientista. Moseley obedientemente alistou-se na Royal Engineers do Exército Britânico e foi morto por um franco-atirador em 1915. Sua morte levou a Inglaterra a estabelecer uma nova política proibindo cientistas proeminentes de se engajarem em combate.
• Em 1925, os químicos holandeses Anton Eduard van Arkel e Jan Hendrik de Boer descobriram um método para produzir háfnio de alta pureza. Para fazer isso, os cientistas decomporam o tetraiodeto de háfnio em um fio de tungstênio quente, resultando em uma barra de cristal de háfnio puro, de acordo com a Chemicool. Este método é chamado de processo de barra de cristal.
• O isômero nuclear do háfnio há muito é debatido como uma arma potencial. Na controvérsia do Hafnium, os cientistas debatem se o elemento é capaz de desencadear uma rápida liberação de energia.
• Embora o zircônio seja quimicamente muito semelhante ao háfnio, é diferente do háfnio por ser muito pobre na absorção de nêutrons. Portanto, o zircônio é usado na camada externa das barras de combustível, onde é importante que os nêutrons possam viajar facilmente.

Datando as camadas da Terra com háfnio

Em um estudo recente, uma equipe internacional de pesquisadores conseguiu confirmar que a primeira crosta terrestre se formou há cerca de 4,5 bilhões de anos, graças à análise química do háfnio em um meteorito raro. Os pesquisadores acreditam que o meteorito se originou do asteróide Vesta, após um grande impacto que enviou fragmentos de rocha para a Terra, de acordo com o comunicado de imprensa do estudo no Science Daily. Segundo os pesquisadores, meteoritos são pedaços dos materiais originais que formaram todos os planetas. Para o estudo, eles mediram a proporção dos isótopos háfnio-176 e háfnio-177 no meteorito. Isso deu a eles um ponto de partida para a composição da Terra. Eles compararam os resultados com as rochas mais antigas da Terra, essencialmente confirmando que uma crosta já havia se formado na superfície da Terra cerca de 4,5 bilhões de anos atrás. Suas descobertas são publicadas no Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).