Faits sur Hafnium

Le hafnium est un métal de transition brillant et gris argenté. Découvert en 1923, c'était l'avant-dernier élément avec des noyaux stables à être ajouté au tableau périodique (le dernier était le rhénium en 1925). Hafnium est nommé d'après le mot latin pour Copenhague: Hafnia. L'élément a des applications commerciales très importantes, notamment son utilisation dans l'industrie de l'énergie nucléaire, les équipements électroniques, la céramique, les ampoules et la fabrication de superalliages.

Le hafnium est rarement trouvé libre dans la nature, et est plutôt présent dans la plupart des minéraux de zirconium à une concentration allant jusqu'à 5 pour cent. En fait, l'hafnium est si chimiquement similaire au zirconium qu'il est extrêmement difficile de séparer les deux éléments. La plupart du hafnium commercial est produit comme sous-produit du raffinage du zirconium.

Le hafnium est le 45e élément le plus abondant sur Terre, comprenant environ 3,3 parties par million (ppm) de la croûte terrestre en poids, selon Chemicool. L'hafnium est assez résistant à la corrosion en raison de la formation d'un film d'oxyde sur les surfaces exposées. En fait, il n'est pas affecté par l'eau, l'air et tous les alcalis et acides à l'exception du fluorure d'hydrogène.

Le carbure d'hafnium (HfC) a le point de fusion le plus élevé de tout composé à deux éléments connu à près de 7 034 degrés Fahrenheit (3 890 degrés Celsius), selon Jefferson Lab. Le nitrure d'hafnium composé (HfN) a également un point de fusion élevé, autour de 5 981 degrés F (3 305 degrés C). Parmi les composés de trois éléments, le carbure mixte de tungstène et d'hafnium a le point de fusion le plus élevé de tous les composés connus à 7 457 degrés F (4 125 degrés C), selon Chemistry World. Certains autres composés d'hafnium comprennent le fluorure d'hafnium (HfF₄) chlorure d'hafnium (HfCl₄) et oxyde d'hafnium (HfO₂).

Juste les faits

• Numéro atomique (nombre de protons dans le noyau): 72
• Symbole atomique (sur le tableau périodique des éléments): Hf
• Poids atomique (masse moyenne de l'atome): 178.49
• Densité: 13,3 grammes par centimètre cube
• Phase à température ambiante: solide
• Point de fusion: 4,051 degrés Fahrenheit (2233 degrés Celsius)
• Point d'ébullition: 8,317 degrés F (4,603 degrés C)
• Nombre d'isotopes (atomes du même élément avec un nombre différent de neutrons): 32 dont les demi-vies sont connues avec des nombres de masse de 154 à 185
• Isotopes les plus courants: Hf-174, Hf-176, Hf-177, Hf-178, Hf-179 et Hf-180.

Découverte

La présence d'Hafnium avait été prévue des décennies avant sa découverte, selon Chemistry World. L'élément s'est avéré assez insaisissable, car il était presque impossible de le distinguer chimiquement du zirconium beaucoup plus commun.

Hafnium était encore inconnu lorsque le chimiste et inventeur russe Dimitri Mendeleev a développé la loi périodique - une version pré-moderne du tableau périodique des éléments - en 1869. Dans son travail, cependant, Mendeleev a correctement prédit qu'il y aurait un élément dont les propriétés seraient similaires mais plus lourd que le zirconium et le titane.

En 1911, le chimiste français Georges Urbain, qui avait déjà découvert l'élément de terre rare lutétium, croyait avoir finalement découvert l'élément manquant 72 - qu'il a baptisé celtium, selon Chemicool. Cependant, quelques années plus tard, sa découverte s'est avérée être une combinaison de lanthanides déjà découverts (les 15 éléments métalliques avec les numéros atomiques 57 à 71 dans le tableau périodique).

On ne savait toujours pas si l'élément manquant 72 serait un métal de transition ou un métal des terres rares puisqu'il se situait à la frontière entre ces deux types d'éléments dans le tableau. Les chimistes qui pensaient qu'il s'agirait d'un élément des terres rares ont mené de nombreuses recherches infructueuses parmi les minéraux contenant des terres rares, selon Chemistry World.

Cependant, de nouvelles preuves provenant à la fois du domaine de la chimie et de la physique ont soutenu l'idée que l'élément 72 serait un élément de transition. Par exemple, les scientifiques savaient que l'élément 72 se situait sous le titane et le zirconium dans le tableau périodique et que ces deux éléments étaient des éléments de transition connus. En outre, le physicien danois Niels Bohr, l'un des fondateurs de la théorie quantique, a prédit que l'élément 72 serait un métal de transition basé sur sa configuration électronique pour l'élément, selon Chemistry World.

En 1921, Bohr a encouragé le chimiste hongrois Georg von Hevesy et le physicien néerlandais Dirk Costerto - deux jeunes chercheurs de son institut à l'époque - à rechercher l'élément 72 dans le minerai de zirconium. Sur la base de sa théorie quantique de la structure atomique, Bohr savait que le nouveau métal aurait une structure chimique similaire au zirconium, il y avait donc de fortes chances que les deux éléments soient trouvés dans les mêmes minerais, selon Chemicool.

Von Hevesy et Coster ont suivi les conseils de Bohr et ont procédé à l'étude du minerai de zirconium en utilisant la spectroscopie aux rayons X. Ils ont utilisé la théorie de Bohr sur la façon dont les électrons remplissent les coquilles et les sous-couches dans les atomes pour prédire les différences entre les spectres de rayons X des deux éléments, selon Chemical and Engineering News. Cette méthode a finalement conduit à la découverte de l'hafnium en 1923. La découverte était l'une des six seules lacunes restantes dans le tableau périodique. Ils ont nommé le nouvel élément d'après la ville natale de Bohr, Copenhague (Hafniaen latin).

Les usages

Le hafnium est remarquablement résistant à la corrosion et un excellent absorbeur de neutrons, permettant son utilisation dans les sous-marins nucléaires et les barres de commande des réacteurs nucléaires, une technologie critique utilisée pour maintenir les réactions de fission. Les barres de contrôle maintiennent la réaction en chaîne de fission active mais l'empêchent également d'accélérer de manière incontrôlable.

Le hafnium est utilisé dans les équipements électroniques tels que les cathodes et les condensateurs, ainsi que dans la céramique, les ampoules flash et les filaments d'ampoules. Selon Jefferson Lab, il est utilisé dans les tubes à vide en tant que getter, une substance qui se combine avec et élimine les traces de gaz des tubes. Le hafnium est couramment allié à d'autres métaux tels que le titane, le fer, le niobium et le tantale. Par exemple, des alliages hafnium-nobium résistants à la chaleur sont utilisés dans les applications aérospatiales, telles que les moteurs de fusée spatiale..

Le composé de carbure d'hafnium a le point de fusion le plus élevé de tout composé composé de seulement deux éléments, ce qui lui permet d'être utilisé pour garnir des fours et des fours à haute température, selon Chemicool.

Qui savait?

• Le hafnium est pyrophorique (s'enflamme spontanément) sous forme de poudre.
• Le chimiste anglais Henry Moseley a été le scientifique qui a réalisé que l'élément "celtium" de Georges Urbain n'était pas le véritable élément situé sous le zirconium. Malheureusement, la Première Guerre mondiale a interrompu les recherches importantes de ce jeune scientifique. Moseley s'est engagé consciencieusement dans les Royal Engineers de l'armée britannique et a été tué par un tireur d'élite en 1915. Sa mort a conduit l'Angleterre à établir une nouvelle politique interdisant à d'éminents scientifiques de s'engager dans le combat.
• En 1925, les chimistes néerlandais Anton Eduard van Arkel et Jan Hendrik de Boer ont mis au point une méthode de production de hafnium de haute pureté. Pour ce faire, les scientifiques ont décomposé du tétraiodure d'hafnium sur un fil de tungstène chaud, ce qui a donné une barre de cristal de hafnium pur, selon Chemicool. Cette méthode s'appelle le processus de la barre de cristal.
• L'isomère nucléaire du hafnium a longtemps été débattu en tant qu'arme potentielle. Dans la controverse Hafnium, les scientifiques débattent de la capacité de l'élément à déclencher une libération rapide d'énergie.
• Bien que le zirconium soit chimiquement très similaire à l'hafnium, il est différent de l'hafnium en ce sens qu'il absorbe très peu les neutrons. Par conséquent, le zirconium est utilisé dans la couche externe des barres de combustible où il est important que les neutrons puissent voyager facilement.

Rencontre des couches de la Terre avec du hafnium

Dans une étude récente, une équipe internationale de chercheurs a pu confirmer que la première croûte terrestre s'est formée il y a environ 4,5 milliards d'années, grâce à leur analyse chimique de l'hafnium dans une météorite rare. Les chercheurs pensent que la météorite provient de l'astéroïde Vesta, à la suite d'un impact important qui a envoyé des fragments de roche sur Terre, selon le communiqué de presse de l'étude publié dans Science Daily. Selon les chercheurs, les météorites sont des morceaux des matériaux originaux qui ont formé toutes les planètes. Pour l'étude, ils ont mesuré le rapport des isotopes hafnium-176 et hafnium-177 dans la météorite. Cela leur a donné un point de départ pour la composition de la Terre. Ils ont comparé les résultats avec les roches les plus anciennes de la Terre, confirmant essentiellement qu'une croûte s'était déjà formée à la surface de la Terre il y a environ 4,5 milliards d'années. Leurs résultats sont publiés dans les Actes de la National Academy of Sciences (PNAS).