Hafnium

Hafnium
Lutécium ← Hafnium → Tantale Zr       72 Hf                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                               ↑ Hf ↓ Rf Tableau complet • Tableau étendu
Informations générales
Nom, symbole, numéro	Hafnium, Hf, 72
Série chimique	métaux de transition
Groupe, période, bloc	4 (IVB), 6, d
Masse volumique	13,281 g·cm-3 (20 °C)[1]
Dureté	5,5
Couleur	Gris acier
No CAS	7440-58-6 [2]
No EINECS	231-166-4
Propriétés atomiques
Masse atomique	178,49 ± 0,02 u [1]
Rayon atomique (calc)	155 pm (208 pm)
Rayon de covalence	175 ± 10 pm [3]
Rayon de van der Waals	161 pm
Configuration électronique	[Xe]4f14 5d2 6s2
Électrons par niveau d’énergie	2, 8, 18, 32, 10, 2
État(s) d’oxydation	4
Oxyde	amphotère
Structure cristalline	Hexagonal compact
Propriétés physiques
État ordinaire	solide
Point de fusion	2 233 °C [1]
Point d’ébullition	4 603 °C [1]
Énergie de fusion	24,06 kJ·mol-1
Énergie de vaporisation	575 kJ·mol-1
Volume molaire	13,44×10-6 m3·mol-1
Pression de vapeur	1,12 mPa à 2 500 K
Vitesse du son	3 010 m·s-1 à 20 °C
Divers
Électronégativité (Pauling)	1,3
Chaleur massique	140 J·kg-1·K-1
Conductivité électrique	3,12×106 S·m-1
Conductivité thermique	18,4 W·m-1·K-1
Énergies d’ionisation[4]
1re : 6,82507 eV	2e : 15 eV
3e : 23,3 eV	4e : 33,33 eV
Isotopes les plus stables
Iso AN Période MD Ed PD MeV 172Hf {syn.} 1,87 a ε 0,350 172Lu 174Hf 0,162 % 2×1015 a α 2,495 170Yb 176Hf 5,206 % stable avec 104 neutrons 177Hf 18,606 % stable avec 105 neutrons 178Hf 27,297 % stable avec 106 neutrons 178m2Hf {syn.} 31 a TI 2,446 178Hf 179Hf 13,629 % stable avec 107 neutrons 180Hf 35,100 % stable avec 108 neutrons 182Hf {syn.} 9×106 a β 0,373 182Ta
Précautions
Directive 67/548/EEC[5]
État pulvérulent : F Symboles : F : Facilement inflammable Phrases R : R17 : Spontanément inflammable à l’air. Phrases R : 17,
Transport[5]
-    2545 1326    Numéro ONU : 2545 1326 :
SIMDUT[6]
Produit non contrôlé Ce produit n'est pas contrôlé selon les critères de classification du SIMDUT. Divulgation à 1,0% selon la liste de divulgation des ingrédients
SGH[5]
État pulvérulent : DangerH250, H251, P210, P222, P235, P280, P410, P420, P422, H250 : S'enflamme spontanément au contact de l'air H251 : Matière auto-échauffante ; peut s'enflammer P210 : Tenir à l’écart de la chaleur/des étincelles/des flammes nues/des surfaces chaudes. — Ne pas fumer. P222 : Ne pas laisser au contact de l’air. P235 : Tenir au frais. P280 : Porter des gants de protection/des vêtements de protection/un équipement de protection des yeux/du visage. P410 : Protéger du rayonnement solaire. P420 : Stocker à l’écart des autres matières. P422 : Stocker le contenu sous …
Unités du SI & CNTP, sauf indication contraire.
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Le hafnium^{[notes 1]} est un élément chimique du tableau périodique de symbole Hf et de numéro atomique 72. C'est un métal de transition tétravalent d'un aspect gris argenté. Le hafnium ressemble chimiquement au zirconium et est trouvé dans tous les minerais de zirconium. Le hafnium est utilisé dans les alliages de tungstène pour la confection de filament et d'électrode, il est aussi utilisé comme absorbeur de neutrons dans les barres (ou croix) de contrôle de la réactivité nucléaire. La quantité d'hafnium dans la croûte terrestre est de 5,8 ppm.

Caractéristiques notables

Lingot de hafnium cristallisé.

C'est un métal ductile, brillant et argenté. Il résiste à la corrosion et est chimiquement semblable au zirconium. Les propriétés du hafnium sont affectées par la présence d'impuretés de zirconium, et ces deux éléments sont parmi les plus difficiles à séparer. La seule différence notable entre eux est la densité (le zirconium est deux fois moins dense que le hafnium). Comme pour le zirconium, le hafnium est extrait du minerai comme métal pur en réduisant le tétra-haloïde par le magnésium, la réaction est faite sous atmosphère d'argon car les deux métaux se combinent avec d'autres gaz (l'azote, par exemple).

L'hafnium résiste à la corrosion dans l'air et dans l'eau du fait de la formation d'un film d'oxyde, bien que l'hafnium en poudre se consume dans l'air. Il n'est pas affecté par les alcalis ou les acides, à l'exception de l'acide fluorhydrique

Comme le titane et le zirconium, les deux autres éléments stables du groupe IVB de la classification périodique, il présente deux formes cristallines allotropiques : hexagonale compacte à température ambiante (phase α), et cubique centrée à haute température (phase β) ; leur température de transition se situe aux alentours de 1 750 °C.

Comme la plupart des métaux rares, le hafnium est une ressource non renouvelable, la quasi-totalité de la ressource vient de l'épuration du zirconium.

Caractéristiques physiques (complémentaires de celles données ci-contre)

• Rayon atomique = 0,167 nm
• Rayon ionique = 0,081 nm
• Coefficient de dilatation thermique entre 0 et 100 °C = 6,0 x10^-6 / K

Caractéristiques mécaniques

• A 20 °C
  • Dureté Brinell = 1 400 à 1 600 MPa
  • Résistance à la traction = 350 à 500 MPa
  • Limite élastique à 0,2% = 150 à 250 MPa
  • Allongement = 30% à 40%
  • Module d'élasticité = 140 000 MPa
  • Résilience = 6 à 7 kgm/cm2
• A 320 °C
  • Résistance à la traction = 280 MPa
  • Limite élastique à 0,2% = 150 MPa
  • Allongement = 45%
  • Module d'élasticité = 100 000 MPa
  • Résilience = 11 kgm/cm2

Isotopes

L'hafnium possède 36 isotopes connus, de nombre de masse variant entre 133 et 188, ainsi que 27 isomères nucléaires. Parmi ces isotopes, cinq sont stables, ¹⁷⁶Hf, ¹⁷⁷Hf, ¹⁷⁸Hf, ¹⁷⁹Hf et ¹⁸⁰Hf et avec ¹⁷⁴Hf, un radioisotope à vie longue (demi-vie de 2×10¹⁵ années — plus de 100 000 fois l'âge de l'univers), représentent la totalité du hafnium naturel, dans des proportions variant de 0,16 (¹⁷⁴Hf) à 35% (¹⁸⁰Hf). Comme tous les éléments plus lourds que le zirconium, l'hafnium est théoriquement instable, et tous ses isotopes stables sont soupçonnés d'être faiblement radioactifs, se désintégrant par émission α en isotopes de l'ytterbium correspondants. On attribue au hafnium une masse atomique standard de 178,49(2) u.

Applications

Hafnium, soudé par faisceau d'électrons (à droite). Cube d'un cm de côté au premier plan.

L'utilisation du hafnium est faite, principalement, dans les systèmes de contrôle neutronique de réacteur nucléaire, par exemple, ceux des sous-marins, notamment grâce à sa grande capacité à absorber les neutrons. Sa section efficace de capture des neutrons thermiques pondérée sur l'ensemble des isotopes stables est de 103 barn, ce qui n'est pas très élevé en comparaison des autres matériaux utilisables (cadmium 2 450 b, bore 759 b, gadolinium 49 000b, indium 194 b, erbium 160 b, dysprosium 930 b, europium 4 100 b, etc..) mais représente presque 600 fois celle du zirconium . Il capture également dans le domaine épi-thermique. Tous les isotopes naturels sont capturants à des degrés variables ce qui fait que son efficacité ne varie que modérément dans le cours du fonctionnement du réacteur. En outre, il présente de très bonnes propriétés mécaniques et une excellente résistance à la corrosion. La densité élevée facilite à géométrie donnée la chute gravitaire dans le cœur. Le réacteur expérimental allemand FRM II utilise le hafnium comme barre de contrôle^[7].

Vis-à-vis du zirconium utilisé dans l'industrie nucléaire le hafnium absorbeur de neutron est une impureté gênante.

Autres utilisations :

• Utilisation pour contrôler la recristallisation des filaments de tungstène des lampe à incandescence classique.
• Dans les alliages de fer, tantale, titane.
• En microélectronique, le dioxyde de hafnium est utilisé comme diélectrique high-k en remplacement du dioxyde de silicium, notamment pour les grilles des transistors MOSFET. Il est par exemple usilté chez Intel depuis sa microarchitecture Core^[8],[9].
• Anode dans les torches de découpage des métaux au plasma
• Métal utilisé par des métallocènes destinés à la polymérisation des oléfines

L'isomère ^178m2Hf serait susceptible de libérer son énergie d'excitation sous l'effet d'une stimulation extérieure aux rayons X, phénomène connu comme « émission gamma induite » dont la réalité physique demeure à ce jour encore largement débattue.

Histoire

Le hafnium, d'après le toponyme Hafnia, nom latin de Copenhague, a été découvert par Dirk Coster et George von Hevesy en 1923 à Copenhague, Danemark. Peu après on prévit que le nouvel élément devait être associé au zirconium en utilisant la théorie de Bohr. Il fut finalement découvert dans du zirconium par spectroscopie aux rayons X en Norvège.

Effets sur la santé

Ce métal est complètement insoluble dans l'eau, les solutions salines ou les produits chimiques du corps. Le hafnium sous forme de métal n'a aucune toxicité connue. Aucun signe et symptôme d'exposition chronique au hafnium n'ont été rapportés chez l'homme.

L'exposition au hafnium peut se produire par inhalation, ingestion, et par contact avec l'œil ou la peau.
Une surexposition au hafnium et à ses composés peut causer une légère irritation oculaire ou de la peau et des muqueuses.

Le hafnium sous la forme de métal ne pose normalement pas de problème mais tous les composés du hafnium devraient être considérés comme toxiques, bien que les premières études effectuées semblent suggérer que le danger est limité. Sous forme tritide, associé à du tritium, et inhalé, il peut rendre le tritium plus dangereux qu'en cas d'inhalation d'eau tritiée^[10].

La poussière du métal présente un risque d'incendie et d'explosion.

Effets sur l'environnement

Effets sur les animaux : les données sur la toxicité du métal de hafnium ou de sa poussière sont limitées. Les études sur des animaux indiquent que les composés de hafnium causent des dommages à l'œil, à la peau, au foie et irritent les muqueuses des membranes. La DL₅₀ orale pour le tétrachlorure de hafnium chez les rats est de 2,362 mg·kg^-1, et la DL₅₀ intrapéritonéale chez les souris pour l'oxychlorure de hafnium est de 112 mg·kg^-1.

Aucun effet négatif sur l'environnement n'a été rapporté.

Annexes

Articles connexes

• Hafnium 178m2, un isomère nucléaire énergétique à longue durée de vie aux possibles applications militaires et spatiales

Notes et références

Notes

Références

• Portail de la chimie