Hafnium

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Hafnium
LutéciumHafniumTantale
Zr
   
 
72
Hf
 
               
               
                                   
                                   
                                                               
                                                               
                                                               
                                   
Hf
Rf
Tableau completTableau 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 1,75 ± 0,10 Å [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 :
Facilement inflammable
F


Transport[5]
-
   2545 1326   
SIMDUT[6]

Produit non contrôlé
SGH[5]
État pulvérulent :
SGH02 : Inflammable
Danger
H250, H251, P210, P222, P235, P280, P410, P420, P422,
Unités du SI & CNTP, sauf indication contraire.

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[modifier | modifier le code]

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

Applications[modifier | modifier le code]

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 :

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[modifier | modifier le code]

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[modifier | modifier le code]

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[modifier | modifier le code]

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[modifier | modifier le code]

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Articles connexes[modifier | modifier le code]

Notes et références[modifier | modifier le code]

Notes[modifier | modifier le code]

  1. Le h initial peut être aspiré ou pas ; on peut ainsi dire « l'hafnium ».

Références[modifier | modifier le code]

  1. a, b, c et d (en) David R. Lide, CRC Handbook of Chemistry and Physics, CRC Press Inc,‎ 2009, 90e éd., Relié, 2804 p. (ISBN 978-1-420-09084-0)
  2. Base de données Chemical Abstracts interrogée via SciFinder Web le 15 décembre 2009 (résultats de la recherche)
  3. (en) Beatriz Cordero, Verónica Gómez, Ana E. Platero-Prats, Marc Revés, Jorge Echeverría, Eduard Cremades, Flavia Barragán et Santiago Alvarez, « Covalent radii revisited », Dalton Transactions,‎ 2008, p. 2832 - 2838 (lien DOI?)
  4. (en) David R. Lide, CRC Handbook of Chemistry and Physics, CRC,‎ 2009, 89e éd., p. 10-203
  5. a, b et c Entrée de « Hafnium, Powder » dans la base de données de produits chimiques GESTIS de la IFA (organisme allemand responsable de la sécurité et de la santé au travail) (allemand, anglais) (JavaScript nécessaire)
  6. « Hafnium » dans la base de données de produits chimiques Reptox de la CSST (organisme québécois responsable de la sécurité et de la santé au travail), consulté le 25 avril 2009
  7. "Forschungsreaktor München II (FRM-II): Standort und Sicherheitskonzept" (pdf). Strahlenschutzkommission. 1996-02-07. Archived from the original on October 20, 2007. Retrieved 2008-09-22.
  8. Voir l'article sur les avancées technologique appliquées aux CPU : [1]
  9. http://www.intel.com/technology/45nm/
  10. W.C.T. Inkret, M.E. Schillaci, M.K. Boyce, Y.S. Cheng, D.W. Efurd, T.T. Little, G. Miller, J.A. Musgrave and J.R. Wermer, Internal Dosimetry for Inhalation of Hafnium Tritide Aerosols ; Oxford Journals Mathematics & Physical SciencesMedicine  ; Radiation Protection Dosimetry ; Volume93, Issue1 ; p. 55-60 (Résumé)
  s1 s2 g f1 f2 f3 f4 f5 f6 f7 f8 f9 f10 f11 f12 f13 f14 d1 d2 d3 d4 d5 d6 d7 d8 d9 d10 p1 p2 p3 p4 p5 p6
1 H He
2 Li Be B C N O F Ne
3 Na Mg Al Si P S Cl Ar
4 K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr
5 Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe
6 Cs Ba   La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn
7 Fr Ra   Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Rg Cn Uut Fl Uup Lv Uus Uuo
8 Uue Ubn * Ute Uqn Uqu Uqb Uqt Uqq Uqp Uqh Uqs Uqo Uqe Upn Upu Upb Upt Upq Upp Uph Ups Upo Upe Uhn Uhu Uhb Uht Uhq Uhp Uhh Uhs Uho
   
  g1 g2 g3 g4 g5 g6 g7 g8 g9 g10 g11 g12 g13 g14 g15 g16 g17 g18  
  * Ubu Ubb Ubt Ubq Ubp Ubh Ubs Ubo Ube Utn Utu Utb Utt Utq Utp Uth Uts Uto  


Métalloïdes Non-métaux Halogènes Gaz rares
Métaux alcalins  Métaux alcalino-terreux  Métaux de transition Métaux pauvres
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