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El hafnio es un elemento químico representado por el símbolo Hf y que tiene el número atómico 72. Es un metal de transición tetravalente de color gris-blanco que se encuentra en pequeñas cantidades en la corteza terrestre, su abundancia es de aproximadamente 5,8 partes por millón (ppm).
A menudo está asociado con el zirconio debido a su configuración electrónica y sus propiedades físicas y químicas similares. Además, estos dos elementos se encuentran naturalmente juntos en los minerales. En general, son bastante difíciles de separar completamente. En la tabla periódica de los elementos, el hafnio está situado justo debajo del zirconio en el grupo 4.
Este elemento químico existe en una forma pura de un sólido gris plateado. Sin embargo, como todos los demás metales, puede ser moldeado según las necesidades. A menudo se encuentra en la naturaleza en forma de trazas en minerales de zirconio como la baddeleyita, el zircón y el circón.
Dado que es un metal tetravalente, tiene un número de oxidación de +4 en la mayoría de sus compuestos. Esta característica implica que puede formar átomos cuya carga eléctrica es positiva (+4) cuando se combinan con otros elementos en mezclas químicas.
El hafnio es un metal denso resistente a la corrosión y al calor. Es útil en una variedad de aplicaciones industriales. Debido a su capacidad para absorber neutrones, también se utiliza en las barras de control de los reactores nucleares.
También se utiliza en la fabricación de lámparas de arco, catalizadores y otros productos químicos de alta tecnología. Además, contribuye a mejorar las propiedades mecánicas de las aleaciones de metales como el tungsteno, el titanio, el aluminio y el níquel. Aumenta su resistencia a la corrosión y al calor.
Por otra parte, el hafnio a menudo se produce en forma de polvo fino para su uso en aplicaciones como la metalurgia de polvos. También está disponible en forma de alambres, láminas o placas para su uso en la industria aeroespacial.
El hafnio es un metal plateado, brillante y dúctil. Las impurezas de zirconio influyen en sus propiedades, haciendo que su extracción y purificación sean difíciles. Su densidad es aproximadamente dos veces mayor que la del zirconio.
El elemento químico 72 tiene una alta resistencia a la corrosión debido a su fuerte afinidad por el oxígeno. Con este último, forma una fina capa de óxido de hafnio (HfO2) estable e inerte en la superficie del metal. Este proceso se llama pasivación. Además, el hafnio tiene una estructura cristalina compacta y densa que proporciona protección adicional contra la corrosión. Esta limita la difusión de los agentes corrosivos a través de la superficie del material.
Además, este elemento químico tiene una baja reactividad con el agua y los gases atmosféricos. Por lo tanto, es un material adecuado para su uso en entornos expuestos a la humedad. Del mismo modo, es extremadamente resistente a los ácidos (excepto al ácido fluorhídrico) y a los alcalinos.
Estas propiedades hacen del hafnio un metal apreciado para aplicaciones que requieren una alta resistencia a la corrosión. Este es especialmente el caso de los equipos químicos, los reactores nucleares, los sistemas de propulsión aeroespacial, los implantes médicos y los instrumentos quirúrgicos.
El hafnio generalmente se extrae de minerales de zirconio en forma de metal puro reduciendo el tetra-haluro con magnesio. El proceso puede ser complejo y costoso debido a las similitudes entre los dos elementos. De hecho, sus propiedades físicas y químicas similares hacen que su separación sea difícil. El procedimiento se realiza bajo una atmósfera de argón para evitar que los dos metales reaccionen con otros gases como el nitrógeno.
Cuando el hafnio está disponible en forma de polvo, es muy combustible. Incluso puede inflamarse espontáneamente en el aire. Por lo tanto, su manejo debe hacerse con precaución. Los usuarios toman todas las medidas de seguridad apropiadas para evitar cualquier riesgo de incendio.
El hafnio pertenece al grupo 4 de la clasificación periódica de los elementos. Forma parte de la misma categoría que el titanio (Ti), el zirconio (Zr) y el rutherfordio (Rf). Todos estos elementos tienen una configuración electrónica externa de tipo ns2np2. Esta característica significa que tienen dos electrones en la capa externa s y dos electrones en la capa externa p.
El hafnio tiene dos formas cristalinas alotrópicas diferentes. A temperatura ambiente, se presenta en una estructura hexagonal compacta llamada fase α (forma estable). A temperaturas más altas, este elemento químico toma una apariencia cúbica centrada llamada fase β.
La temperatura de transición entre las dos formas cristalinas se sitúa alrededor de los 1.750 °C. Debido a esta característica, el hafnio es capaz de mantener su estructura a calores intensos. Por lo tanto, es adecuado para diferentes aplicaciones sometidas a condiciones extremas de temperatura. Su capacidad para formar alótropos también es importante, ya que le permite ser utilizado en la industria aeroespacial para construir motores de cohetes. Estos deben soportar temperaturas muy altas y condiciones de presión extremas.
Como la mayoría de los metales raros, el hafnio se considera un recurso no renovable. Está presente en cantidad limitada en la corteza terrestre. Casi todas sus reservas se obtienen por purificación del zirconio. Su extracción y producción son relativamente costosas.
Debido a su rareza y su uso en aplicaciones industriales avanzadas, este elemento químico está muy demandado. El número de profesionales que lo necesitan sigue aumentando. Este crecimiento continuo puede llevar a una presión creciente sobre los recursos naturales. La situación plantea preocupaciones sobre la sostenibilidad de su uso a largo plazo.
Existen iniciativas para reciclar el hafnio a partir de desechos electrónicos y otras fuentes. Estas contribuyen a reducir la demanda de nuevos recursos. También se están realizando investigaciones para desarrollar alternativas a este elemento químico en las aplicaciones industriales.
El hafnio tiene un radio atómico relativamente grande (0,167 nm) y un radio iónico típico de los metales de transición (0,081 nm). Tiene un coeficiente de dilatación térmica relativamente bajo. Entre 0 y 100 °C, este equivale a 6,0–6 /K.
Este elemento químico también es conocido por las características físicas resumidas en la siguiente tabla.
| Masa atómica | 178,49 uma |
| Punto de fusión | 2.233 °C |
| Punto de ebullición | 4.603 °C |
| Densidad | 13,31 m/cm³ |
| Conductividad térmica | 23,0 W/(m.K) |
| Conductividad eléctrica | 2,04 × 10^6 S/m |
Estas se tienen en cuenta al utilizar este mineral en diversas aplicaciones.
Cabe señalar que las propiedades mecánicas del hafnio pueden mejorarse aleándolo con otros metales. También es posible optimizarlas utilizando técnicas de tratamiento térmico que permiten modificar su estructura cristalina.
| A 20 °C | Resistencia a la tracción | 350 a 500 MPa |
| Dureza Brinell | 1 400 a 1 600 MPa | |
| Límite elástico a 0,2 % | 150 a 250 MPa | |
| Alargamiento | 30 % a 40 % | |
| Resiliencia | 6 a 7 kgm/cm2 | |
| Módulo de elasticidad | 140.000 MPa | |
| A 320 °C | Límite elástico a 0,2 % | 150 MPa |
| Resistencia a la tracción | 280 MPa | |
| Módulo de elasticidad | 100.000 MPa | |
| Resiliencia | 11 kgm/cm2 | |
| Alargamiento | 45 % |
La resiliencia indica la capacidad del hafnio para absorber energía cuando está sometido a una tensión. También designa su aptitud para volver a su forma original. Esta propiedad debe tenerse en cuenta al seleccionar un material para aplicaciones donde la resistencia a los impactos es importante. Debe ser evaluada junto con otras propiedades mecánicas importantes para garantizar el rendimiento óptimo del elemento químico.
Existen 36 isótopos de hafnio cuyo número de masas varía de 133 a 188. Sin embargo, solo cinco de ellos son estables y no sufren desintegración radiactiva con el tiempo. Estos son 180Hf 179Hf, 178Hf, 177Hf, 176Hf y 174Hf. Esta característica es de considerable importancia en la industria nuclear. De hecho, dado que los isótopos inestables pueden sufrir desintegraciones radiactivas, provocan la producción de radiación nociva. Por lo tanto, estos potencialmente presentan riesgos para la salud y el medio ambiente. Además, el hafnio tiene 27 isómeros nucleares.
La totalidad del hafnio natural está representada por un radioisótopo de vida larga. La vida media de este es de 2×1015 años y equivale a más de 100.000 veces la edad del universo. Las proporciones de los diferentes isótopos varían del 35% para el isótopo 180Hf al 0,16% para el isótopo 174Hf.
Esta característica tiene implicaciones importantes en la datación geológica y la cosmoquímica. Las proporciones de los isótopos se combinan con otros isótopos presentes en las muestras geológicas o cósmicas. Entonces es posible determinar con gran precisión la edad y el origen de estas muestras.
Todos los isótopos estables del hafnio se consideran actualmente débilmente radiactivos. Pueden desintegrarse por emisión α en los isótopos de iterbio correspondientes. Sin embargo, es importante entender que la estabilidad de los isótopos del hafnio puede verse afectada por diferentes factores. Esta es susceptible de variar en función de la composición química y la presencia de impurezas. También puede tener implicaciones en el uso del hafnio en diversas aplicaciones.
El hafnio se utiliza principalmente en los sistemas de control neutrónico de los reactores nucleares, como los de los submarinos. Su sección eficaz de captura de neutrones térmicos ponderada sobre todos los isótopos estables es de 103 barnios. Es relativamente baja en comparación con otros materiales tales como:
Además, el hafnio es capaz de capturar neutrones en el dominio epitérmico.
Estas características hacen del hafnio un material muy atractivo para su uso como barra de control en los reactores nucleares. El reactor experimental alemán FRM II lo ha utilizado con éxito.
Todos los isótopos naturales del hafnio tienen la capacidad de capturar neutrones en diversos grados. Por lo tanto, su eficacia varía solo moderadamente durante el funcionamiento del reactor.
Además, este elemento químico presenta propiedades mecánicas excepcionales, así como una excelente resistencia a la corrosión. Su alta densidad también facilita la caída gravitacional en el núcleo de los reactores con una geometría dada.
El zirconio también se utiliza comúnmente en la industria nuclear. El elemento químico 72 presente en los minerales de zirconio se considera una impureza molesta. De hecho, puede afectar las propiedades neutrónicas del zirconio. Incluso puede perturbar el funcionamiento de los reactores nucleares y reducir su eficiencia.
Por lo tanto, la presencia de hafnio en las aleaciones de zirconio utilizadas en la industria nuclear está fuertemente controlada. Esta precaución garantiza un rendimiento óptimo de los reactores nucleares. Se utilizan técnicas de purificación y control de calidad para minimizar la presencia del elemento en las aleaciones de zirconio.
El hafnio se utiliza en otros campos además de la industria nuclear. En las lámparas incandescentes, sirve para controlar la recristalización de los filamentos de tungsteno. En microelectrónica, el dióxido de hafnio se emplea como un dieléctrico de alta constante k en lugar del dióxido de silicio. También se utiliza como cátodo en las antorchas de corte de metales por plasma.
En oncología, el óxido de hafnio en forma de nanopartículas en solución presenta interesantes oportunidades para amplificar los efectos de la radioterapia. Ha sido objeto de ensayos clínicos y ha demostrado su eficacia en un ensayo de fase III. Se ha combinado con otros tratamientos, incluso en inmuno-oncología.
En 1825, la existencia de un elemento desconocido en compuestos que contenían zirconio se mencionó por primera vez. Johann August Friedrich Breithaupt lo llamó “ostranium”. En 1845, Lars Fredrik Svanberg anunció haber aislado un nuevo óxido asociado con la zirconia en el mineral nordita. Lo denominó “norium”. Sus resultados no pudieron ser reproducidos por sus contemporáneos.
En los años siguientes, varios investigadores también afirmaron haber descubierto nuevos elementos en minerales que contenían zirconio. Sus conclusiones también fueron cuestionadas.
En 1907, Georges Urbain anunció el descubrimiento del elemento 72 que llamó “celtium”. Sin embargo, sus resultados publicados en 1911 fueron cuestionados debido a su imprecisión. No fueron definitivos hasta 1922, cuando el mismo científico reafirmó su descubrimiento después de una nueva espectroscopia por rayos X. Esta fue realizada por Alexandre Dauvillier.
El elemento 72 estaba presente en minerales que contenían zirconio. Fue denominado “danium” antes de ser llamado “hafnio” en referencia a Hafnia, topónimo latino de Copenhague.
El hafnio es un metal insoluble en agua y sustancias endógenas. Esta característica lo hace no tóxico en forma metálica. Sin embargo, puede producirse una sobreexposición por inhalación, ingestión o contacto con la piel o los ojos. Es susceptible de causar una ligera irritación.
Todos los compuestos del elemento químico 72 deben considerarse tóxicos, aunque los primeros estudios indican que el peligro es limitado. El hafnio en forma de trituro ligado al tritio puede hacer que el tritio sea más peligroso. Además, es posible que su polvo presente un riesgo más o menos alto de incendio y explosión.
Los datos disponibles sobre la toxicidad del hafnio o su polvo en los animales aún son limitados. Estudios previamente realizados indican que los compuestos de este elemento químico pueden causar daños al hígado, la piel y el ojo. También son susceptibles de provocar irritación de las mucosas. Los valores de DL50 para el tetracloruro en ratas son de 2,362 mg·kg-1. Se trata de la dosis (o concentración) letal media, un indicador de la toxicidad de un producto. Para el oxicloruro en ratones, los valores son de 112 mg·kg-1. Sin embargo, hasta ahora no se ha reportado ningún efecto negativo sobre el medio ambiente.
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