Chapitres
Présentation
Le hafnium est un élément chimique qui porte le numéro 72 dans la classification périodique des éléments.
Informations générales Symbole Hf Numéro atomique 72 Famille Métal de transition Groupe 4 Période 6 Bloc d Masse volumique 13,281 g.cm-3 Dureté 5,5 Couleur Gris acier Propriétés atomiques Masse atomique 178,49 u Rayon atomique 155 pm Configuration électronique [Xe] 6s2 4f14 5d2 Électrons par niveau d'énergie 2 | 8 | 18 | 32 | 10 | 2 Oxyde Amphotère Système cristallin Hexagonal compact Propriétés physiques État ordinaire Solide Point de fusion 2 233°C Point d'ébullition 4 603°C 
Définitions
- Numéro atomique : Le numéro atomique d'un atome représente le nombre de protons de ce dernier
- Famille : L'UICPA (Union internationale de chimie pure et appliquée) a regroupé en 10 familles les éléments chimiques qui présentent des propriétés physiques et chimiques semblables
- Groupe : Chaque groupe correspond aux éléments chimiques présents dans une même colonne du tableau périodique des éléments
- Période : Chaque période correspond aux éléments chimiques présents dans une même ligne du tableau périodique des éléments. Ils partagent également le même nombre de couches électroniques. On en compte 7 au maximum
- Bloc : Les éléments périodiques sont classés par bloc selon leurs propriétés et selon les couches électroniques jusqu’auxquelles elles sont remplies
- Dureté : La dureté d'un matériau représente la résistance qu'il oppose à la pénétration. On peut la mesurer selon plusieurs méthodes : la méthode par pénétration, la méthode par rayage ou encore la méthode par rebondissement
- Point d'ébullition : Le point de fusion correspond à un moment de pression et de température à partir duquel l'élément chimique bout, passant ainsi de l'état liquide à l'état gazeux
Rappel : La classification périodique des éléments, aussi appelée tableau de Mendeleïev, du nom de son créateur. C'est un chimiste russe qui en 1869 créa un tableau dont le but était de regrouper tous les éléments chimiques connus par points communs (groupes et familles par exemple). Il a souvent été ajusté et mis à jour depuis cette époque. Sa dernière révision date de 2016 par l'UICPA (Union internationale de chimie pure et appliquée), une ONG suisse qui a pour but l'évolution de la physique-chimie. Le tableau périodique compte à ce jour 118 éléments.
L’UICPA, l’Union Internationale de Chimie Pure et Appliquée est une organisation non gouvernementale ayant son siège à Zurich, en Suisse. Créée en 1919, elle s’intéresse au progrès de la chimie, de la chimie physique et de la biochimie. Ses membres sont les différentes sociétés nationales de chimie et elle est membre du Conseil International pour la Science. L’UICPA est une autorité reconnue dans le développement des règles à adopter pour la nomenclature, les symboles et autres terminologie des éléments chimiques et leurs dérivé via son Comité Interdivisionnel de la Nomenclature et des Symboles. Ce comité fixe la nomenclature de l’UICPA.
Un peu d'histoire
Étymologie
Le mot hafnium a été choisi en hommage à la ville danoise où celui-ci a été découvert København, Copenhague. Il alors été latinisé pour devenir hafnium. Il est intéressant de noter que Copenhague est également la ville natale de Niels Bohr, à l'origine de la théorie atomique qui a permis d'orienter les recherches de cet élément. Le nom de l'élément 72 a été suggéré par le physicien néerlandais Dirk Coster, bien que Bohr ait eu une préférence pour danium, en hommage à son pays. Il aurait fait parti des nombreux éléments ayant un nom dérivé d'un pays comme le gallium, le germanium, le scandie. En 1911, le chimiste français Georges Urbain avait cru, à tort, avoir découvert l'élément 72 et l'avait nommé celtium. 
Première découverte
C'est en 1917 que Konstantin Avtonomovich Nenadkevich, assistant de Vladimir Vernadski, pense avoir isolé à partir d'orthite un nouvel élément de masse atomique 178 se situant entre les éléments 71 et 73 qui sont déjà connus. Ce sera Vernadski, avec qui il partage sa découverte, qui le nommera assium. Malheureusement, cette découverte n'est pas confirmée puisque l'orthite ne contient pas l'élément 72, même sous forme d'élément trace. Georges Urbain annoncera également, en 1907, la découverte de l'élément 72, il publiera les résultats de ses recherches en 1911. Dans celles-ci, il déclare avoir identifié cet élément inconnu à partir de la cristallisation fractionnée du lutécium. Il nommera l'élément 72 celtium, de symbole Ct, en hommage à la population celte.
La cristallisation fractionnée est un procédé chimique de purification par fractionnement qui repose sur le fait que, dans une solution, deux ou plusieurs solutés peuvent avoir, en général, des solubilités différentes dans le même solvant. Ils vont donc cristalliser à des températures différentes. En pratique, on chauffe une solution du mélange à séparer puis on le refroidit lentement pour laisser chaque composant du mélange précipiter. Cette méthode repose sur le fait que la solubilité est souvent croissante en fonction de la température.
Cependant, cette découverte n'est pas largement reconnu à cause de l'imprécision de son article. De plus, Urbain était incapable de déterminer la masse atomique de son celtium. L'échantillon sera alors analysé par spectroscopie des rayons X par Henry Moseley mais celui-ci échouera à prouver la présence de l'élément 72.
La spectroscopie des rayons X est rassemble plusieurs techniques de caractérisation spectroscopique de matériaux par excitation par rayons X. On distingue alors trois familles de techniques plus couramment utilisées : la spectroscopie électromagnétique, la spectroscopie photoélectronique et la spectroscopie photoélectronique
Il faudra attendre mai 1922 pour que Urbain annonce la découverte définitive de l'élément 72 en se basant sur une nouvelle spectroscopie des rayons X qui sera réalisée par Alexandre Dauvillier. Cependant, contrairement à Niels Bohr qui pense que l'élément 72 est un homologue du zirconium et que le dernier terre rare est l'élément 71, Urbain pense que l'élément 72 sera un terre rare. Des collaborateurs de Bohr, George de Hevesy et Dirk Coster, décidèrent alors de chercher l’élément 72 dans des minéraux contenant u zirconium. Ils annoncent alors sa découverte en janvier 193 à Copenhague. Initialement nommé danium, ce sera le nom hafnium qui sera retenu dans la publication de la découverte En février 1923, Urbain demande à Coster et Hevesy de considérer leur découverte comme celle du celtium dans des minéraux contenant du zirconium et non pas comme celle de l'élément 72. C'est alors que débuta une grande controverse concernant l'attribution de l'élément 72 aux deux groupes. C'est alors que Coster et Hevesy montrèrent que les propriétés du hafnium sont plus proches de celles du zirconium que de celle des terres rares. L'hypothèse de Urbain est alors erronée et l'élément 72 est considéré comme un homologue du zirconium. La revendication de découverte d'Urbain et Dauvillier repose sur le spectre dans le domaine des rayons X réalisé en 1922. Cependant, ce spectre est critiqué par Coster et Hevesy qui le déclarent comme non conclusif puisqu'elle ne comporte aucune des deux raies signalée par Urbain ne correspond à celle du celtium. En 1923, Dauvillier publia les photographies des raies du celtium qu'il a identifiées mais dont l'origine reste incertaine. Les chimistes sont alors divisés quant à l'attribution de la découverte. La communauté des chimistes français soutient Urbain et Dauvillier (la Société chimique de France place même le celtium dans son tableau périodique jusque dans les années 1940). Mais le groupe danois conteste également les découvertes faites par les deux Français. L'Union internationale de chimie pure et appliquée (UICPA), quant à elle, restera neutre et ne plaça pas l'élément 72 dans son tableau périodique des éléments puis proposera équitablement l'usage de celtium et hafnium. La découverte sera finalement attribuée progressivement au groupe danois, le nom hafnium sera alors reconnu.
Présence à l’état naturel
On trouve le hafnium dans tout les minerais de zirconium. Son abondance dans la croûte terrestre est de 5,8 ppm.
Propriétés physiques et chimiques
- La forme hexagonale compacte qui se forme à température ambiante
- La forme cubique centré qui se forme à haute température
L'allotropie est la faculté de certains corps simples d'exister sous plusieurs formes cristallines ou moléculaires différentes. Une forme allotropique peuvent avoir des propriétés physique, comme la couleur et la dureté, et une réactivité chimique différentes même si elles sont composées d'atomes identique. Les transformations d'une forme allotropique à l'autre peuvent être induites par des changements de pression et de température ou même par une réaction chimique. Certaines formes ne sont stables que sous certaines conditions définies de température et de pression.
Le hafnium est, comme la plupart des métaux rares, une ressource non renouvelable. La quasi-totalité de la ressource en hafnium provient de l’épuration du zirconium.
Utilisations
Le hafnium est principalement utilisé dans les systèmes de contrôle neutronique des réacteurs nucléaires pour sa capacité à absorber les neutrons. Mais le hafnium présente d’autres utilisations comme :
- Le contrôle de la recristallisation, dans les lampes à incandescence, des filaments de tungstène Fabrication d’alliages avec le fer, le tantale et le titane
- Il est utilisé dans les transistors en tant que diélectrique high-k
- On peut trouver le hafnium dans les torches de découpage des métaux au plasma
- L’oxyde d’hafnium, sous forme de nanoparticule, est aujourd’hui utilisé dans des essais cliniques de soin du cancer en tant qu’amplificateur des effets de la radiothérapie. Les essaies semblent prometteur.
Les ions de l'hafnium en solution aqueuse
L'ion hafnium IV, de formule Hf4+, est un cation monoatomique qui présente un défaut de quatre électrons. Composés à base de l'hafnium :
- Le diborure d'hafnium, de formule HfB2, est une céramique de couleur grisâtre présentant une très bonne résistance aux hautes températures (elle fond à 3 250°C). Elle est caractérisée par une conductivité électrique et thermique relativement rares pour une céramique.
- L'oxyde d'hafnium, de formule HfO2, est l'un des composés naturels de l'hafnium les plus courant. Il peut se former par réaction entre le dioxygène et l'hafnium métallique.
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Bonjour, quel est la formule de l’ion correspondant à l’oxyde d’hafnium ?
Merci d’avance
Bonjour Gabrielle,
La formule brute de l’oxyde d’hafnium est HfO2. La molécule est donc composée de deux molécules d’oxygène pour une molécule d’hafnium.
Bonne journée